NMPC圆形轨迹跟踪C代码

时间: 2023-08-06 16:20:30 浏览: 160
以下是一个简单的NMPC控制器,用于将小车跟踪一个圆形轨迹。其中,小车的状态变量为x和y,控制变量为v和theta(车速和车头方向角度),轨迹参数为圆心坐标xc和yc,及半径r。该控制器使用了CasADi库来进行数学建模和求解。 ```c #include <casadi/casadi.hpp> #include <iostream> using namespace casadi; int main() { // Define symbolic variables SX x = SX::sym("x"); SX y = SX::sym("y"); SX v = SX::sym("v"); SX theta = SX::sym("theta"); // Define model and constraints Function f = Function("f", {x, y, v, theta}, {v*cos(theta), v*sin(theta), 0, 0}); Function h = Function("h", {x, y}, {pow(x - xc, 2) + pow(y - yc, 2) - pow(r, 2)}); // Define optimization variables SX xc = SX::sym("xc"); SX yc = SX::sym("yc"); SX r = SX::sym("r"); SX dt = SX::sym("dt"); SX p = SX::vertcat({xc, yc, r, dt}); SX u = SX::vertcat({v, theta}); SX n_states = 4; SX n_controls = 2; SX n_params = 4; // Define cost function SX L = pow(v, 2) + pow(theta, 2); Function lag = Function("lag", {x, y, v, theta, xc, yc, r}, {L}); // Define NMPC problem SXDict nlp = {{"x", SX::vertcat({x, y, v, theta})}, {"p", p}, {"f", f(x, y, v, theta)}, {"g", h(x, y)}, {"u", u}, {"lbg", 0}, {"ubg", 0}, {"lbx", SX::vertcat({-Inf, -Inf, 0, -Inf})}, {"ubx", SX::vertcat({Inf, Inf, Inf, Inf})}, {"p_min", SX::vertcat({-Inf, -Inf, 0, 0.1})}, {"p_max", SX::vertcat({Inf, Inf, Inf, 0.5})} }; // Define solver and options std::map<std::string, std::string> options; options["ipopt.print_level"] = "0"; options["ipopt.max_iter"] = "100"; options["ipopt.tol"] = "1e-6"; options["ipopt.warm_start_init_point"] = "yes"; options["ipopt.warm_start_bound_push"] = "1e-8"; options["ipopt.warm_start_bound_frac"] = "1e-8"; options["ipopt.warm_start_slack_bound_frac"] = "1e-8"; options["ipopt.warm_start_slack_bound_push"] = "1e-8"; options["ipopt.mu_init"] = "1e-6"; options["ipopt.mu_strategy"] = "adaptive"; options["ipopt.hessian_approximation"] = "limited-memory"; options["ipopt.linear_solver"] = "ma57"; options["print_time"] = "0"; std::vector<SX> w0, lbw, ubw, lbg, ubg, p_min, p_max; lbw = {0, 0, 0, -pi}; ubw = {0, 0, 1, pi}; w0 = {0, 0, 0.2, 0}; lbg = {0}; ubg = {0}; p_min = {-1, -1, 0, 0.1}; p_max = {1, 1, 1, 0.5}; // Create solver instance Function nlp_fcn = Function("nlp_fcn", nlp); nlpsol_solver nlpsol("nlpsol", "ipopt", nlp_fcn, options); nlpsol.setInput("x0", w0); nlpsol.setInput("lbx", lbw); nlpsol.setInput("ubx", ubw); nlpsol.setInput("lbg", lbg); nlpsol.setInput("ubg", ubg); nlpsol.setInput("p_min", p_min); nlpsol.setInput("p_max", p_max); // Loop over time steps double t = 0; double T = 10; double dt_val = 0.1; while (t < T) { // Solve NMPC nlpsol.setInput("x0", w0); nlpsol.setInput("p", {xc_val, yc_val, r_val, dt_val}); nlpsol.evaluate(); std::vector<double> w_opt = nlpsol.getOutput("x").asVector(); std::vector<double> u_opt = {w_opt[2], w_opt[3]}; // Simulate system std::vector<double> x_val = {w0[0], w0[1], w_opt[0], w_opt[1]}; std::vector<double> xdot_val = f(x_val, u_opt).asVector(); std::vector<double> x_next = {x_val[0] + xdot_val[0]*dt_val, x_val[1] + xdot_val[1]*dt_val, xdot_val[2], xdot_val[3]}; // Update variables and time w0 = {x_next[0], x_next[1], u_opt[0], u_opt[1]}; t += dt_val; } return 0; } ``` 此代码实现的是一个基于NMPC的控制器,用于将小车跟踪圆形轨迹。其中,控制器将小车当前状态和轨迹参数作为输入,然后基于数学模型求解控制变量,即车速和车头方向角度。该控制器的优化问题由一个非线性规划(NLP)问题描述,可以使用IPOPT求解器求解。通过在时间上循环执行此代码,可以实现小车沿圆形轨迹运动的目的。
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