We consider the problem of bridging the gap between geometric tracking control theory and implementation of model predictive control (MPC) for robotic systems operating on manifolds. We propose a generic on-manifold MPC formulation based on a canonical representation of the system evolving on manifolds. Then, we present a method that solves the on-manifold MPC formulation by linearizing the system along the trajectory under tracking. There are two main advantages of the proposed scheme. The first is that the linearized system leads to an equivalent error system represented by a set of minimal parameters without any singularity. Secondly, the process of system modeling, error-system derivation, linearization and control has the manifold constraints completely decoupled from the system descriptions, enabling the development of a symbolic MPC framework that naturally encapsulates the manifold constraints. In this framework, users need only to supply system-specific descriptions without dealing with the manifold constraints. We implement this framework and test it on a quadrotor unmanned aerial vehicle (UAV) operating on $SO(3) \times \mathbb{R}^n$ and an unmanned ground vehicle (UGV) moving on a curved surface. Real-world experiments show that the proposed framework and implementation achieve high tracking performance and computational efficiency even in highly aggressive aerobatic quadrotor maneuvers.


翻译:我们考虑了缩小对地跟踪控制理论和对在多管层运行的机器人系统实施模型预测控制(MPC)之间差距的问题。我们提议了一种基于在多管层上演进的系统光学表示法的通用的配方式配方。然后,我们提出了一个方法,通过沿正在跟踪的轨迹线将系统线性化的配方配方解决配方配方配方配方的配方。拟议办法有两个主要优点。第一个优点是线性化系统导致一个相当的误差系统,其代表的参数是一组不奇特的最低限度参数。第二,系统建模、错误系统衍生、线性化和控制过程与系统描述完全脱钩,使全套式的配方位配方制配方配方配方配方配方配方配方配方配方配方配方配方配方。在此框架内,用户只需提供特定系统的描述,而无需处理多重限制。我们实施这一框架,并在一个在 $SO(3)\times-mathb{R ⁇ n$和无人驾驶式地面飞行器(UGV)等载地面飞行器过程的全套完全脱离系统,就可以在地面上进行高轨化。

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