USV的MPC轨迹跟踪控制

这篇具有很好参考价值的文章主要介绍了USV的MPC轨迹跟踪控制。希望对大家有所帮助。如果存在错误或未考虑完全的地方,请大家不吝赐教,您也可以点击"举报违法"按钮提交疑问。

该博客用以记录MPC轨迹控制的理论和matlab程序

一. 运动学

1.1. 运动学建模

被控对象运动学模型,为无人艇USV模型:
x ˙ ( k ) = f ( x , u ) = { x ˙ = u cos ⁡ ( ψ ) − v sin ⁡ ( ψ ) y ˙ = u sin ⁡ ( ψ ) + v cos ⁡ ( ψ ) ψ ˙ = r \begin{equation} \dot{\bold{x}}(k)= f(\bold{x},\bold{u})=\left\{ \begin{aligned} &\dot{x}=u\cos(\psi)-v\sin(\psi) \\ &\dot{y}=u\sin(\psi)+v\cos(\psi) \\ &\dot{\psi}=r \end{aligned} \right. \end{equation} x˙(k)=f(x,u)= x˙=ucos(ψ)vsin(ψ)y˙=usin(ψ)+vcos(ψ)ψ˙=r
其中状态向量: x = [ x y ψ ] T \bold{x}=[x \quad y \quad \psi]^T x=[xyψ]T
控制量向量: u = [ u v r ] T \bold{u}=[u \quad v \quad r]^T u=[uvr]T
离散化状态更新方程:
x ( k + 1 ) = x ( k ) + x ˙ ( k ) T = x ( k ) + f ( x ( k ) , u ( k ) ) T \bold{x(k+1)}=\bold{x(k)}+\dot{\bold{x}}(k)T= \bold{x(k)}+f(\bold{x(k),u(k)})T x(k+1)=x(k)+x˙(k)T=x(k)+f(x(k),u(k))T
其中 T T T为采样时间,将上式展开:
x ( k + 1 ) = [ x ( k ) y ( k ) ψ ( k ) ] + [ u ( k ) cos ⁡ ( ψ ( k ) ) − v ( k ) sin ⁡ ( ψ ( k ) ) u ( k ) sin ⁡ ( ψ ( k ) ) + v ( k ) cos ⁡ ( ψ ( k ) ) r ( k ) ] T = [ x ( k ) + u ( k ) cos ⁡ ( ψ ( k ) ) T − v ( k ) sin ⁡ ( ψ ( k ) ) T y ( k ) + u ( k ) sin ⁡ ( ψ ( k ) ) T + v ( k ) cos ⁡ ( ψ ( k ) ) T ψ ( k ) + r ( k ) T ] = f ( x ( k ) , u ( k ) ) \begin{aligned} \bold{x(k+1)}&= \left[ \begin{array}{ll} x(k) \\ y(k) \\ \psi(k) \end{array} \right]+ \left[ \begin{array}{ccc} u(k)\cos(\psi(k))-v(k)\sin(\psi(k)) \\ u(k)\sin(\psi(k))+v(k)\cos(\psi(k)) \\ r(k) \end{array} \right]T \\ &=\left[ \begin{array}{ccc} x(k)+u(k)\cos(\psi(k))T-v(k)\sin(\psi(k))T \\ y(k)+u(k)\sin(\psi(k))T+v(k)\cos(\psi(k))T \\ \psi(k)+r(k)T \end{array} \right] \\ &= f(\bold{x(k),u(k)}) \end{aligned} x(k+1)= x(k)y(k)ψ(k) + u(k)cos(ψ(k))v(k)sin(ψ(k))u(k)sin(ψ(k))+v(k)cos(ψ(k))r(k) T= x(k)+u(k)cos(ψ(k))Tv(k)sin(ψ(k))Ty(k)+u(k)sin(ψ(k))T+v(k)cos(ψ(k))Tψ(k)+r(k)T =f(x(k),u(k))
上式为该系统的状态更新式,其为一非线性系统。

1.2. 非线性系统线性化

在原点 x ( 0 ) , u ( 0 ) \bold{x(0),u(0)} x(0),u(0)处对上式进行泰勒展开,保留一阶项:
x ( k + j ) = f ( x ( k ) , u ( k ) ) + ∂ f ( x ( k ) , u ( k ) ) ∂ x ( x ( k + j − 1 ) − x ( k ) ) + ∂ f ( x ( k ) , u ( k ) ) ∂ u ( u ( k + j − 1 ) − u ( k ) ) = f ( x ( k ) , u ( k ) ) + A ⋅ ( x ( k + j − 1 ) ) − x ( k ) ) + B ⋅ ( u ( k + j − 1 ) − u ( k ) ) \begin{aligned} \bold{x(k+j)}=&f(\bold{x(k),u(k)})+\frac{\partial f(\bold{x(k),u(k)})}{\partial{\bold{x}}}(\bold{x(k+j-1)-x(k)}) \\ &+\frac{\partial f(\bold{x(k),u(k)})}{\partial{\bold{u}}}(\bold{u(k+j-1)-u(k)}) \\ =&f(\bold{x(k),u(k)})+A\cdot(\bold{x(k+j-1)})-\bold{x(k)})+B\cdot(\bold{u(k+j-1)-u(k)}) \end{aligned} x(k+j)==f(x(k),u(k))+xf(x(k),u(k))(x(k+j1)x(k))+uf(x(k),u(k))(u(k+j1)u(k))f(x(k),u(k))+A(x(k+j1))x(k))+B(u(k+j1)u(k))
其中
A = ∂ f ( x ( k ) , u ( k ) ) ∂ x = [ 1 0 [ − u ( k ) sin ⁡ ( ψ ( k ) ) − v ( k ) cos ⁡ ( ψ ( k ) ) ] T 0 1 [ u ( k ) cos ⁡ ( ψ ( k ) ) − v ( k ) sin ⁡ ( ψ ( k ) ) ] T 0 0 1 ] \begin{aligned} A = \frac{\partial f(\bold{x(k),u(k)})}{\partial{\bold{x}}}= \left[ \begin{array}{ccc} 1 & 0 & [-u(k)\sin(\psi(k))-v(k)\cos(\psi(k))]T\\ 0 & 1 & [u(k)\cos(\psi(k))-v(k)\sin(\psi(k))]T\\ 0 & 0 & 1 \\ \end{array} \right] \end{aligned} A=xf(x(k),u(k))= 100010[u(k)sin(ψ(k))v(k)cos(ψ(k))]T[u(k)cos(ψ(k))v(k)sin(ψ(k))]T1
B = ∂ f ( x ( k ) , u ( k ) ) ∂ u = [ cos ⁡ ( ψ ( k ) ) − sin ⁡ ( ψ ( k ) ) 0 sin ⁡ ( ψ ( k ) ) cos ⁡ ( ψ ( k ) ) 0 0 0 1 ] T \begin{aligned} B = \frac{\partial f(\bold{x(k),u(k)})}{\partial{\bold{u}}}= \left[ \begin{array}{ccc} \cos(\psi(k)) & -\sin(\psi(k)) & 0\\ \sin(\psi(k)) & \cos(\psi(k)) & 0\\ 0 & 0 & 1 \\ \end{array} \right]T \end{aligned} B=uf(x(k),u(k))= cos(ψ(k))sin(ψ(k))0sin(ψ(k))cos(ψ(k))0001 T
A,B矩阵在每个更新步中都需要重新构建,因为 x ( k ) , u ( k ) \bold{x(k),u(k)} x(k),u(k)每个更新步都会更新。
ps:这里简单复习一下向量对向量求偏导: ∂ f ( x ( k ) , u ( k ) ) ∂ u \frac{\partial f(\bold{x(k),u(k)})}{\partial{\bold{u}}} uf(x(k),u(k)),其中 f = [ f 1 f 2 f 3 ] T , u = [ u 1 u 2 u 3 ] T \bold{f}=[f_1 \quad f_2 \quad f_3]^T,\bold{u}=[u_1 \quad u_2 \quad u_3]^T f=[f1f2f3]T,u=[u1u2u3]T
∂ f ∂ u = [ ∂ f 1 ∂ u 1 ∂ f 1 ∂ u 2 ∂ f 1 ∂ u 3 ∂ f 2 ∂ u 1 ∂ f 2 ∂ u 2 ∂ f 2 ∂ u 3 ∂ f 3 ∂ u 1 ∂ f 3 ∂ u 2 ∂ f 3 ∂ u 3 ] \begin{aligned} \frac{\partial \bold{f}}{\partial{\bold{u}}}= \left[ \begin{array}{ccc} \frac{\partial {f_1}}{\partial{{u_1}}} & \frac{\partial {f_1}}{\partial{{u_2}}} & \frac{\partial {f_1}}{\partial{{u_3}}}\\ \\ \frac{\partial {f_2}}{\partial{{u_1}}} & \frac{\partial {f_2}}{\partial{{u_2}}} & \frac{\partial {f_2}}{\partial{{u_3}}}\\ \\ \frac{\partial {f_3}}{\partial{{u_1}}} & \frac{\partial {f_3}}{\partial{{u_2}}} & \frac{\partial {f_3}}{\partial{{u_3}}} \\ \end{array} \right] \end{aligned} uf= u1f1u1f2u1f3u2f1u2f2u2f3u3f1u3f2u3f3
另外这里我们关心的控制量是 u \bold{u} u的增量 Δ u \bold{\Delta u} Δu,其中 Δ u ( k ) = u ( k + 1 ) − u ( k ) \bold{\Delta u(k)}=\bold{u(k+1)-u(k)} Δu(k)=u(k+1)u(k)

1.3 状态量 x ( k ) x(k) x(k)的堆栈形式推导

x ˉ = [ x ( k + 1 ) x ( k + 2 ) … x ( k + N ) ] T ∈ R 3 N \bold{\bar{x}}=[\bold{x(k+1)} \quad \bold{x(k+2)} \quad \dots \quad \bold{x(k+N)}]^T \in \mathbb{R}^{3N} xˉ=[x(k+1)x(k+2)x(k+N)]TR3N,表示模型对于接下来的N步状态的预测,关于该式的形式,可以将 x ( k + j ) \bold{x(k+j)} x(k+j)多写几条看看规律:
x ( k + 1 ) = f ( x ( 0 ) , u ( 0 ) ) + A ⋅ ( x ( k ) ) − x ( k ) ) + B ⋅ ( u ( k ) − u ( k ) ) = f ( x ( 0 ) , u ( 0 ) ) = x ( k + 1 ) \begin{aligned} \bold{x(k+1)}&=f(\bold{x(0),u(0)})+A\cdot(\bold{x(k)})-\bold{x(k)})+B\cdot(\bold{u(k)-u(k)}) \\ &=f(\bold{x(0),u(0)})=\bold{x(k+1)} \end{aligned} x(k+1)=f(x(0),u(0))+A(x(k))x(k))+B(u(k)u(k))=f(x(0),u(0))=x(k+1)
x ( k + 2 ) = f ( x ( 0 ) , u ( 0 ) ) + A ⋅ ( x ( k + 1 ) ) − x ( k ) ) + B ⋅ ( u ( k + 1 ) − u ( k ) ) = − A ⋅ x ( k ) + ( A + I ) ⋅ x ( k + 1 ) + B ⋅ Δ u ( k ) \begin{aligned} \bold{x(k+2)}&=f(\bold{x(0),u(0)})+A\cdot(\bold{x(k+1)})-\bold{x(k)})+B\cdot(\bold{u(k+1)-u(k)}) \\ &=-A\cdot \bold{x(k)}+(A+I)\cdot \bold{x(k+1)}+B\cdot \bold{\Delta{u(k)}} \end{aligned} x(k+2)=f(x(0),u(0))+A(x(k+1))x(k))+B(u(k+1)u(k))=Ax(k)+(A+I)x(k+1)+BΔu(k)
x ( k + 3 ) = f ( x ( 0 ) , u ( 0 ) ) + A ⋅ ( x ( k + 2 ) ) − x ( k ) ) + B ⋅ ( u ( k + 2 ) − u ( k ) ) = − ( A 2 + A ) ⋅ x ( k ) + ( A 2 + A + I ) ⋅ x ( k + 1 ) + ( A B + B ) ⋅ Δ u ( k ) + B Δ u ( k + 1 ) \begin{aligned} \bold{x(k+3)}&=f(\bold{x(0),u(0)})+A\cdot(\bold{x(k+2)})-\bold{x(k)})+B\cdot(\bold{u(k+2)-u(k)}) \\ &=-(A^2+A)\cdot \bold{x(k)}+(A^2+A+I)\cdot \bold{x(k+1)} \\ &+(AB+B)\cdot \bold{\Delta{u(k)}}+B\bold{\Delta u(k+1)} \end{aligned} x(k+3)=f(x(0),u(0))+A(x(k+2))x(k))+B(u(k+2)u(k))=(A2+A)x(k)+(A2+A+I)x(k+1)+(AB+B)Δu(k)+BΔu(k+1)
x ( k + 4 ) = f ( x ( 0 ) , u ( 0 ) ) + A ⋅ ( x ( k + 3 ) ) − x ( k ) ) + B ⋅ ( u ( k + 3 ) − u ( k ) ) = − ( A 3 + A 2 + A ) ⋅ x ( k ) + ( A 3 + A 2 + A + I ) ⋅ x ( k + 1 ) + ( A 2 B + A B + B ) ⋅ Δ u ( k ) + ( A B + B ) Δ u ( k + 1 ) + B Δ u ( k + 2 ) \begin{aligned} \bold{x(k+4)}&=f(\bold{x(0),u(0)})+A\cdot(\bold{x(k+3)})-\bold{x(k)})+B\cdot(\bold{u(k+3)-u(k)}) \\ &=-(A^3+A^2+A)\cdot \bold{x(k)}+(A^3+A^2+A+I)\cdot \bold{x(k+1)} \\ &+(A^2B+AB+B)\cdot \bold{\Delta{u(k)}}+(AB+B)\bold{\Delta u(k+1)}+B\bold{\Delta u(k+2)} \end{aligned} x(k+4)=f(x(0),u(0))+A(x(k+3))x(k))+B(u(k+3)u(k))=(A3+A2+A)x(k)+(A3+A2+A+I)x(k+1)+(A2B+AB+B)Δu(k)+(AB+B)Δu(k+1)+BΔu(k+2)
. . . ... ...
x ( k + N ) = f ( x ( 0 ) , u ( 0 ) ) + A ⋅ ( x ( k + N − 1 ) ) − x ( k ) ) + B ⋅ ( u ( k + N − 1 ) − u ( k ) ) = − ∑ j = 1 N − 1 ( A j ) ⋅ x ( k ) + ∑ j = 0 N − 1 ( A j ) ⋅ x ( k + 1 ) + ∑ j = 0 N − 2 ( A j ) B ⋅ Δ u ( k ) + ∑ j = 0 N − 3 ( A j ) B Δ u ( k + 1 ) + ⋯ + ∑ j = 0 N − N u + 1 ( A j ) B Δ u ( k + N u − 1 ) \begin{aligned} \bold{x(k+N)}&=f(\bold{x(0),u(0)})+A\cdot(\bold{x(k+N-1)})-\bold{x(k)})+B\cdot(\bold{u(k+N-1)-u(k)}) \\ &=-\sum\limits_{j=1}^{N-1}(A^j) \cdot \bold{x(k)}+\sum\limits_{j=0}^{N-1}(A^j) \cdot \bold{x(k+1)} \\ &+\sum\limits_{j=0}^{N-2}(A^j)B \cdot \bold{\Delta{u(k)}}+\sum\limits_{j=0}^{N-3}(A^j)B\bold{\Delta u(k+1)}+\dots+\sum\limits_{j=0}^{N-N_u+1}(A^j)B \bold{\Delta u(k+N_u-1)} \end{aligned} x(k+N)=f(x(0),u(0))+A(x(k+N1))x(k))+B(u(k+N1)u(k))=j=1N1(Aj)x(k)+j=0N1(Aj)x(k+1)+j=0N2(Aj)BΔu(k)+j=0N3(Aj)BΔu(k+1)++j=0NNu+1(Aj)BΔu(k+Nu1)
其中 N u N_u Nu为控制时域,满足条件 1 ≤ N u ≤ N 1\leq N_u \leq N 1NuN
以下给出 x ˉ \bold{\bar{x}} xˉ的形式:
x ˉ = M 1 ⋅ x ( k ) + M 2 ⋅ x ( k + 1 ) + M 3 ⋅ Δ u ˉ \bold{\bar{x}}=M_1\cdot \bold{x(k)}+M_2\cdot \bold{x(k+1)}+M_3\cdot \bold\Delta{\bar{u}} xˉ=M1x(k)+M2x(k+1)+M3Δuˉ

其中:
M 1 = − [ O A A + A 2 … A + A 2 + … A N − 1 ] ∈ R 3 N × 3 M_1=- \left[ \begin{array}{cccc} O \\ A \\ A+A^2 \\ \dots \\ A+A^2+\dots A^{N-1} \end{array} \right]\in \mathbb{R}^{3N\times3} M1= OAA+A2A+A2+AN1 R3N×3,
M 2 = [ I I + A I + A + A 2 … I + A + A 2 + … A N − 1 ] = 1 ⊗ I − M 1 M_2= \left[ \begin{array}{cccc} I \\ I+A \\ I+A+A^2 \\ \dots \\ I+A+A^2+\dots A^{N-1} \end{array} \right]=\bold{1}\otimes I-M_1 M2= II+AI+A+A2I+A+A2+AN1 =1IM1
M 3 = [ O O … O B O … O A B + B B … O … … … … ∑ j = 0 N − 2 ( A j ) B ∑ j = 0 N − 3 ( A j ) B … ∑ j = 0 N − N u + 1 ( A j ) B ] ∈ R 3 N × 3 N u M_3= \left[ \begin{array}{cccc} O &O &\dots & O \\ B &O &\dots &O\\ AB+B & B &\dots &O \\ \dots &\dots &\dots & \dots \\ \sum\limits_{j=0}^{N-2}(A^j)B &\sum\limits_{j=0}^{N-3}(A^j)B &\dots &\sum\limits_{j=0}^{N-N_u+1}(A^j)B \end{array} \right]\in \mathbb{R}^{3N\times3N_u} M3= OBAB+Bj=0N2(Aj)BOOBj=0N3(Aj)BOOOj=0NNu+1(Aj)B R3N×3Nu
Δ u ˉ = [ Δ u ( k ) Δ u ( k + 1 ) … Δ u ( k + N u − 1 ) ] T ∈ R 3 N u \bold{\Delta \bar{u}}=[\bold{\Delta{{u}(k)}} \quad \bold{\Delta{{u}(k+1)}} \quad \dots \bold{\Delta{{u}(k+N_u-1)}}]^T \in \mathbb{R}^{3N_u} Δuˉ=[Δu(k)Δu(k+1)Δu(k+Nu1)]TR3Nu
到此为止,状态量的堆栈形式由 x ˉ = M 1 ⋅ x ( k ) + M 2 ⋅ x ( k + 1 ) + M 3 ⋅ Δ u ˉ \bold{\bar{x}}=M_1\cdot \bold{x(k)}+M_2\cdot \bold{x(k+1)}+M_3\cdot \bold\Delta{\bar{u}} xˉ=M1x(k)+M2x(k+1)+M3Δuˉ 给出

二. 代价函数和优化目标构建

我们引入二次型代价函数: J = 1 2 x T H x + f T x J =\frac{1}{2}x^THx+f^Tx J=21xTHx+fTx,该问题可以由matlab的内置QP优化函数quadprog求解。

2.1 目标函数构建

定义状态量误差,其中期望状态量也即期望轨迹 x ˉ ∗ ∈ R 3 N u \bold{\bar{x}}^* \in \mathbb{R}^{3N_u} xˉR3Nu应该是一个已知量,程序中可以自定义,例如定义一个虚拟参考USV,给定速度 u ∗ \bold{u}^* u,则其接下来的期望轨迹是已知的。则状态量误差定义为:
x ˉ ~ = x ˉ − x ˉ ∗ \tilde{\bold{\bar{x}}}=\bold{\bar{x}}-\bold{\bar{x}}^* xˉ~=xˉxˉ
那么定义如下二次型代价函数:
J = x ˉ ~ T Q ˉ x ˉ ~ + Δ u ˉ T R ˉ Δ u ˉ J=\tilde{\bold{\bar{x}}}^T\bar{Q}\tilde{\bold{\bar{x}}}+\bold\Delta{\bar{u}}^T \bar{R}\bold\Delta{\bar{u}} J=xˉ~TQˉxˉ~+ΔuˉTRˉΔuˉ
其中 Q = d i a g ( [ q 1 q 2 q 3 ] ) Q=diag([q_1 \quad q_2 \quad q_3]) Q=diag([q1q2q3]), R = d i a g ( [ r 1 r 2 r 3 ] ) R=diag([r_1 \quad r_2 \quad r_3]) R=diag([r1r2r3])分别为状态量和控制量增量的权重矩阵, Q ˉ = I N ⊗ Q ∈ R 3 N × 3 N \bar{Q}=I_N \otimes Q \in \mathbb{R}^{3N\times3N} Qˉ=INQR3N×3N, R ˉ = I N u ⊗ R ∈ R 3 N u × 3 N u \bar{R}=I_{N_u} \otimes R \in \mathbb{R}^{3N_u \times 3N_u} Rˉ=INuRR3Nu×3Nu为适配以上矩阵乘法的Q,R的增广矩阵(PS:如果对于终态状态有不同的权重需求,可以将 Q ˉ , R ˉ \bar{Q},\bar{R} Qˉ,Rˉ的最后一个对角块替换为所需的权重矩阵)。
则将以上 x ˉ = M 1 ⋅ x ( k ) + M 2 ⋅ x ( k + 1 ) + M 3 ⋅ Δ u ˉ \bold{\bar{x}}=M_1\cdot \bold{x(k)}+M_2\cdot \bold{x(k+1)}+M_3\cdot \bold\Delta{\bar{u}} xˉ=M1x(k)+M2x(k+1)+M3Δuˉ代入 J J J中,得到以下仅关于待优化量 Δ u ˉ \bold\Delta{\bar{u}} Δuˉ的形式
J = D T Q ˉ D + Δ u ˉ T ( M 3 T Q ˉ M 3 + R ˉ ) Δ u ˉ + ( 2 D T Q ˉ M 3 ) Δ u ˉ J=D^T\bar QD+ \bold{\Delta\bar{u}}^T(M_3^T \bar Q M_3+\bar R)\bold{\Delta\bar{u}}+(2D^T\bar Q M_3)\bold{\Delta \bar{u}} J=DTQˉD+ΔuˉT(M3TQˉM3+Rˉ)Δuˉ+(2DTQˉM3)Δuˉ
其中: D = M 1 ⋅ x ( k ) + M 2 ⋅ x ( k + 1 ) − x ˉ ∗ D=M_1\cdot \bold{x(k)}+M_2 \cdot \bold{x(k+1)}-\bold{\bar x}^* D=M1x(k)+M2x(k+1)xˉ,以上的项 D T Q ˉ D D^T\bar QD DTQˉD是一个常数值,和优化无关,因此该问题优化为:
J = 1 2 Δ u ˉ T ⋅ 2 ( M 3 T Q ˉ M 3 + R ˉ ) ⋅ Δ u ˉ + ( 2 D T Q ˉ M 3 ) Δ u ˉ J=\frac{1}{2} \bold{\Delta \bar{u}}^T\cdot2(M_3^T \bar Q M_3+\bar R)\cdot\bold{\Delta\bar{u}}+(2D^T\bar Q M_3)\bold{\Delta \bar{u}} J=21ΔuˉT2(M3TQˉM3+Rˉ)Δuˉ+(2DTQˉM3)Δuˉ
因此,对应形式 J = 1 2 x T H x + f T x J =\frac{1}{2}x^THx+f^Tx J=21xTHx+fTx,可得 H = 2 ( M 3 T Q ˉ M 3 + R ˉ ) H=2(M_3^T \bar Q M_3+\bar R) H=2(M3TQˉM3+Rˉ) f T = 2 D T Q ˉ M 3 f^T=2D^T\bar Q M_3 fT=2DTQˉM3

2.2 约束条件构建

约束条件:为了简化问题,这里对于状态 x \bold{x} x没有特殊要求,如果是有避障等特殊需求的任务,则应加上相应的约束。有约束的是控制量 u \bold{u} u(即速度上下限)和控制量增量 Δ u \bold{\Delta{u}} Δu(可以看作加速度,当然实际的无人艇的加速度到速度是有比较复杂的动力学约束的).

u \bold{u} u的上下界为下界 l b ∈ R 3 l_b\in \mathbb{R}^{3} lbR3,上界 u b ∈ R 3 u_b\in \mathbb{R}^{3} ubR3 Δ u \bold{\Delta{u}} Δu的下界 Δ l b ∈ R 3 \Delta l_b\in \mathbb{R}^{3} ΔlbR3,上界 Δ u b ∈ R 3 \Delta u_b\in \mathbb{R}^{3} ΔubR3,则有: l b ≤ u ≤ u b l_b \leq \bold{u} \leq u_b lbuub Δ l b ≤ Δ u ≤ Δ u b \Delta l_b \leq \bold{\Delta{u}} \leq \Delta u_b ΔlbΔuΔub

该约束的含义是:速度量是有上下限的,而且速度变化不能太大(太大会产生跳变,不符合实际的USV运动规律)

以下推导, Δ u \bold{\Delta{u}} Δu u \bold{{u}} u的关系:
[ u ( k + 1 ) u ( k + 2 ) … u ( k + N u ) ] = [ I 3 I 3 … I 3 ] ⋅ u ( k ) + [ I 3 O … O I 3 I 3 … O … … … … I 3 I 3 … I 3 ] ⋅ [ Δ u ( k ) Δ u ( k + 1 ) … Δ u ( k + N u − 1 ) ] \left[ \begin{array}{c} \bold{u(k+1)} \\ \bold{u(k+2)} \\ \dots \\ \bold{u(k+N_u)} \end{array} \right]=\left[ \begin{array}{ll} I_3 \\ I_3 \\ \dots \\ I_3 \end{array} \right] \cdot \bold{u(k)} + \left[ \begin{array}{ll} I_3 & O & \dots & O \\ I_3 & I_3 & \dots & O \\ \dots & \dots & \dots & \dots \\ I_3 & I_3 & \dots & I_3 \\ \end{array} \right] \cdot \left[ \begin{array}{c} \bold{\Delta u(k)} \\ \bold{\Delta u(k+1)} \\ \dots \\ \bold{\Delta u(k+N_u-1)} \end{array} \right] u(k+1)u(k+2)u(k+Nu) = I3I3I3 u(k)+ I3I3I3OI3I3OOI3 Δu(k)Δu(k+1)Δu(k+Nu1)
写成紧凑形式: u ˉ = 1 N u ⊗ I 3 ⋅ u ( k ) + t r i l ( 1 N u ) ⊗ I 3 ⋅ Δ u ˉ ( k ) \bold{\bar{u}}=\bold{1}_{N_u} \otimes I_3 \cdot \bold{u(k)}+ tril(\bold{1}_{N_u})\otimes I_3 \cdot \bold{\Delta \bar u(k)} uˉ=1NuI3u(k)+tril(1Nu)I3Δuˉ(k) t r i l ( 1 N u ) tril(\bold{1}_{N_u}) tril(1Nu)表示 R 3 N u × 3 N u \mathbb{R}^{3N_u\times 3N_u} R3Nu×3Nu的下三角和对角线元素全为1的方阵。

a = 1 N u ⊗ I 3 ⋅ u ( k ) \bold{a}=\bold{1}_{N_u} \otimes I_3 \cdot \bold{u(k)} a=1NuI3u(k) I ~ = t r i l ( 1 N u ) ⊗ I 3 \tilde I=tril(\bold{1}_{N_u})\otimes I_3 I~=tril(1Nu)I3,则可以得到以下不等式(这个不等式在程序里面要用):
1 N u ⊗ l b ≤ I ~ ⋅ Δ u ˉ ( k ) + a ≤ 1 N u ⊗ u b \bold{1}_{N_u} \otimes l_b \leq \tilde I\cdot \bold{\Delta \bar u(k)}+\bold{a} \leq \bold{1}_{N_u} \otimes u_b 1NulbI~Δuˉ(k)+a1Nuub
[ I ~ − I ~ ] ⋅ Δ u ˉ ( k ) ≤ [ 1 N u ⊗ u b − a − 1 N u ⊗ l b + a ] \left[ \begin{array}{cc} \tilde I \\ -\tilde I \end{array} \right] \cdot \bold{\Delta \bar u(k)} \leq \left[ \begin{array}{ll} \bold{1}_{N_u} \otimes u_b-\bold{a} \\ -\bold{1}_{N_u} \otimes l_b+\bold{a} \end{array} \right] [I~I~]Δuˉ(k)[1Nuuba1Nulb+a]

2.3 汇总:优化问题定义

m i n 1 2 Δ u ˉ T ⋅ 2 ( M 3 T Q ˉ M 3 + R ˉ ) ⋅ Δ u ˉ + ( 2 D T Q ˉ M 3 ) Δ u ˉ s . t . [ I ~ − I ~ ] ⋅ Δ u ˉ ( k ) ≤ [ 1 N u ⊗ u b − a − 1 N u ⊗ l b + a ] Δ l b ≤ Δ u ˉ ≤ Δ u b \begin{aligned} min &\quad \frac{1}{2} \bold{\Delta \bar u}^T\cdot2(M_3^T \bar Q M_3+\bar R)\cdot\bold{\Delta \bar{u}}+(2D^T\bar Q M_3)\bold{\Delta \bar{u}} \\ s.t. &\qquad \left[ \begin{array}{cc} \tilde I \\ -\tilde I \end{array} \right] \cdot \bold{\Delta \bar u(k)} \leq \left[ \begin{array}{ll} \bold{1}_{N_u} \otimes u_b-\bold{a} \\ -\bold{1}_{N_u} \otimes l_b+\bold{a} \end{array} \right] \\ &\qquad \qquad \quad \Delta l_b \leq \bold{\Delta \bar{u}} \leq \Delta u_b \end{aligned} mins.t.21ΔuˉT2(M3TQˉM3+Rˉ)Δuˉ+(2DTQˉM3)Δuˉ[I~I~]Δuˉ(k)[1Nuuba1Nulb+a]ΔlbΔuˉΔub
如前面提到过的:这个优化问题可以通过matlab函数quadprog求解,具体用法用matlab命令doc quadprog查看

PS:该博客我不停强调矩阵和向量的维度,因为这个东西确实一复杂就容易搞混淆,为了便于自己理解,我尽量把这个标的很清楚

三. matlab程序和仿真结果

函数:构建大矩阵 M 1 , M 2 , M 3 M_1,M_2,M_3 M1,M2,M3

function M1 = getM1_New(A, N)
	%GETM1 此处显示有关此函数的摘要
	%   构建 M1矩阵
	M1 = [];
	for i = 1:N
	    ele = zeros(3);
	    for j = 1:i-1
	        ele = ele - A^j;
	    end
	    M1 = [M1; ele];
	end
end

function M2 = getM2_New(A, N)
	%GETM1 此处显示有关此函数的摘要
	%   构建 M2矩阵
	
	M1 = getM1_New(A, N);
	M2 = kron(ones(N, 1), eye(3)) - M1;
end

function M3 = getM3(A, B, N)
	%GETM1 此处显示有关此函数的摘要
	%   构建 M3矩阵
	M3 = [];
	M2 = getM2(A, B, N);
	% M2 = M2(1:3*(N-1), :);
	for i = 1:N
	    ele_top = zeros(3, 3);
	    ele_mid = zeros(3*(i-1), 3);
	    ele_bot = M2(1:3*(N-i), :);
	    ele = [ele_top; ele_mid; ele_bot];
	    M3 = [M3 ele];
	end
end

主程序:该主程序差一些自己编的工具函数,直接复制不能运行。博客最下方提供的云盘里的程序mpc_test03_by_ycx.m可以运行。

%% 带有 Δu限制的 mpc
% author by: Alexdar Y
% 该程序需要同文件中的函数
% getM1_New.m getM2_New.m getM3.m toRadian.m

clear;
clc;

% 预测区间
N = 5;
Nu = 2;
T = 0.1;

% 限制条件
% Δu的上下限
% lb = [-0.5; -0.5; -1];
% ub = [0.5; 0.5; 1];
lb = [-0.5; -0.5; -toRadian(20)];
ub = [0.5; 0.5; toRadian(20)];
% u的上下限
lb_u = [-1; -1; -toRadian(60)];
ub_u = [1; 1; toRadian(60)];

I_Nu = ones(Nu, 1);
lb_stacked = kron(I_Nu, lb);
ub_stacked = kron(I_Nu, ub);

lb_u_stacked = kron(I_Nu, lb_u);
ub_u_stacked = kron(I_Nu, ub_u);

I_tilde = kron(tril(ones(Nu)), eye(3));

% 初始状态设置

x_ref_init = [10; 8; toRadian(90)];
x1_init = [6; 6; toRadian(70)];
u_ref = [.2; 0; toRadian(5)];
% u_ref = [.4; 0; 0];
u1_init = [0.5; 0; 0];

% Δu(0) ~ Δu(Nu-1)
u_delta_stacked = zeros(3*Nu, 1);
% 
u_stacked = kron(ones(Nu, 1), u1_init) + I_tilde*u_delta_stacked;

% 以下矩阵需要每个循环重新构建
z1 = x1_init;
u1 = u1_init;

% 这里之前写错了,所以有一个转置
A = [0 0  0;
     0 0 0;
     -u1(1)*sin(z1(3))-u1(2)*cos(z1(3)) u1(1)*cos(z1(3))-u1(2)*sin(z1(3)) 0]';
B = [ cos(z1(3)) sin(z1(3)) 0;
     -sin(z1(3)) cos(z1(3)) 0;
         0           0      1]';

A_new = eye(3)+A*T;
B_new = B*T;

% 更新状态 - 用真实非线性模型更新
x_update = @(x_cur, u_cur)( ...
             x_cur + [u_cur(1)*cos(x_cur(3))-u_cur(2)*sin(x_cur(3));
                      u_cur(1)*sin(x_cur(3))+u_cur(2)*cos(x_cur(3));
                      u_cur(3)            ] * T);

% 生成参考轨迹
iter_num = 100;
x_ref_whole = [];

x_ref = x_ref_init;
for i = 0:T:iter_num
    if (i > iter_num/3) && (i < iter_num*2/3)
        u_ref = [.4, 0, -toRadian(20)];
    elseif i >= iter_num*2/3
        u_ref = [.5, 0, 0];
    end
    x_ref_whole = [x_ref_whole; x_ref];
    x_ref = x_update(x_ref, u_ref);
end

% 代价函数权重 Q R
Q = diag([20 20 1]);
F = diag([40 40 2]);

R = diag([1 1 .2]);

Q_ext = kron(eye(N), Q);
Q_ext((length(Q_ext(:, 1))-3+1):(length(Q_ext(:, 1))),...
      (length(Q_ext(:, 1))-3+1):(length(Q_ext(:, 1)))) = F;
R_ext = kron(eye(Nu), R);

% MPC更新
% z(k)
z1 = x1_init;
u1 = u1_init;
% z(k+1)
z_11 = x_update(z1, u1);

z1_restore = [];
u1_restore = [];
J_restore = [];

idx = 0;
% 关键在于 多元函数的一阶泰勒展开 线性化
tic;
for i = 0:T:(iter_num-1)
    
    if idx >= iter_num / T-20
        break;
    end
    disp(idx);
    z1_restore = [z1_restore; z1];
    u1_restore = [u1_restore; u1];
    
    % x_ref = x_ref_whole(3*idx+1:3*(idx+1));
    x_ref = x_ref_whole(3*idx+1:3*idx+3*N);
    % x_ref_stacked = kron(ones(N, 1), x_ref);

    % 构建新的 线性系统矩阵
    A = [0 0  0;
         0 0 0;
         -u1(1)*sin(z1(3))-u1(2)*cos(z1(3)) u1(1)*cos(z1(3))-u1(2)*sin(z1(3)) 0]';
    B = [ cos(z1(3)) sin(z1(3)) 0;
         -sin(z1(3)) cos(z1(3)) 0;
             0           0      1]';
    A_new = eye(3)+A*T;
    B_new = B*T;

    % 构建 栈形式 的整体矩阵
    M1 = getM1_New(A_new, N);
    M2 = getM2_New(A_new, N);
    M3 = getM3(A_new, B_new, N);
    M3 = M3(:, 1:3*Nu);
    
    D = M1 * z1 + M2 * z_11 - x_ref;
    H = (M3' * Q_ext * M3 + R_ext);
    % H = (M3' * Q_ext * M3);
    f = 2 * D' * Q_ext * M3;
    % f = f';
    % quadprog A_less*u < b_less
    a = kron(ones(Nu, 1), u1);
    A_less = [ I_tilde; 
              -I_tilde];
    b_less = [ ub_u_stacked-a; 
              -lb_u_stacked+a];
    % 代价函数值
    J = (D+M3*u_delta_stacked)' * Q_ext * (D+M3*u_delta_stacked) + ...
         u_delta_stacked' * R_ext * u_delta_stacked;
    J_restore = [J_restore; J];
    [u_delta_Nu, fval, exitflag] = quadprog(H, f', A_less, b_less, [], [], lb_stacked, ub_stacked, ...
                                            u_delta_stacked);
    z1_predict_stack = M1 * z1 + M2 * u1 + M3*u_delta_Nu;
    z1_error_stack = z1_predict_stack - x_ref;
    z_err_valued = norm(z1_error_stack);

    u_stacked = kron(ones(Nu, 1), u1) + I_tilde * u_delta_stacked;

    % J_restore = [J_restore; fval];
    u_delta = u_delta_Nu(1:3);
    % u_delta = u_delta_Nu(4:6);
    u1 = u1 + u_delta;
    % z1 = x_update(z1, u1);
    z1 = z_11;
    z_11 = x_update(z1, u1);
    u_delta_stacked = [u_delta_Nu(4:3*Nu); u_delta_Nu(3*Nu-2:(3*Nu))];

    idx = idx + 1;
    
end
toc;

%% 
cla;
z1_x = z1_restore(1:3:length(z1_restore));
z1_y = z1_restore(2:3:length(z1_restore));

x_ref_x = x_ref_whole(1:3:length(x_ref_whole));
y_ref_x = x_ref_whole(2:3:length(x_ref_whole));
% 轨迹图
figure(1);
hold on
plot(x_ref_x, y_ref_x, Color='g', LineStyle='--', LineWidth=2);
plot(z1_x, z1_y, Color='r', LineStyle='-', LineWidth=2);
axis equal;
hold off
% 速度曲线
figure(2);
u1_u = u1_restore(1:3:length(u1_restore));
u1_v = u1_restore(2:3:length(u1_restore));
u1_r = u1_restore(3:3:length(u1_restore));
hold on
plot(u1_u, Color='r');
plot(u1_v, Color='g');
plot(u1_r, Color='b');
hold off
% 目标函数值
figure(3)
plot(J_restore, Color='r');

下图为轨迹跟踪结果,绿色的是参考轨迹(自定义的),红色的是实际轨迹
路径点跟踪mpc,matlab,线性代数,矩阵

四. 总结

  1. 这里处理非线性系统的方式是线性化,用到一阶泰勒展开;
  2. 如果需要处理本质非线性系统需要用到matlab函数fmincon,应该说非线性系统的优化还是比较复杂的,与初值,优化算法等诸多因素有关,有时还不一定能找到最优解;
  3. 这里的USV仅仅涉及到一阶运动学方程,如果被控模型是二阶动力学模型,则这里得到的一阶控制量 u \bold{u} u可以作为二阶系统的期望值,而二阶系统也可以按照以上方法设计MPC控制;
  4. MPC的前提是系统动态模型已知,若模型中存在未知量(这种情况再正常不过了,例如水动力系数),MPC的运用就会受限。

百度云盘:
链接:https://pan.baidu.com/s/1GnDThG6x1jvzK9H2bhyDPQ
提取码:aiif文章来源地址https://www.toymoban.com/news/detail-803933.html

到了这里,关于USV的MPC轨迹跟踪控制的文章就介绍完了。如果您还想了解更多内容,请在右上角搜索TOY模板网以前的文章或继续浏览下面的相关文章,希望大家以后多多支持TOY模板网!

本文来自互联网用户投稿,该文观点仅代表作者本人,不代表本站立场。本站仅提供信息存储空间服务,不拥有所有权,不承担相关法律责任。如若转载,请注明出处: 如若内容造成侵权/违法违规/事实不符,请点击违法举报进行投诉反馈,一经查实,立即删除!

领支付宝红包 赞助服务器费用

相关文章

  • 路径跟踪算法之模型预测控制(MPC)跟踪

    模型预测控制(以下简称 MPC)是一种依赖于系统模型进行数学优化的复杂控制器。它利用优化算法计算有限时间范围内一系列的控制输入序列,并优化该序列,但控制器仅执行序列中的第一组控制输入,然后再次重复该循环。MPC 主要分为 3 个关键步骤:模型预测、滚动优化

    2024年01月23日
    浏览(50)
  • 六、基于MPC的车辆控制及轨迹规划

    MPC的基本思想为:在每一个采样时刻,根据获得的当前测量信息,在线求解一个有限时间开环优化问题,并将得到的控制序列的第一个元素作用于被控对象。在下一个采样时刻,重复上述过程,用新的测量值作为此时预测系统未来动态的初始条件,刷新优化问题并重新求解

    2024年02月17日
    浏览(40)
  • 【运动规划算法项目实战】如何使用MPC算法进行路径跟踪(附ROS C++代码)

    自动驾驶和机器人领域中,路径跟踪是一项关键技术,它使车辆或机器人能够沿着预定轨迹行驶或移动。传统的控制方法往往难以应对复杂的动态环境和非线性特性,而模型预测控制(Model Pr

    2024年02月12日
    浏览(38)
  • MATLAB 模型预测控制(MPC)控制入门 —— 设计并仿真 MPC 控制器

    MATLAB 模型预测控制(MPC) 模型预测控制工具箱™ 提供了用于开发模型预测控制 (MPC) 的函数、应用程序、Simulink® 模块和参考示例。对于线性问题,该工具箱支持设计隐式、显式、自适应和增益调度 MPC。对于非线性问题,您可以实现单级和多级非线性 MPC。该工具箱提供可部

    2024年02月02日
    浏览(50)
  • 模型预测控制(MPC)简介及matlab实现

    全称 :Model-based Predictive Control(MPC)—模型预测控制 本质 :MPC利用一个已有的模型、系统当前的状态和未来的控制量,来预测系统未来的输出,然后与我们期望的系统输出做比较,得到代价函数,通过优化的方法,优化出未来控制量,使得代价函数最小。优化出来的控制量即

    2023年04月08日
    浏览(40)
  • 一级倒立摆控制 —— MPC 控制器设计及 MATLAB 实现

    最优控制介绍 一级倒立摆控制 —— 系统建模(传递函数模型与状态空间方程表示) 一级倒立摆控制 —— PID 控制器设计及 MATLAB 实现 一级倒立摆控制 —— 最优控制 线性二次型控制(LQR)及 MATLAB 实现 一级倒立摆控制 —— MPC 控制器设计及 MATLAB 实现 一级倒立摆控制 ——

    2024年02月03日
    浏览(44)
  • MPC模型预测控制数学推导以及MatLab实现

    研究动机:在一定的 约束条件 下达到 最优的 系统表现。 关于最优的,举个车变道的例子,从表面上来看,轨迹1行车轨迹很平滑,很舒适,没有什么急转弯;轨迹2是快速的,但是假如前面有了障碍物,也需要一种快速的紧急避障能力,所以关于最优的,还得分析特定的情况

    2023年04月08日
    浏览(37)
  • MATLAB - 利用非线性模型预测控制(Nonlinear MPC)来控制四旋翼飞行器

    本示例展示了如何利用非线性模型预测控制(MPC)为四旋翼飞行器设计一个跟踪轨迹的控制器。 四旋翼飞行器有四个向上的旋翼。从四旋翼飞行器的质量中心出发,旋翼呈等距离的正方形排列。四旋翼飞行器动力学数学模型采用欧拉-拉格朗日方程 [1]。 四旋翼飞行器的十二种

    2024年01月22日
    浏览(66)
  • 【模型预测控制MPC】使用离散、连续、线性或非线性模型对预测控制进行建模(Matlab代码实现)

     💥💥💞💞 欢迎来到本博客 ❤️❤️💥💥 🏆博主优势: 🌞🌞🌞 博客内容尽量做到思维缜密,逻辑清晰,为了方便读者。 ⛳️ 座右铭: 行百里者,半于九十。 📋📋📋 本文目录如下: 🎁🎁🎁 目录 💥1 概述 📚2 运行结果 🎉3 参考文献 🌈4 Matlab代码实现 本文的

    2024年02月14日
    浏览(45)
  • 为建筑物的供暖系统实施MPC控制器的小型项目(Matlab代码实现)

    💥💥💞💞 欢迎来到本博客 ❤️❤️💥💥 🏆博主优势: 🌞🌞🌞 博客内容尽量做到思维缜密,逻辑清晰,为了方便读者。 ⛳️ 座右铭: 行百里者,半于九十。 📋📋📋 本文目录如下: 🎁🎁🎁 目录 💥1 概述 📚2 运行结果 🎉3 参考文献 🌈4 Matlab代码实现 ​目前,

    2024年02月07日
    浏览(44)

觉得文章有用就打赏一下文章作者

支付宝扫一扫打赏

博客赞助

微信扫一扫打赏

请作者喝杯咖啡吧~博客赞助

支付宝扫一扫领取红包,优惠每天领

二维码1

领取红包

二维码2

领红包