【技術(shù)實(shí)現(xiàn)步驟摘要】
本專利技術(shù)屬于軌跡追蹤控制領(lǐng)域，具體涉及一種基于數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)和學(xué)習(xí)模型預(yù)測(cè)控制的突變軌跡追蹤控制方法。
技術(shù)介紹
1、無(wú)人系統(tǒng)是指能夠自主完成指定任務(wù)的無(wú)人設(shè)備，包括無(wú)人機(jī)、無(wú)人車和無(wú)人船等。隨著人工智能和先進(jìn)控制方法的不斷發(fā)展，無(wú)人系統(tǒng)的智能化水平顯著提高，其常被用于執(zhí)行各種復(fù)雜任務(wù)，如環(huán)境監(jiān)測(cè)、科學(xué)探測(cè)、醫(yī)療救援和農(nóng)業(yè)噴灑等。軌跡追蹤是指無(wú)人系統(tǒng)精準(zhǔn)追蹤預(yù)先設(shè)計(jì)的目標(biāo)軌跡的過(guò)程，是控制領(lǐng)域的基本問(wèn)題之一，在物流分揀、導(dǎo)航和海域巡邏等領(lǐng)域都有廣泛的應(yīng)用。
2、模型預(yù)測(cè)控制(model?predictive?control,mpc)的約束處理能力和滾動(dòng)優(yōu)化機(jī)制使其在解決無(wú)人系統(tǒng)的軌跡追蹤問(wèn)題時(shí)具有顯著優(yōu)勢(shì)。但是，傳統(tǒng)的軌跡追蹤方法要求目標(biāo)軌跡的變化速度在無(wú)人系統(tǒng)的可追蹤范圍內(nèi)，當(dāng)追蹤目標(biāo)的外部誤差激增或目標(biāo)軌跡突變時(shí)，無(wú)人系統(tǒng)會(huì)丟失目標(biāo)。因此，如何在確保規(guī)劃軌跡的可追蹤性的同時(shí)，盡量減小規(guī)劃軌跡與突變軌跡之間的偏差是實(shí)現(xiàn)突變軌跡追蹤控制的一大難題。
3、基于數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的策略，迭代學(xué)習(xí)模型預(yù)測(cè)控制(learning?model?predictivecontrol,lmpc)能夠使用來(lái)自之前任務(wù)迭代的追蹤誤差來(lái)提高當(dāng)前時(shí)刻控制器的追蹤性能，但控制器的計(jì)算復(fù)雜度也隨之增加，無(wú)法應(yīng)用到需要高頻控制的無(wú)人系統(tǒng)。傳統(tǒng)的規(guī)劃算法的計(jì)算復(fù)雜度低，能夠?qū)崟r(shí)輸出目標(biāo)軌跡，但算法的優(yōu)化能力差，降低了無(wú)人系統(tǒng)的追蹤能力。為此，利用長(zhǎng)短期記憶網(wǎng)絡(luò)(long?short-term?memory，lstm)學(xué)習(xí)最優(yōu)軌跡與傳統(tǒng)規(guī)劃算法輸出的輔
技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路
1、本專利技術(shù)所要解決的技術(shù)問(wèn)題是：
2、為了解決現(xiàn)有的無(wú)人系統(tǒng)軌跡追蹤控制算法無(wú)法追蹤突變軌跡的問(wèn)題，本專利技術(shù)提供一種基于數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)和學(xué)習(xí)模型預(yù)測(cè)控制的突變軌跡追蹤控制方法。
3、為了解決上述技術(shù)問(wèn)題，本專利技術(shù)采用的技術(shù)方案為：
4、一種基于數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)和學(xué)習(xí)模型預(yù)測(cè)控制的突變軌跡追蹤控制方法，其特征在于，步驟如下：
5、步驟1：建立無(wú)人船系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)模型；
6、步驟2：隨機(jī)采樣帶有突變點(diǎn)的目標(biāo)軌跡，根據(jù)無(wú)人船系統(tǒng)的速度上界和突變軌跡，設(shè)計(jì)學(xué)習(xí)模型預(yù)測(cè)控制算法，計(jì)算可被無(wú)人系統(tǒng)追蹤的最優(yōu)目標(biāo)軌跡；
7、步驟3：以通過(guò)b樣條計(jì)算的輔助軌跡和輔助控制律為輸入，以學(xué)習(xí)模型預(yù)測(cè)控制算法計(jì)算的最優(yōu)控制律與輔助控制律的偏差為輸出，構(gòu)建序列到序列問(wèn)題的訓(xùn)練集；
8、步驟4：建立基于lstm網(wǎng)絡(luò)的編碼器-解碼器模型，將訓(xùn)練集輸入基于lstm網(wǎng)絡(luò)的編碼器-解碼器模型學(xué)習(xí)最優(yōu)目標(biāo)軌跡與輔助軌跡之間的深層映射關(guān)系；
9、步驟5：檢測(cè)到目標(biāo)軌跡的突變點(diǎn)后，提取以突變點(diǎn)為中心的子目標(biāo)軌跡，基于lstm網(wǎng)絡(luò)的編碼器-解碼器模型，輸出近似最優(yōu)的目標(biāo)軌跡；
10、步驟6：設(shè)計(jì)魯棒模型預(yù)測(cè)控制算法，控制無(wú)人系統(tǒng)追蹤近似最優(yōu)的目標(biāo)軌跡。
11、本專利技術(shù)進(jìn)一步的技術(shù)方案：所述步驟2包括：
12、步驟2.1：設(shè)計(jì)長(zhǎng)預(yù)測(cè)時(shí)域的軌跡規(guī)劃問(wèn)題，計(jì)算出一條連接突變軌跡起始點(diǎn)和終止點(diǎn)的可行軌跡；
13、步驟2.2：建立針對(duì)突變軌跡的迭代優(yōu)化模型，在可行軌跡中選擇最優(yōu)的點(diǎn)作為學(xué)習(xí)mpc的子終端條件，設(shè)計(jì)終端松弛條件；
14、步驟2.3：迭代求解步驟2.2的優(yōu)化問(wèn)題，直到子終端條件為可行軌跡的終點(diǎn)，并將輸出的軌跡作為新的可行軌跡，開啟下一次迭代，在迭代次數(shù)達(dá)到設(shè)定的閾值后，將輸出軌跡作為最優(yōu)的目標(biāo)軌跡。
15、本專利技術(shù)進(jìn)一步的技術(shù)方案：所述步驟2.1中，設(shè)計(jì)長(zhǎng)預(yù)測(cè)時(shí)域的軌跡規(guī)劃問(wèn)題，其優(yōu)化問(wèn)題如下所示：
16、
17、st:ηg(k+n|k)＝ηr(k+n|k)-ηt
18、ηr(k|k)＝ηr(k),ηr(k+nt|k)＝ηt
19、ηr(k+n+1|k)＝fr(ηr(k+n|k),ur(k+n|k))
20、
21、
22、其中，ηs和ηt是突變軌跡的起止點(diǎn)，fr(·)是虛擬追蹤目標(biāo)的更新方程，ur(k+n|k)是虛擬追蹤目標(biāo)的控制輸入，包括虛擬目標(biāo)的線速度和角速度，ηr(k+n|k)是根據(jù)控制輸入預(yù)測(cè)的追蹤目標(biāo)狀態(tài)，qt和rt是權(quán)重矩陣；和是虛擬追蹤目標(biāo)的狀態(tài)和控制輸入約束，nt是一個(gè)足夠長(zhǎng)的預(yù)測(cè)時(shí)域，確保虛擬追蹤目標(biāo)對(duì)于無(wú)人系統(tǒng)是可追蹤的，且其能夠在預(yù)測(cè)時(shí)域內(nèi)到達(dá)突變軌跡的終點(diǎn)。
23、本專利技術(shù)進(jìn)一步的技術(shù)方案：所述步驟2.2中，建立針對(duì)突變軌跡的迭代優(yōu)化模型：
24、
25、其中，ql、rl和pl是權(quán)重矩陣，nl是學(xué)習(xí)mpc的預(yù)測(cè)時(shí)域；是在第i次迭代過(guò)程中k時(shí)刻計(jì)算的k+n時(shí)刻的控制輸入，是根據(jù)控制輸入預(yù)測(cè)的虛擬追蹤目標(biāo)狀態(tài)；和是虛擬追蹤目標(biāo)的狀態(tài)和控制輸入約束；是隨迭代過(guò)程更新的終端集合；ηd(k+n|k)是突變軌跡的狀態(tài)，是虛擬追蹤目標(biāo)距離突變軌跡的狀態(tài)誤差，其計(jì)算方程為：
26、
27、
28、其中，θr(k+n|k)是無(wú)人系統(tǒng)的航向角，φl(shuí)(θr(k+n|k))為旋轉(zhuǎn)矩陣，將狀態(tài)誤差從世界坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換到虛擬追蹤目標(biāo)坐標(biāo)系；是控制輸入誤差，代表規(guī)劃的虛擬目標(biāo)速度與突變軌跡速度的偏差，av和bv是虛擬追蹤目標(biāo)追蹤誤差和控制輸入誤差的更新系數(shù)矩陣。
29、本專利技術(shù)進(jìn)一步的技術(shù)方案：所述步驟2.2中，在可行軌跡中選擇最優(yōu)的點(diǎn)作為子終端條件,并設(shè)計(jì)終端松弛條件，具體為：
30、終端集合定義為：表明其中心為在第i-1次迭代過(guò)程中迭代集合si-1內(nèi)代價(jià)值最小的終端點(diǎn)；迭代集合內(nèi)存儲(chǔ)上一個(gè)迭代過(guò)程記錄的連接突變起止點(diǎn)的可行軌跡，ti-1是i-1迭代過(guò)程中最優(yōu)目標(biāo)軌跡的長(zhǎng)度；s0內(nèi)是步驟2.1中求解長(zhǎng)時(shí)域軌跡規(guī)劃問(wèn)題所得的初始可行軌跡；在選擇最優(yōu)的終端點(diǎn)時(shí)，首先依次選擇迭代集合si-1內(nèi)的點(diǎn)作為迭代優(yōu)化問(wèn)題的終端點(diǎn)，求解迭代優(yōu)化問(wèn)題，選擇代價(jià)值最小且確保迭代優(yōu)化問(wèn)題有解的終端點(diǎn)作為當(dāng)前時(shí)刻的最優(yōu)終端點(diǎn)，記為是終端時(shí)刻的虛擬追蹤目標(biāo)相對(duì)于終端點(diǎn)的追蹤誤差，當(dāng)終端追蹤誤差位于終端集合內(nèi)時(shí)，表明虛擬追蹤目標(biāo)已經(jīng)靠近迭代集合內(nèi)的最優(yōu)終端點(diǎn)即迭代集合內(nèi)可行軌跡上的某一點(diǎn)，此時(shí)根據(jù)迭代集合內(nèi)的控制輸入，可以控制虛擬追蹤目標(biāo)延可行軌跡到達(dá)突變軌跡的終點(diǎn)ηt；當(dāng)時(shí)，迭代過(guò)程i結(jié)束，將此時(shí)最優(yōu)的追蹤軌跡記錄在集合si內(nèi)。
31、本專利技術(shù)進(jìn)一步的技術(shù)方案：所述步驟3具體為：
32、隨機(jī)采樣長(zhǎng)度為ta的突變軌跡，構(gòu)建連接突變軌跡起點(diǎn)ηs和終點(diǎn)ηt的b樣條曲線作為輔助軌跡，m階n+1個(gè)控制點(diǎn)的b樣條曲線的矩陣表達(dá)形式如下所示：
33、qc(g(t))＝g(t)mm(i)c(i)
34、其中，g(t)＝[1,g(t),g2(t),,gm-1(t)]，δ是設(shè)定的時(shí)間間隔，本文檔來(lái)自技高網(wǎng)...
【技術(shù)保護(hù)點(diǎn)】
1.一種基于數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)和學(xué)習(xí)模型預(yù)測(cè)控制的突變軌跡追蹤控制方法，其特征在于，步驟如下：
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述一種基于數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)和學(xué)習(xí)模型預(yù)測(cè)控制的突變軌跡追蹤控制方法，其特征在于，所述步驟2包括：
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述一種基于數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)和學(xué)習(xí)模型預(yù)測(cè)控制的突變軌跡追蹤控制方法，其特征在于，所述步驟2.1中，設(shè)計(jì)長(zhǎng)預(yù)測(cè)時(shí)域的軌跡規(guī)劃問(wèn)題，其優(yōu)化問(wèn)題如下所示：
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述一種基于數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)和學(xué)習(xí)模型預(yù)測(cè)控制的突變軌跡追蹤控制方法，其特征在于，所述步驟2.2中，建立針對(duì)突變軌跡的迭代優(yōu)化模型：
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述一種基于數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)和學(xué)習(xí)模型預(yù)測(cè)控制的突變軌跡追蹤控制方法，其特征在于，所述步驟2.2中，在可行軌跡中選擇最優(yōu)的點(diǎn)作為子終端條件,并設(shè)計(jì)終端松弛條件，具體為：
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述一種基于數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)和學(xué)習(xí)模型預(yù)測(cè)控制的突變軌跡追蹤控制方法，其特征在于，所述步驟3具體為：
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述一種基于數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)和學(xué)習(xí)模型預(yù)測(cè)控制的突變軌跡追蹤控制方法，其特征在于，所述步驟4中，建立基于LSTM網(wǎng)絡(luò)的
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述一種基于數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)和學(xué)習(xí)模型預(yù)測(cè)控制的突變軌跡追蹤控制方法，其特征在于，所述步驟6中，設(shè)計(jì)魯棒模型預(yù)測(cè)控制算法，控制無(wú)人系統(tǒng)追蹤近似最優(yōu)的目標(biāo)軌跡，具體的優(yōu)化問(wèn)題如下所示：
9.一種計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，其特征在于包括：一個(gè)或多個(gè)處理器，計(jì)算機(jī)可讀存儲(chǔ)介質(zhì)，用于存儲(chǔ)一個(gè)或多個(gè)程序，其中，當(dāng)所述一個(gè)或多個(gè)程序被所述一個(gè)或多個(gè)處理器執(zhí)行時(shí)，使得所述一個(gè)或多個(gè)處理器實(shí)現(xiàn)權(quán)利要求1所述的方法。
10.一種計(jì)算機(jī)可讀存儲(chǔ)介質(zhì)，其特征在于存儲(chǔ)有計(jì)算機(jī)可執(zhí)行指令，所述指令在被執(zhí)行時(shí)用于實(shí)現(xiàn)權(quán)利要求1所述的方法。
...【技術(shù)特征摘要】
1.一種基于數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)和學(xué)習(xí)模型預(yù)測(cè)控制的突變軌跡追蹤控制方法，其特征在于，步驟如下：
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述一種基于數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)和學(xué)習(xí)模型預(yù)測(cè)控制的突變軌跡追蹤控制方法，其特征在于，所述步驟2包括：
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述一種基于數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)和學(xué)習(xí)模型預(yù)測(cè)控制的突變軌跡追蹤控制方法，其特征在于，所述步驟2.1中，設(shè)計(jì)長(zhǎng)預(yù)測(cè)時(shí)域的軌跡規(guī)劃問(wèn)題，其優(yōu)化問(wèn)題如下所示：
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述一種基于數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)和學(xué)習(xí)模型預(yù)測(cè)控制的突變軌跡追蹤控制方法，其特征在于，所述步驟2.2中，建立針對(duì)突變軌跡的迭代優(yōu)化模型：
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述一種基于數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)和學(xué)習(xí)模型預(yù)測(cè)控制的突變軌跡追蹤控制方法，其特征在于，所述步驟2.2中，在可行軌跡中選擇最優(yōu)的點(diǎn)作為子終端條件,并設(shè)計(jì)終端松弛條件，具體為：
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述一種基于數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)和學(xué)習(xí)模型預(yù)測(cè)控制的突變軌跡...
【專利技術(shù)屬性】
技術(shù)研發(fā)人員：李慧平，楊啟帆，楊坤峰，
申請(qǐng)(專利權(quán))人：西北工業(yè)大學(xué)，
類型：發(fā)明
國(guó)別省市：
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