As we move to increasingly complex cyber-physical systems (CPS), new approaches are needed to plan efficient state trajectories in real-time. In this paper, we propose an approach to significantly reduce the complexity of solving optimal control problems for a class of CPS. We exploit the property of differential flatness to simplify the Euler-Lagrange equations, and this simplification eliminates the numerical instabilities that arise in the general case. We also present an explicit differential equation that describes the evolution of the optimal state trajectory, and we extend our results to consider both the unconstrained and constrained cases. Furthermore, we demonstrate the performance of our approach by generating the optimal trajectory for a double-integrator agent in an environment with an obstacle. In simulation, our approach shows a 30% cost reduction and nearly a 3-fold increase in computational speed compared to existing collocation-based optimal control libraries.


翻译:随着我们进入日益复杂的网络物理系统(CPS),需要采用新的方法来规划高效的实时国家轨迹。在本文中,我们提出了大幅降低解决某种CPS类别最佳控制问题的复杂性的方法。我们利用差异平板化的特性来简化Euler-Lagrange等式,这种简化消除了一般情况下产生的数字不稳定性。我们还提出了一个明确的差别方程式,描述最佳状态轨迹的演变,我们把结果扩大到考虑未受限制和受限制的案例。此外,我们还展示了我们方法的绩效,在有障碍的环境中为双组化剂创造最佳轨迹。在模拟中,我们的方法显示成本降低了30%,计算速度比现有的合用最佳控制图书馆增加了近三倍。

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