基于NMPC的地下无人铲运机反应式导航系统 论文

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针对地下无人铲运机反应式导航中存在的转向与回正滞后、以及对宽度变化的弯道适应性较差等问题，提出了一种基于非线性模型预测控制 (NMPC) 的反应式导航系统。该系统的核心是设计了一个基于NMPC算法的反应式导航运动控制器，并针对NMPC控制器所需的局部参考路径，提出了分段式局部路径决策策略与之相匹配。

在NMPC控制器的设计中，采用欧拉法推导了地下铰接式铲运机的非线性预测模型，然后设立了基于铲运机约束条件的优化目标函数来进行最优控制序列的求解。这一过程充分考虑了铲运机在实际操作中的各种约束条件，确保了控制的精确性和适应性。

分段式局部路径决策策略 将地下巷道环境拟合为多种典型作业场景，并根据不同场景提出相应的决策策略。在铲运机行驶过程中，根据预测时域内的巷道环境信息实时调整局部参考路径，然后将这些信息提供给NMPC控制器进行路径跟踪。

通过仿真实验，在不同的仿真环境下对所提出的反应式导航系统进行了验证，并与基于线性时变模型预测控制 (LTV-MPC) 的反应式导航系统进行了对比。仿真结果表明，所提出的地下无人铲运机反应式导航系统能够在较窄巷道内实现自主导航，并能适应宽度变化的巷道。在多种仿真巷道环境中，铲运机与巷道壁的距离最小值为0.73m，且航向误差能够在5秒内由0.89rad收敛至稳定状态，稳态误差趋向稳定。

若读者对NMPC控制程序或其他自主导航相关技术感兴趣，可以查看非线性模型预测控制程序 以及机器人自主导航技术解析 以获取更多技术细节与应用实例。这些资源将有助于理解提出的方法在更广泛应用场景中的潜在可行性和效果。