轨迹规划 | 图解最优控制LQR算法(附ROS C++/Python/Matlab仿真)

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0 专栏介绍

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1 最优控制理论

最优控制理论是一种数学和工程领域的理论，旨在寻找如何使系统在给定约束条件下达到最佳性能的方法。它的基本思想是通过选择合适的控制输入，以最小化或最大化某个性能指标来优化系统的行为。其中，系统的动态行为通常用状态方程描述，状态表示系统在某一时刻的内部状态。状态空间表示将系统的状态和控制输入表示为向量，通常用微分方程或差分方程来描述系统的演化。在最优控制理论中，会设置代价函数或者目标函数，用来衡量系统行为的好坏的函数。性能指标可以是各种形式，如最小化路径长度、最小化能量消耗、最大化系统稳定性等。最优控制理论在许多领域都有广泛的应用，包括航空航天、机器人学、经济学、生态学等。

2 线性二次型问题

若系统动力学特性可以用一组线性微分方程表示，且性能指标为状态变量和控制变量的二次型函数，则此类最优控制问题称为线性二次型问题。线性二次调节器(Linear Quadratic Regulator, LQR)是求解线性二次型问题常用的求解方法之一，其假设系统零输入且期望状态为零。

如图所示的全状态反馈控制系统。设控制误差${\mathbf{x}}_k={\mathbf{z}}_k-{\mathbf{z}}_k^{\ast }$，其中${\mathbf{z}}_k$、${\mathbf{z}}_k^{\ast }$分别是第$k$个控制时间步的实际状态和期望状态，则全反馈控制律由误差驱动

$${\mathbf{v}}_k={\mathbf{v}}_k^{\ast }-{\mathbf{Kx}}_k\stackrel{\mathbf{u}=\mathbf{v}-{\mathbf{v}}^{\ast }}{\iff }{\mathbf{u}}_k=-{\mathbf{Kx}}_k$$

上式表明可以通过选取状态变量和输入变量，使系统等效为零输入(跟踪期望输入)且期望状态为零(消除状态误差)，满足应用LQR进行最优控制的条件。定义代价函数

$$J=\sum _{k=0}^N\left({\mathbf{x}}_k^T{\mathbf{Qx}}_k+{\mathbf{u}}_k^T{\mathbf{Ru}}_k\right)$$

其中$\mathbf{Q}$与$\mathbf{R}$是用户设定的半正定矩阵，前者衡量了系统状态向期望轨迹的收敛速度，后者衡量了系统能量消耗的相对大小，二者互相制约——希望系统快速收敛往往需要加强控制力度，导致能量耗散。因此， 与 需要结合具体场景进行调节。

3 LQR的价值迭代推导

针对$J$进行优化，引入价值迭代策略，价值迭代的理论基础请看Pytorch深度强化学习1-4：策略改进定理与贝尔曼最优方程详细推导

$$J_k\left({\mathbf{x}}_k,{\mathbf{u}}_k\right)=\underset{{\mathbf{u}}_k}{\min }\left[{\mathbf{x}}_k^T{\mathbf{Qx}}_k+{\mathbf{u}}_k^T{\mathbf{Ru}}_k+J_{k+1}\left({\mathbf{x}}_{k+1}\right)\right]$$

即第$k$步到终端的代价等于当前步的代价与第$k+1$步到终端的代价之和。根据$J$的定义，其一定能表示成二次型$J_k={\mathbf{x}}_k^T{\mathbf{P}}_k{\mathbf{x}}_k$，对于优化问题${\mathbf{u}}_k=\arg {\min }_{{\mathbf{u}}_k}{J}_k\left({\mathbf{x}}_k,{\mathbf{u}}_k\right)$，令

$$\begin{array}{rl}\frac{\partial J_k\left({\mathbf{x}}_k,{\mathbf{u}}_k\right)}{\partial {\mathbf{u}}_k}& =\frac{\partial }{\partial {\mathbf{u}}_k}\left({\mathbf{x}}_k^T{\mathbf{P}}_k{\mathbf{x}}_k+{\mathbf{u}}_k^T{\mathbf{Ru}}_k+J_{k+1}\left({\mathbf{Ax}}_k+{\mathbf{Bu}}_k\right)\right)\\ & =\frac{\partial }{\partial {\mathbf{u}}_k}\left({\mathbf{u}}_k^T{\mathbf{Ru}}_k+{\left({\mathbf{Ax}}_k+{\mathbf{Bu}}_k\right)}^T{\mathbf{P}}_{k+1}\left({\mathbf{Ax}}_k+{\mathbf{Bu}}_k\right)\right)\\ & =2\left(\mathbf{R}+{\mathbf{B}}^T{\mathbf{P}}_{k+1}\mathbf{B}\right){\mathbf{u}}_k+2{\mathbf{B}}^T{\mathbf{P}}_{k+1}{\mathbf{Ax}}_k\\ & =0\end{array}$$

则${\mathbf{u}}_k^{\ast }=-{\left(\mathbf{R}+{\mathbf{B}}^T{\mathbf{P}}_{k+1}\mathbf{B}\right)}^{-1}{\mathbf{B}}^T{\mathbf{P}}_{k+1}{\mathbf{Ax}}_k$，对比${\mathbf{u}}_k=-{\mathbf{Kx}}_k$可得

$${\mathbf{K}}_k={\left(\mathbf{R}+{\mathbf{B}}^T{\mathbf{P}}_{k+1}\mathbf{B}\right)}^{-1}{\mathbf{B}}^T{\mathbf{P}}_{k+1}\mathbf{A}$$

将${\mathbf{u}}_k=-{\mathbf{Kx}}_k$代入$J_k$可得

$$J_k={\mathbf{x}}_k^T{\mathbf{P}}_k{\mathbf{x}}_k={\mathbf{x}}_k^T\left(\mathbf{Q}+{\mathbf{K}}_k^T{\mathbf{RK}}_k+\left(\mathbf{A}-{\mathbf{BK}}_k\right){\mathbf{P}}_{k+1}\left(\mathbf{A}-{\mathbf{BK}}_k\right)\right){\mathbf{x}}_k$$

从而

$${\mathbf{P}}_k=\mathbf{Q}+{\mathbf{A}}^T{\mathbf{P}}_{k+1}\mathbf{A}-{\mathbf{A}}^T{\mathbf{P}}_{k+1}\mathbf{B}{\left(\mathbf{R}+{\mathbf{B}}^T{\mathbf{P}}_{k+1}\mathbf{B}\right)}^{-1}{\mathbf{B}}^T{\mathbf{P}}_{k+1}\mathbf{A}$$

称为离散迭代黎卡提方程。根据贝尔曼最优原理，在迭代过程中${\mathbf{P}}_k$会逐步收敛。

4 基于差速模型的LQR控制

根据差分机器人运动学模型

$$\dot{\mathbf{p}}=\left[\begin{array}{c}\dot{x}\\ \dot{y}\\ \dot{\theta }\end{array}\right]=\left[\begin{array}{c}v\cos \theta \\ v\sin \theta \\ \omega \end{array}\right]=\left[\begin{array}{c}{f}_1\\ f_2\\ f_3\end{array}\right]$$

选择状态量$\mathbf{p}={\left[\begin{array}{ccc}x& y& \theta \end{array}\right]}^T$和状态误差量$\mathbf{x}={\left[\begin{array}{ccc}x-x_r& y-y_r& \theta -{\theta }_r\end{array}\right]}^T$，控制量$\mathbf{s}={\left[\begin{array}{cc}v& \omega \end{array}\right]}^T$和控制误差量$\mathbf{u}={\left[\begin{array}{cc}v-v_r& \omega -{\omega }_r\end{array}\right]}^T$，可得

$$\mathbf{x}\left(k+1\right)=\left(T\mathbf{A}+\mathbf{I}\right)\mathbf{x}\left(k\right)+T\mathbf{Bu}\left(k\right)$$

其中

$$\mathbf{A}=\left[\begin{array}{ccc}0& 0& -v_r\sin {\theta }_r\\ 0& 0& v_r\cos {\theta }_r\\ 0& 0& 0\end{array}\right],\mathbf{B}=\left[\begin{array}{cc}\cos {\theta }_r& 0\\ \sin {\theta }_r& 0\\ 0& 1\end{array}\right]$$

接着按照LQR算法求解即可。

5 仿真实现

5.1 ROS C++实现

核心代码如下所示

Eigen::Vector2d LQRPlanner::_lqrControl(Eigen::Vector3d s, Eigen::Vector3d s_d, Eigen::Vector2d u_r)
{Eigen::Vector2d u;Eigen::Vector3d e(s - s_d);e[2] = regularizeAngle(e[2]);// state equation on errorEigen::Matrix3d A = Eigen::Matrix3d::Identity();A(0, 2) = -u_r[0] * sin(s_d[2]) * d_t_;A(1, 2) = u_r[0] * cos(s_d[2]) * d_t_;Eigen::MatrixXd B = Eigen::MatrixXd::Zero(3, 2);B(0, 0) = cos(s_d[2]) * d_t_;B(1, 0) = sin(s_d[2]) * d_t_;B(2, 1) = d_t_;// discrete iteration Ricatti equationEigen::Matrix3d P, P_;P = Q_;for (int i = 0; i < max_iter_; ++i){Eigen::Matrix2d temp = R_ + B.transpose() * P * B;P_ = Q_ + A.transpose() * P * A - A.transpose() * P * B * temp.inverse() * B.transpose() * P * A;if ((P - P_).array().abs().maxCoeff() < eps_iter_)break;P = P_;}// feedbackEigen::MatrixXd K = -(R_ + B.transpose() * P_ * B).inverse() * B.transpose() * P_ * A;u = u_r + K * e;return u;
}

5.2 Python实现

核心代码如下所示

def lqrControl(self, s: tuple, s_d: tuple, u_r: tuple) -> np.ndarray:dt = self.params["TIME_STEP"]# state equation on errorA = np.identity(3)A[0, 2] = -u_r[0] * np.sin(s_d[2]) * dtA[1, 2] = u_r[0] * np.cos(s_d[2]) * dtB = np.zeros((3, 2))B[0, 0] = np.cos(s_d[2]) * dtB[1, 0] = np.sin(s_d[2]) * dtB[2, 1] = dt# discrete iteration Ricatti equationP, P_ = np.zeros((3, 3)), np.zeros((3, 3))P = self.Q# iterationfor _ in range(self.lqr_iteration):P_ = self.Q + A.T @ P @ A - A.T @ P @ B @ np.linalg.inv(self.R + B.T @ P @ B) @ B.T @ P @ Aif np.max(P - P_) < self.eps_iter:breakP = P_# feedbackK = -np.linalg.inv(self.R + B.T @ P_ @ B) @ B.T @ P_ @ Ae = np.array([[s[0] - s_d[0]], [s[1] - s_d[1]], [self.regularizeAngle(s[2] - s_d[2])]])u = np.array([[u_r[0]], [u_r[1]]]) + K @ ereturn np.array([[self.linearRegularization(float(u[0]))], [self.angularRegularization(float(u[1]))]])

5.3 Matlab实现

核心代码如下所示

function u = lqrControl(s, s_d, u_r, robot, param)dt = param.dt;% state equation on errorA = eye(3);A(1, 3) = -u_r(1) * sin(s_d(3)) * dt;A(2, 3) = u_r(1) * cos(s_d(3)) * dt;B = zeros(3, 2);B(1, 1) = cos(s_d(3)) * dt;B(2, 1) = sin(s_d(3)) * dt;B(3, 2) = dt;% discrete iteration Ricatti equationP = param.Q;% iterationfor i=1:param.lqr_iterationP_ = param.Q + A' * P * A - A' * P * B / (param.R + B' * P * B) * B' * P * A;if max(P - P_) < param.eps_iterbreak;endP = P_;end% feedbackK = -inv(param.R + B' * P_ * B) * B' * P_ * A;e = [s(1) - s_d(1); s(2) - s_d(2); regularizeAngle(s(3) - s_d(3))];u = [u_r(1); u_r(2)] + K * e;u = [linearRegularization(robot, u(1), param), angularRegularization(robot, u(2), param)];
end

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