有限感知下变形四旋翼在超窄通道中基于约束MPC的运动规划
机器人学
2026-05-18 v1 系统与控制
系统与控制
摘要
本文介绍了一个运动规划框架，用于在极度受限的环境中为变形四旋翼规划形态和轨迹。我们为非线性模型预测控制（MPC）开发了一种新颖的避障代价函数，使其能够在2D激光雷达（LiDAR）的有限感知下穿越极窄的间隙。经典的基于人工势场的代价通常在狭窄通道中具有高代价，从而人为地阻塞了可通行路径。相比之下，我们提出了一种平滑的指数障碍物代价，它在狭窄间隙内保持低穿越代价，同时维持强大的避碰行为。该公式避免了硬激活阈值，并引入了一个代价缩减因子以降低狭窄通道内的代价。在MPC中直接使用2D激光雷达测量值，允许围绕任意形状的障碍物进行导航。该方法嵌入在基于acados的非线性MPC框架中。仿真和实验结果表明，在典型排斥代价函数会失效的狭窄走廊中，该方法能成功穿越。该方法为在保持与障碍物安全距离的同时穿越狭窄空间提供了一种计算高效且实用的解决方案。虽然我们在变形四旋翼上实现了该框架，但该代价函数公式是通用的，适用于任何移动机器人应用，并不限于变形四旋翼。实现代码可在\href{https://github.com/harshjmodi1996/morphocopter_mpc}{Github Repo}获取，简短视频可在\href{https://zh.engr.tamu.edu/wp-content/uploads/sites/310/2026/03/MPC_MorphoCopter_video.mp4}{Video Link}观看。
引用
@article{arxiv.2605.15999,
title = {Constrained MPC-Based Motion Planning for Morphing Quadrotors in Ultra-Narrow Passages under Limited Perception},
author = {Harsh Modi and Xiao Liang and Minghui Zheng},
journal= {arXiv preprint arXiv:2605.15999},
year = {2026}
}