We derive closed-form extensions of the sequential and parallel Riccati recursions for solving dual-regularized linear-quadratic regulator (LQR) problems, with $O(N)$ sequential time and $O(\log(N))$ parallel time, respectively. We show that these subproblems arise when using regularized primal-dual interior-point methods to solve smooth, constrained, non-convex, discrete-time optimal control problems via multiple-shooting, even in the presence of stagewise equality or inequality constraints, and without imposing any rank requirements on constraint Jacobians. We prove that, when certain inertia conditions on the Newton-KKT matrix are met, each nonzero primal step is a descent direction of an augmented barrier-Lagrangian merit function. We characterize these inertia conditions in terms of the positive-definiteness of the dual-regularized Riccati pivots (a weaker condition than the standard LQR positive-definiteness requirements), thereby yielding inexpensive certificates of the required inertia. We provide MIT-licensed implementations of our methods in C++ and in JAX, as well as a full formalization of our results in Lean. We benchmark our algorithm against leading optimal control and nonlinear programming solvers on complex trajectory optimization problems, establishing competitive performance on moderate problems and substantial gains as the horizon length, problem dimension, and constraint count increase.


翻译:本文推导了序列和并行Riccati递推的闭式扩展形式,用于求解双正则化线性二次型调节器问题,分别具有$O(N)$的串行时间复杂度和$O(\log(N))$的并行时间复杂度。我们证明,在使用正则化原始-对偶内点法通过多重打靶求解光滑、带约束、非凸的离散时间最优控制问题时,即使存在逐阶段等式或不等式约束且不对约束雅可比矩阵施加任何秩要求,这些子问题仍会出现。当牛顿-KKT矩阵满足某些惯性条件时,我们证明每个非零原始步长是增广障碍-拉格朗日罚函数的下降方向。我们通过双正则化Riccati主元的正定性(比标准LQR正定性要求更弱的条件)来刻画这些惯性条件,从而为所需惯性提供低成本的验证方法。我们在C++和JAX中提供了基于MIT许可证的实现,并在Lean中完整形式化了我们的结论。我们针对复杂轨迹优化问题,将所提算法与领先的最优控制和非线性规划求解器进行基准测试,证明其在中等规模问题上具有竞争性性能,且随着时域长度、问题维度和约束数量的增加,性能提升显著。

0
下载
关闭预览

相关内容

在数学,统计学和计算机科学中,尤其是在机器学习和逆问题中,正则化是添加信息以解决不适定问题或防止过度拟合的过程。 正则化适用于不适定的优化问题中的目标函数。
基于注意力机制的态势要素推荐技术
专知会员服务
27+阅读 · 2025年2月14日
推荐算法:Match与Rank模型的交织配合
从0到1
15+阅读 · 2017年12月18日
干货|掌握机器学习数学基础之优化[1](重点知识)
机器学习研究会
10+阅读 · 2017年11月19日
国家自然科学基金
2+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
1+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
6+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
3+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2014年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2014年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2014年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2014年12月31日
Arxiv
0+阅读 · 6月15日
VIP会员
最新内容
学习数据的几何:形状空间分析数学综述
专知会员服务
7+阅读 · 6月17日
定向能反无人机系统最新发展动态
专知会员服务
8+阅读 · 6月17日
从燃煤战舰到算法战争:水面指挥的永恒要求
专知会员服务
6+阅读 · 6月17日
相关VIP内容
基于注意力机制的态势要素推荐技术
专知会员服务
27+阅读 · 2025年2月14日
相关基金
国家自然科学基金
2+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
1+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
6+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
3+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2014年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2014年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2014年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2014年12月31日
Top
微信扫码咨询专知VIP会员