黄 巍 占红武 胥 芳

(浙江工业大学特种装备制造与先进加工技术教育部/浙江省重点实验室 杭州310023)

0 引言

近年来,非完整轮式移动机器人[1](non-holonomic wheeled mobile robot,NWMR)在运输、探测、救援等领域引起了广泛的关注。如在火电厂中,其应用范围覆盖了水冷壁面巡查检测、缺陷定位[2]和主辅机关键部件裂化评估维护[3]。人们对NWMR的运动控制[4]进行了更加深入的研究,提出了各种控制方法,其中包括神经网络控制法[5-6]、滑膜控制[7]和非连续反馈控制法[8]。但当考虑控制输入以及约束处理时,以上算法很难达到较为直观的效果。然而,非线性模型预测控制法(nonlinear model predictive controller,NMPC)却可以很好地解决这个问题,该控制方法以当前时间间隔下NWMR 状态的预测量为初始条件,基于反馈控制律对系统的未来轨迹进行预测,利用控制序列对性能指标函数进行优化。在此框架下构造的最优化问题具有高度的灵活性[9]、良好的动态性及鲁棒性,因此在处理多变量多约束问题时表现优秀,吸引了大量研究者的目光。文献[10]设计了一种非线性模型预测控制算法(NMPC)用于解决误差动力学的轨迹跟踪控制问题。文献[11]针对自主水面舰艇的非线性MPC 轨迹跟踪控制问题,为提高算法效率引入了启发式方法来处理输入约束。文献[12]针对NMPC 求解优化问题的滚动可行性问题,将参考轨迹作为性能指标的终端约束以此保证算法收敛。

然而,NMPC 所带来的高计算负荷不可避免地与较小的采样周期产生冲突。为了提高运算速度,满足实时性要求,许多研究者都致力设计有效的在线算法,诸如快速梯度下降[13]、计算除法[14]、延迟补偿[15]及数值连续法[16]。……