【技術(shù)實(shí)現(xiàn)步驟摘要】
本專利技術(shù)涉及導(dǎo)航路徑規(guī)劃領(lǐng)域，尤其涉及基于mpc算法的導(dǎo)航路徑規(guī)劃小車姿態(tài)控制方法、電子設(shè)備和存儲(chǔ)介質(zhì)。
技術(shù)介紹
1、硬件友好型mpc(model?predictive?control)實(shí)現(xiàn)旨在使mpc算法在嵌入式系統(tǒng)或計(jì)算資源受限的硬件平臺(tái)(如智能車、移動(dòng)機(jī)器人等)中高效運(yùn)行。這種實(shí)現(xiàn)方式的目標(biāo)是減少算法的計(jì)算復(fù)雜度和功耗，確保系統(tǒng)能夠在實(shí)時(shí)性要求較高的場(chǎng)景下運(yùn)行，特別是在低功耗處理器或嵌入式設(shè)備中。
2、mpc是一種強(qiáng)大的控制算法，它通過(guò)在線解決一個(gè)包含預(yù)測(cè)模型、控制目標(biāo)和約束條件的優(yōu)化問(wèn)題，生成一系列未來(lái)的控制指令。雖然mpc在復(fù)雜的控制場(chǎng)景中表現(xiàn)優(yōu)異，但其高計(jì)算復(fù)雜度使得它在嵌入式系統(tǒng)中難以直接應(yīng)用，尤其是當(dāng)阿克曼小車的非線性運(yùn)動(dòng)模型加入時(shí)。硬件友好型mpc的設(shè)計(jì)需要解決以下挑戰(zhàn)：(1)實(shí)時(shí)性要求：需要確保mpc在每個(gè)控制周期內(nèi)能夠快速完成優(yōu)化計(jì)算，并實(shí)時(shí)更新控制輸入。(2)計(jì)算資源限制：嵌入式系統(tǒng)通常計(jì)算能力有限，要求算法具有較低的計(jì)算復(fù)雜度。(3)功耗限制：嵌入式硬件常用于低功耗場(chǎng)景，要求算法執(zhí)行高效，避免頻繁的計(jì)算引起過(guò)多功耗。(4)非線性模型處理：阿克曼小車模型是高度非線性的，如何在低資源情況下高效處理這個(gè)模型是實(shí)現(xiàn)的核心難題之一。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路
1、本專利技術(shù)的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供基于mpc算法的導(dǎo)航路徑規(guī)劃小車姿態(tài)控制方法、電子設(shè)備和存儲(chǔ)介質(zhì)。
2、本專利技術(shù)的目的是通過(guò)以下技術(shù)方案來(lái)實(shí)現(xiàn)的：
3、本專利技術(shù)的
4、搭建經(jīng)過(guò)線性化處理的小車的阿克曼小車狀態(tài)空間模型，空間模型的輸出值為下一狀態(tài)，空間模型的輸入值包括當(dāng)前狀態(tài)和當(dāng)前控制輸入；
5、獲取通過(guò)傳感器測(cè)量或狀態(tài)觀測(cè)器得到的小車的當(dāng)前狀態(tài)；
6、構(gòu)建mpc優(yōu)化問(wèn)題，即基于當(dāng)前狀態(tài)預(yù)測(cè)未來(lái)n步的控制輸入、并設(shè)置當(dāng)前狀態(tài)和/或當(dāng)前控制輸入的約束；
7、利用fgm求解所述優(yōu)化問(wèn)題，得到優(yōu)選的控制輸入；
8、輸出所述優(yōu)選的控制輸入的控制信號(hào)。
9、進(jìn)一步地，所述搭建經(jīng)過(guò)線性化處理的小車的阿克曼小車狀態(tài)空間模型，包括：
10、搭建非線性化的阿克曼小車狀態(tài)空間模型；
11、將非線性化的阿克曼小車狀態(tài)空間模型通過(guò)泰勒展開，在當(dāng)前狀態(tài)附近進(jìn)行線性化，得到線性近似模型，即線性化處理的小車的阿克曼小車狀態(tài)空間模型。
12、進(jìn)一步地，所述構(gòu)建mpc優(yōu)化問(wèn)題，包括：
13、建立目標(biāo)函數(shù)，所述目標(biāo)函數(shù)旨在最小化狀態(tài)誤差和控制輸入的成本；
14、設(shè)置目標(biāo)函數(shù)的約束條件，所述約束條件包括當(dāng)前狀態(tài)和/或當(dāng)前控制輸入的約束。
15、進(jìn)一步地，所述利用fgm求解所述優(yōu)化問(wèn)題，包括：
16、將優(yōu)化問(wèn)題轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)的二次規(guī)劃問(wèn)題；
17、利用fgm求解所述標(biāo)準(zhǔn)的二次規(guī)劃問(wèn)題。
18、進(jìn)一步地，所述利用fgm求解所述標(biāo)準(zhǔn)的二次規(guī)劃問(wèn)題，包括
19、初始化控制輸入、并設(shè)置步長(zhǎng)；
20、基于所述步長(zhǎng)和標(biāo)準(zhǔn)的二次規(guī)劃問(wèn)題，使用梯度下降迭代更新控制輸入，如果有控制輸入的約束，使用投影操作將下一控制狀態(tài)投影到約束集上；
21、當(dāng)?shù)鷿M足預(yù)設(shè)的終止條件時(shí)停止。
22、進(jìn)一步地，初始化的控制輸入設(shè)為零向量或上一次優(yōu)化得到的解；預(yù)設(shè)的終止條件包括梯度更新幅度小于某個(gè)閾值、或達(dá)到最大迭代次數(shù)。
23、進(jìn)一步地，所述輸出所述優(yōu)選的控制輸入的控制信號(hào)，包括：
24、對(duì)求解出的優(yōu)選的控制輸入的控制信號(hào)的第一個(gè)時(shí)間步的控制輸出生成對(duì)應(yīng)的控制信號(hào)。
25、進(jìn)一步地，所述控制輸入為全狀態(tài)控制輸入或關(guān)鍵控制輸入；所述關(guān)鍵控制輸入為關(guān)鍵參數(shù)控制輸入或應(yīng)用場(chǎng)景控制輸入。
26、本專利技術(shù)的第二方面，提供一種電子設(shè)備，包括存儲(chǔ)單元和處理單元，所述存儲(chǔ)單元上存儲(chǔ)有可在所述處理單元上運(yùn)行的計(jì)算機(jī)指令，所述處理單元運(yùn)行所述計(jì)算機(jī)指令時(shí)執(zhí)行如第一方面所述方法的步驟。
27、本專利技術(shù)的第三方面，提供一種存儲(chǔ)介質(zhì)，其上存儲(chǔ)有計(jì)算機(jī)指令，所述計(jì)算機(jī)指令運(yùn)行時(shí)執(zhí)行如第一方面所述方法的步驟。
28、本專利技術(shù)的有益效果是：
29、在本專利技術(shù)的一示例性實(shí)施例中，通過(guò)引入快速梯度法，硬件友好型mpc能夠以較低的計(jì)算代價(jià)和較小的內(nèi)存占用，在嵌入式系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)控制，適應(yīng)計(jì)算資源有限的硬件平臺(tái)，從而實(shí)現(xiàn)高度非線性的阿克曼小車模型低資源情況下高效處理。
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1.基于MPC算法的導(dǎo)航路徑規(guī)劃小車姿態(tài)控制方法，用于對(duì)符合阿克曼小車運(yùn)動(dòng)模型的小車進(jìn)行姿態(tài)控制的控制器，其特征在于：針對(duì)于每一控制周期，包括以下步驟：
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于MPC算法的導(dǎo)航路徑規(guī)劃小車姿態(tài)控制方法，其特征在于：所述搭建經(jīng)過(guò)線性化處理的小車的阿克曼小車狀態(tài)空間模型，包括：
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于MPC算法的導(dǎo)航路徑規(guī)劃小車姿態(tài)控制方法，其特征在于：所述構(gòu)建MPC優(yōu)化問(wèn)題，包括：
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于MPC算法的導(dǎo)航路徑規(guī)劃小車姿態(tài)控制方法，其特征在于：所述利用FGM求解所述優(yōu)化問(wèn)題，包括：
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的基于MPC算法的導(dǎo)航路徑規(guī)劃小車姿態(tài)控制方法，其特征在于：所述利用FGM求解所述標(biāo)準(zhǔn)的二次規(guī)劃問(wèn)題，包括
6.根據(jù)權(quán)利要求4所述的基于MPC算法的導(dǎo)航路徑規(guī)劃小車姿態(tài)控制方法，其特征在于：初始化的控制輸入設(shè)為零向量或上一次優(yōu)化得到的解；預(yù)設(shè)的終止條件包括梯度更新幅度小于某個(gè)閾值、或達(dá)到最大迭代次數(shù)。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于MPC算法的導(dǎo)航路徑規(guī)劃小車姿態(tài)控
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于MPC算法的導(dǎo)航路徑規(guī)劃小車姿態(tài)控制方法，其特征在于：所述控制輸入為全狀態(tài)控制輸入或關(guān)鍵控制輸入；所述關(guān)鍵控制輸入為關(guān)鍵參數(shù)控制輸入或應(yīng)用場(chǎng)景控制輸入。
9.一種電子設(shè)備，包括存儲(chǔ)單元和處理單元，所述存儲(chǔ)單元上存儲(chǔ)有可在所述處理單元上運(yùn)行的計(jì)算機(jī)指令，其特征在于：所述處理單元運(yùn)行所述計(jì)算機(jī)指令時(shí)執(zhí)行如權(quán)利要求1～8中任意一項(xiàng)所述方法的步驟。
10.一種存儲(chǔ)介質(zhì)，其上存儲(chǔ)有計(jì)算機(jī)指令，其特征在于：所述計(jì)算機(jī)指令運(yùn)行時(shí)執(zhí)行如權(quán)利要求1～8中任意一項(xiàng)所述方法的步驟。
...【技術(shù)特征摘要】
1.基于mpc算法的導(dǎo)航路徑規(guī)劃小車姿態(tài)控制方法，用于對(duì)符合阿克曼小車運(yùn)動(dòng)模型的小車進(jìn)行姿態(tài)控制的控制器，其特征在于：針對(duì)于每一控制周期，包括以下步驟：
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于mpc算法的導(dǎo)航路徑規(guī)劃小車姿態(tài)控制方法，其特征在于：所述搭建經(jīng)過(guò)線性化處理的小車的阿克曼小車狀態(tài)空間模型，包括：
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于mpc算法的導(dǎo)航路徑規(guī)劃小車姿態(tài)控制方法，其特征在于：所述構(gòu)建mpc優(yōu)化問(wèn)題，包括：
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于mpc算法的導(dǎo)航路徑規(guī)劃小車姿態(tài)控制方法，其特征在于：所述利用fgm求解所述優(yōu)化問(wèn)題，包括：
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的基于mpc算法的導(dǎo)航路徑規(guī)劃小車姿態(tài)控制方法，其特征在于：所述利用fgm求解所述標(biāo)準(zhǔn)的二次規(guī)劃問(wèn)題，包括
6.根據(jù)權(quán)利要求4所述的基于mpc算法的導(dǎo)航路徑規(guī)劃小車姿態(tài)控制方法，...
【專利技術(shù)屬性】
技術(shù)研發(fā)人員：張寧，
申請(qǐng)(專利權(quán))人：電子科技大學(xué)，
類型：發(fā)明
國(guó)別省市：
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