We present a novel, fast differentiable simulator for soft-body learning and control applications. Existing differentiable soft-body simulators can be classified into two categories based on their time integration methods: Simulators using explicit time-stepping scheme require tiny time steps to avoid numerical instabilities in gradient computation, and simulators using implicit time integration typically compute gradients by employing the adjoint method and solving the expensive linearized dynamics. Inspired by Projective Dynamics (PD), we present Differentiable Projective Dynamics (DiffPD), an efficient differentiable soft-body simulator based on PD with implicit time integration. The key idea in DiffPD is to speed up backpropagation by exploiting the prefactorized Cholesky decomposition in forward PD simulation. In terms of contact handling, DiffPD supports two types of contacts: a penalty-based model describing contact and friction forces and a complementarity-based model enforcing non-penetration conditions and static friction. We evaluate the performance of DiffPD and observe it is 4-19 times faster compared to the standard Newton's method in various applications including system identification, inverse design problems, trajectory optimization, and closed-loop control. We also apply DiffPD in a real-to-sim example with contact and collisions and show its capability of reconstructing a digital twin of real-world scenes.


翻译:我们为软体学习和控制应用程序提供了一个新颖、快速和快速不同的模拟器,用于软体学习和控制应用。现有的不同的软体模拟器可以根据其时间整合方法分为两类:使用明确时间步制的模拟器需要微小的时间步骤以避免梯度计算中的数字不稳定性;使用隐含时间整合的模拟器通常通过使用联合方法和解决昂贵的线性动态来计算梯度。在投影动力(PPD)的启发下,我们提供了可区别的投影动态(DiffPD),一个基于PD的高效的可区别软体模拟器,以隐含的时间整合为基础。DiffPD的关键想法是通过在前方PD模拟中利用预设的Choolesky分解定位加速反演化速度。在接触处理方面,DiffPD支持两种类型的接触:一种基于惩罚的模型,描述接触和摩擦力,以及一种基于互补性的模式,以非穿透条件和静态摩擦为基础,我们评估DiffPD的性软体模拟器性模拟器和观察它的表现速度是4-19倍,而比标准的双向轨道模拟的模拟模拟,在实际的模拟中,我们可以展示和模拟的模拟的模拟中,在真实的模拟中,在真实的模拟中,在真实的模拟的模拟的模拟中,一种模拟的模拟的模拟中,在演示式的模拟中,我们式的模拟的模拟的模拟的模拟的模拟的模拟中,还应用了一种我们式的模拟的模拟的模拟的模拟的模拟的模拟的模拟的模拟的模拟的模拟的模拟的模拟的模拟的模拟的模拟的模拟的模拟的模拟的模拟的模拟的模拟的模拟的模拟的模拟的模拟的模拟的模拟的模拟的模拟的模拟的模拟的模拟的模拟的模拟的模拟,在实际的模拟的模拟的模拟的模拟的模拟的模拟的模拟的模拟,,在实际的模拟,在实际的模拟,也显示和模拟,在实际的模拟, 显示和模拟的模拟的模拟的模拟的模拟的模拟的模拟的模拟的模拟的模拟的模拟的模拟的模拟的模拟的模拟的模拟的模拟的模拟的模拟的模拟的模拟的模拟的模拟的模拟的模拟的模拟的模拟的模拟的模拟的模拟的模拟的模拟的模拟的模拟的模拟的模拟的

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