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

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目录

0 专栏介绍1 最优控制理论2 线性二次型问题3 LQR的价值迭代推导4 基于差速模型的LQR控制5 仿真实现5.1 ROS C++实现5.2 Python实现5.3 Matlab实现

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 x k = z k − z k ∗ \boldsymbol{x}_k=\boldsymbol{z}_k-\boldsymbol{z}_{k}^{*} xk​=zk​−zk∗​，其中 z k \boldsymbol{z}_k zk​、 z k ∗ \boldsymbol{z}_{k}^{*} zk∗​分别是第 k k 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

v k = v k ∗ − K x k ⇔ u = v − v ∗ u k = − K x k \boldsymbol{v}_k=\boldsymbol{v}_{k}^{*}-\boldsymbol{Kx}_k\xLeftrightarrow{\boldsymbol{u}=\boldsymbol{v}-\boldsymbol{v}^*}\boldsymbol{u}_k=-\boldsymbol{Kx}_k vk​=vk∗​−Kxk​u=v−v∗ ​uk​=−Kxk​

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 = ∑ k = 0 N ( x k T Q x k + u k T R u k ) J=\sum_{k=0}^N{\left( \boldsymbol{x}_{k}^{T}\boldsymbol{Qx}_k+\boldsymbol{u}_{k}^{T}\boldsymbol{Ru}_k \right)} J=k=0∑N​(xkT​Qxk​+ukT​Ruk​)

其中 Q \boldsymbol{Q} Q与 R \boldsymbol{R} 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 J 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 ( x k , u k ) = min ⁡ u k [ x k T Q x k + u k T R u k + J k + 1 ( x k + 1 ) ] J_k\left( \boldsymbol{x}_k,\boldsymbol{u}_k \right) =\underset{\boldsymbol{u}_k}{\min}\left[ \boldsymbol{x}_{k}^{T}\boldsymbol{Qx}_k+\boldsymbol{u}_{k}^{T}\boldsymbol{Ru}_k+J_{k+1}\left( \boldsymbol{x}_{k+1} \right) \right] Jk​(xk​,uk​)=uk​min​[xkT​Qxk​+ukT​Ruk​+Jk+1​(xk+1​)]

即第 k k k步到终端的代价等于当前步的代价与第 k + 1 k+1 k+1步到终端的代价之和。根据 J J J的定义，其一定能表示成二次型 J k = x k T P k x k J_k=\boldsymbol{x}_{k}^{T}\boldsymbol{P}_k\boldsymbol{x}_k Jk​=xkT​Pk​xk​，对于优化问题 u k = a r g min ⁡ u k J k ( x k , u k ) \boldsymbol{u}_k=\mathrm{arg}\min _{\boldsymbol{u}_k}J_k\left( \boldsymbol{x}_k,\boldsymbol{u}_k \right) uk​=argminuk​​Jk​(xk​,uk​)，令

∂ J k ( x k , u k ) ∂ u k = ∂ ∂ u k ( x k T P k x k + u k T R u k + J k + 1 ( A x k + B u k ) ) = ∂ ∂ u k ( u k T R u k + ( A x k + B u k ) T P k + 1 ( A x k + B u k ) ) = 2 ( R + B T P k + 1 B ) u k + 2 B T P k + 1 A x k = 0 \begin{aligned}\frac{\partial J_k\left( \boldsymbol{x}_k,\boldsymbol{u}_k \right)}{\partial \boldsymbol{u}_k}&=\frac{\partial}{\partial \boldsymbol{u}_k}\left( \boldsymbol{x}_{k}^{T}\boldsymbol{P}_k\boldsymbol{x}_k+\boldsymbol{u}_{k}^{T}\boldsymbol{Ru}_k+J_{k+1}\left( \boldsymbol{Ax}_k+\boldsymbol{Bu}_k \right) \right) \\&=\frac{\partial}{\partial \boldsymbol{u}_k}\left( \boldsymbol{u}_{k}^{T}\boldsymbol{Ru}_k+\left( \boldsymbol{Ax}_k+\boldsymbol{Bu}_k \right) ^T\boldsymbol{P}_{k+1}\left( \boldsymbol{Ax}_k+\boldsymbol{Bu}_k \right) \right) \\&=2\left( \boldsymbol{R}+\boldsymbol{B}^T\boldsymbol{P}_{k+1}\boldsymbol{B} \right) \boldsymbol{u}_k+2\boldsymbol{B}^T\boldsymbol{P}_{k+1}\boldsymbol{Ax}_k\\&=0\end{aligned} ∂uk​∂Jk​(xk​,uk​)​​=∂uk​∂​(xkT​Pk​xk​+ukT​Ruk​+Jk+1​(Axk​+Buk​))=∂uk​∂​(ukT​Ruk​+(Axk​+Buk​)TPk+1​(Axk​+Buk​))=2(R+BTPk+1​B)uk​+2BTPk+1​Axk​=0​

则 u k ∗ = − ( R + B T P k + 1 B ) − 1 B T P k + 1 A x k \boldsymbol{u}_{k}^{*}=-\left( \boldsymbol{R}+\boldsymbol{B}^T\boldsymbol{P}_{k+1}\boldsymbol{B} \right) ^{-1}\boldsymbol{B}^T\boldsymbol{P}_{k+1}\boldsymbol{Ax}_k uk∗​=−(R+BTPk+1​B)−1BTPk+1​Axk​，对比 u k = − K x k \boldsymbol{u}_k=-\boldsymbol{Kx}_k uk​=−Kxk​可得

K k = ( R + B T P k + 1 B ) − 1 B T P k + 1 A \boldsymbol{K}_k=\left( \boldsymbol{R}+\boldsymbol{B}^T\boldsymbol{P}_{k+1}\boldsymbol{B} \right) ^{-1}\boldsymbol{B}^T\boldsymbol{P}_{k+1}\boldsymbol{A} Kk​=(R+BTPk+1​B)−1BTPk+1​A

将 u k = − K x k \boldsymbol{u}_k=-\boldsymbol{Kx}_k uk​=−Kxk​代入 J k J_k Jk​可得

J k = x k T P k x k = x k T ( Q + K k T R K k + ( A − B K k ) P k + 1 ( A − B K k ) ) x k J_k=\boldsymbol{x}_{k}^{T}\boldsymbol{P}_k\boldsymbol{x}_k=\boldsymbol{x}_{k}^{T}\left( \boldsymbol{Q}+\boldsymbol{K}_{k}^{T}\boldsymbol{RK}_k+\left( \boldsymbol{A}-\boldsymbol{BK}_k \right) \boldsymbol{P}_{k+1}\left( \boldsymbol{A}-\boldsymbol{BK}_k \right) \right) \boldsymbol{x}_k Jk​=xkT​Pk​xk​=xkT​(Q+KkT​RKk​+(A−BKk​)Pk+1​(A−BKk​))xk​

从而

P k = Q + A T P k + 1 A − A T P k + 1 B ( R + B T P k + 1 B ) − 1 B T P k + 1 A \boldsymbol{P}_k=\boldsymbol{Q}+\boldsymbol{A}^T\boldsymbol{P}_{k+1}\boldsymbol{A}-\boldsymbol{A}^T\boldsymbol{P}_{k+1}\boldsymbol{B}\left( \boldsymbol{R}+\boldsymbol{B}^T\boldsymbol{P}_{k+1}\boldsymbol{B} \right) ^{-1}\boldsymbol{B}^T\boldsymbol{P}_{k+1}\boldsymbol{A} Pk​=Q+ATPk+1​A−ATPk+1​B(R+BTPk+1​B)−1BTPk+1​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 P k \boldsymbol{P}_k Pk​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

p ˙ = [ x ˙ y ˙ θ ˙ ] = [ v cos ⁡ θ v sin ⁡ θ ω ] = [ f 1 f 2 f 3 ] \boldsymbol{\dot{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] p˙​= ​x˙y˙​θ˙​ ​= ​vcosθvsinθω​ ​= ​f1​f2​f3​​ ​

选择状态量 p = [ x y θ ] T \boldsymbol{p}=\left[ \begin{matrix} x& y& \theta\\\end{matrix} \right] ^T p=[x​y​θ​]T和状态误差量 x = [ x − x r y − y r θ − θ r ] T \boldsymbol{x}=\left[ \begin{matrix} x-x_r& y-y_r& \theta -\theta _r\\\end{matrix} \right] ^T x=[x−xr​​y−yr​​θ−θr​​]T，控制量 s = [ v ω ] T \boldsymbol{s}=\left[ \begin{matrix} v& \omega\\\end{matrix} \right] ^T s=[v​ω​]T和控制误差量 u = [ v − v r ω − ω r ] T \boldsymbol{u}=\left[ \begin{matrix} v-v_r& \omega -\omega _r\\\end{matrix} \right] ^T u=[v−vr​​ω−ωr​​]T，可得

x ( k + 1 ) = ( T A + I ) x ( k ) + T B u ( k ) \boldsymbol{x}\left( k+1 \right) =\left( T\boldsymbol{A}+\boldsymbol{I} \right) \boldsymbol{x}\left( k \right) +T\boldsymbol{Bu}\left( k \right) x(k+1)=(TA+I)x(k)+TBu(k)

其中

A = [ 0 0 − v r sin ⁡ θ r 0 0 v r cos ⁡ θ r 0 0 0 ] , B = [ cos ⁡ θ r 0 sin ⁡ θ r 0 0 1 ] \boldsymbol{A}=\left[ \begin{matrix} 0& 0& -v_r\sin \theta _r\\ 0& 0& v_r\cos \theta _r\\ 0& 0& 0\\\end{matrix} \right] , \boldsymbol{B}=\left[ \begin{matrix} \cos \theta _r& 0\\ \sin \theta _r& 0\\ 0& 1\\\end{matrix} \right] A= ​000​000​−vr​sinθr​vr​cosθr​0​ ​,B= ​cosθr​sinθr​0​001​ ​

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 error  Eigen::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 equation  Eigen::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_;  }  // feedback  Eigen::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 @ A    if np.max(P - P_) < self.eps_iter:        break    P = 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 error    A = 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 equation    P = param.Q;    % iteration    for i=1:param.lqr_iteration        P_ = param.Q + A' * P * A - A' * P * B / (param.R + B' * P * B) * B' * P * A;        if max(P - P_) < param.eps_iter            break;        end        P = P_;    end    % feedback    K = -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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