【无人机】基于MPC的无人机路径规划研究附Matlab代码

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🔥 内容介绍

在无人机路径规划领域,随着应用场景的日益复杂,对路径的实时性、鲁棒性和动态避障能力提出了更高要求。模型预测控制(MPC)作为一种先进的控制方法,凭借其能够处理约束条件、滚动优化的特点,在无人机路径规划中展现出独特的优势。它通过不断求解有限时域内的优化问题,实现动态环境下的实时路径调整,有效应对无人机飞行过程中的不确定性和动态障碍物。

MPC 原理

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MPC 在无人机路径规划中的应用

问题描述

MPC 在无人机路径规划中的目标是,在存在静态或动态障碍物的环境中,使无人机能够实时规划出从当前位置到目标位置的最优路径,同时满足无人机的运动学约束(如最大速度、最大角速度)和避障约束。

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⛳️ 运行结果

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🔗 参考文献

[1] 王绪芝.不确定环境下无人机航迹动态规划及仿真研究[D].南京航空航天大学,2013.

[2] 张丽霞,田硕,潘福全,等.基于MPC的智能车辆路径规划与跟踪控制[J].河南科技大学学报(自然科学版), 2024, 45(1):1-11.

[3] 张鑫,吴伊凡,崔永琪.基于改进MPC算法的四旋翼无人机轨迹跟踪控制[J].电子技术与软件工程, 2023(3):148-153.

📣 部分代码

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2.1 bp时序、回归预测和分类

2.2 ENS声神经网络时序、回归预测和分类

2.3 SVM/CNN-SVM/LSSVM/RVM支持向量机系列时序、回归预测和分类

2.4 CNN|TCN|GCN卷积神经网络系列时序、回归预测和分类

2.5 ELM/KELM/RELM/DELM极限学习机系列时序、回归预测和分类
2.6 GRU/Bi-GRU/CNN-GRU/CNN-BiGRU门控神经网络时序、回归预测和分类

2.7 ELMAN递归神经网络时序、回归\预测和分类

2.8 LSTM/BiLSTM/CNN-LSTM/CNN-BiLSTM/长短记忆神经网络系列时序、回归预测和分类

2.9 RBF径向基神经网络时序、回归预测和分类

2.10 DBN深度置信网络时序、回归预测和分类
2.11 FNN模糊神经网络时序、回归预测
2.12 RF随机森林时序、回归预测和分类
2.13 BLS宽度学习时序、回归预测和分类
2.14 PNN脉冲神经网络分类
2.15 模糊小波神经网络预测和分类
2.16 时序、回归预测和分类
2.17 时序、回归预测预测和分类
2.18 XGBOOST集成学习时序、回归预测预测和分类
2.19 Transform各类组合时序、回归预测预测和分类
方向涵盖风电预测、光伏预测、电池寿命预测、辐射源识别、交通流预测、负荷预测、股价预测、PM2.5浓度预测、电池健康状态预测、用电量预测、水体光学参数反演、NLOS信号识别、地铁停车精准预测、变压器故障诊断
🌈图像处理方面
图像识别、图像分割、图像检测、图像隐藏、图像配准、图像拼接、图像融合、图像增强、图像压缩感知
🌈 路径规划方面
旅行商问题(TSP)、车辆路径问题(VRP、MVRP、CVRP、VRPTW等)、无人机三维路径规划、无人机协同、无人机编队、机器人路径规划、栅格地图路径规划、多式联运运输问题、 充电车辆路径规划(EVRP)、 双层车辆路径规划(2E-VRP)、 油电混合车辆路径规划、 船舶航迹规划、 全路径规划规划、 仓储巡逻
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### 基于MPC控制的无人机MATLAB代码示例 #### 1. 定义系统动态方程 为了应用模型预测控制(MPC),首先需要定义描述系统的状态空间模型。对于无人机而言,这通常涉及到位置、速度和其他相关变量的状态向量。 ```matlab % Define system matrices A and B based on the drone dynamics model. A = ...; % State transition matrix derived from linearized drone equations of motion B = ...; % Input-to-state mapping matrix C = eye(size(A, 1)); % Output equation (assuming full state measurement) D = zeros(size(C, 1), size(B, 2)); ``` #### 2. 设置控制器参数 接下来设置用于求解优化问题的成本矩阵Q和R,这些矩阵决定了跟踪误差的重要性以及输入变化的影响程度。 ```matlab Np = 10; % Prediction horizon length Nu = Np/2; % Control move horizon length Q = diag([1 1 1]); % Weighting matrix for states (position errors) R = 0.1 * eye(length(u)); % Weighting matrix for control inputs (input changes) mpcobj = mpc(ss(A,B,C,D,'Ts', Ts), Ts); % Create an MPC object with sample time Ts setterminal(mpcobj, terminal_weights); ``` #### 3. 实现QP求解器 使用`quadprog()`函数解决由MPC产生的二次规划问题,从而获得最优控制序列u*。 ```matlab function u_optimal = solve_qp(H,f,Aineq,bineq,Aeq,beq,lb,ub) options = optimoptions('quadprog','Algorithm','interior-point-convex'); [~,~,exitflag,output,u_optimal] = ... quadprog(H,f,Aineq,bineq,Aeq,beq,lb,ub,[],[],options); if exitflag ~= 1 || output.iterations >= maxIter warning('Optimization did not converge within allowed iterations.'); end end ``` #### 4. 编写主循环逻辑 最后,在每次迭代中更新测量数据,并调用上述QP求解器计算新的控制命令发送给执行机构。 ```matlab while t <= Tfinal y_measured = measure_output(); % Get current measurements % Update prediction model using latest measured outputs update_model(y_measured); % Solve QP problem to find optimal future input sequence H = compute_cost_matrix(Q,R,Np,Nu); f = compute_objective_vector(x_ref,y_measured,Q,R,Np); [Aineq,bineq,Aeq,beq,lb,ub] = construct_constraints(); u_sequence = solve_qp(H,f,Aineq,bineq,Aeq,beq,lb,ub); apply_control_signal(u_sequence(:,1)); % Apply first element as next command pause(Ts); % Wait until next sampling instant t = t + Ts; end ```
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