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Multi Step Neural Network-Based System Identification and NMPC for an Unmanned Surface Vehicle

人工神经网络 模型预测控制 弹道 计算机科学 欠驱动 无人机 软件部署 控制理论(社会学) 鉴定(生物学) 人工智能 机器人学 非线性系统 系统标识 还原(数学) 控制工程 推论 非线性模型 跟踪(教育) 光学(聚焦) 控制系统 遥控水下航行器 工程类 机器学习 最优控制 系统动力学 追踪 自主系统(数学) 控制(管理) 车辆动力学 功能(生物学)
作者
Yıldırım, Mustafa,Mustafa Mert Ankaralı
出处
期刊:Middle East Technical University - OpenMETU [Middle East Technical University]
摘要

This paper investigates the application of Neural Network (NN)-based system identification for Nonlinear Model Predictive Control (NMPC) of an underactuated Unmanned Surface Vehicle (USV). We focus on practical NMPC implementation by employing neural networks to approximate system dynamics, specifically using a multi-step ahead prediction in a single inference pass. We compare a multi-step MLP predictor and a multi-step LSTM predictor against a conventional recursive single-step prediction approach. Simulations, using data from a Clearpath Robotics Heron USV, demonstrate that multi-step predictors achieve comparable trajectory tracking accuracy to the single-step approach. Critically, the multi-step predictors reduce the computational load of calculating the gradients of the optimal cost function with respect to the control input trajectory by up to an order of magnitude. This significant reduction in computational burden facilitates real-time NMPC implementation and enhances its deployment in dynamic and challenging environments.
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