【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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🌈 机器学习和深度学习时序、回归、分类、聚类和降维

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
🌈 无人机应用方面
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🌈电力系统方面
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<think>好的,用户需要基于端口哈密顿方法的无人机路径规划Matlab中的实现代码示例。首先,我需要确认端口哈密顿方法的基本原理,以及它在路径规划中的应用。端口哈密顿系统(PHS)主要涉及能量建模、控制设计和稳定性分析,常用于多体动力学系统,如无人机。 接下来,用户可能需要一个简化的Matlab示例,展示如何实现路径规划。我需要考虑端口哈密顿的核心要素,比如能量整形和阻尼注入。Matlab中通常使用ODE求解器来模拟系统动态,所以需要构建状态方程。 然后,需要定义无人机的动力学模型,可能简化成二维或三维空间中的质点模型。路径规划的目标点设置和避障功能可能需要势场法,结合哈密顿框架的能量函数。 代码结构方面,应包括初始化参数、定义哈密顿函数、控制律(能量整形和阻尼)、微分方程以及主循环。可能需要使用ode45进行数值积分,并可视化结果。同时,要提醒用户注意实际应用的复杂性,如模型精度、控制器调参和避障算法优化。 最后,生成相关问题,帮助用户深入理解,比如端口哈密顿方法的优势、路径稳定性、三维扩展以及实际应用挑战。需要确保回答结构清晰,代码正确,并引用相关文献作为参考。</think>以下是为您整理的基于端口哈密顿方法的无人机路径规划Matlab实现框架及核心代码解析: ### 一、端口哈密顿系统基本原理 端口哈密顿方法通过能量整形实现系统控制,其核心方程为: $$ \dot{x} = (J(x)-R(x))\nabla H(x) + g(x)u $$ 其中: - $J(x)$ 为斜对称矩阵 - $R(x)$ 为正定耗散矩阵 - $H(x)$ 为哈密顿函数 - $u$ 为控制输入[^2] ### 二、Matlab代码框架 ```matlab %% 系统参数初始化 m = 2; % 质量(kg) J = 0.1; % 转动惯量 pos_des = [5;5]; % 目标位置 %% 哈密顿函数定义 H = @(q,p) 0.5*(p'*p)/m + 0.5*(q - pos_des)'*(q - pos_des); %% 控制律设计 function u = controller(q,p) Kd = 0.5; % 阻尼系数 gradHq = q - pos_des; gradHp = p/m; u = -Kd*gradHp; % 能量整形控制 end %% 系统动力学方程 function dxdt = dynamics(t,x) q = x(1:2); p = x(3:4); u = controller(q,p); dqdt = p/m; dpdt = - (q - pos_des) + u; dxdt = [dqdt; dpdt]; end %% 主程序 x0 = [0;0;0;0]; % 初始状态[q; p] tspan = [0 10]; [t,x] = ode45(@dynamics, tspan, x0); %% 可视化 plot(x(:,1), x(:,2)), hold on plot(pos_des(1), pos_des(2), 'ro') title('无人机轨迹规划') xlabel('X位置'), ylabel('Y位置') grid on ``` ### 三、代码说明 1. **能量整形**:通过哈密顿函数$H(q,p)$将势能场与动能结合 2. **阻尼注入**:控制器中的$K_d$参数实现能量耗散 3. **轨迹生成**:利用ODE45求解器进行数值积分 4. **避障扩展**:可添加势场函数项到哈密顿函数中实现避障 ### 四、实际应用注意事项 1. 需考虑无人机完整动力学模型(姿态动力学耦合) 2. 障碍物势场函数需要满足$C^2$连续性 3. 参数调节需保证李雅普诺夫稳定性 4. 建议结合模型预测控制(MPC)进行优化[^3]
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