模型预测控制（MPC）已成为高性能自治系统嵌入式控制的流行框架。但是，为了使用MPC实现良好的控制性能，准确的动力学模型是关键。为了维持实时操作，嵌入式系统上使用的动力学模型仅限于简单的第一原则模型，该模型实质上限制了其代表性。与此类简单模型相反，机器学习方法，特别是神经网络，已被证明可以准确地建模复杂的动态效果，但是它们的较大的计算复杂性阻碍了与快速实时迭代环路的组合。通过这项工作，我们提出了实时神经MPC，这是一个将大型复杂的神经网络体系结构作为动态模型的框架，在模型预测性控制管道中。 ，展示了所描述的系统的功能，可以使用基于梯度的在线优化MPC运行以前不可行的大型建模能力。与在线优化MPC中神经网络的先前实现相比，我们可以利用嵌入式平台上50Hz实时窗口中的4000倍的型号。此外，与没有神经网络动力学的最新MPC方法相比，我们通过将位置跟踪误差降低多达82％，从而显示了对现实世界问题的可行性。

敏锐环境中的敏捷四号飞行有可能彻底改变运输，运输和搜索和救援应用。非线性模型预测控制（NMPC）最近显示了敏捷四足电池控制的有希望的结果，但依赖于高度准确的模型以获得最大性能。因此，模拟了非模型复杂空气动力学效果，不同有效载荷和参数错配的形式的不确定性将降低整体系统性能。本文提出了L1-NMPC，一种新型混合自适应NMPC，用于在线学习模型不确定性，并立即弥补它们，大大提高了与非自适应基线的性能，最小计算开销。我们所提出的体系结构推广到许多不同的环境，我们评估风，未知的有效载荷和高度敏捷的飞行条件。所提出的方法展示了巨大的灵活性和鲁棒性，在大未知干扰下的非自适应NMPC和没有任何增益调整的情况下，超过90％的跟踪误差减少。此外，相同的控制器具有相同的增益可以准确地飞行高度敏捷的赛车轨迹，该轨迹展示最高速度为70公里/小时，相对于非自适应NMPC基线提供约50％的跟踪性能提高。

在这项工作中，我们考虑使用应用于四逆床控制的模型预测控制（MPC）导出和加入准确动态模型的问题。 MPC依赖于精确的动态模型来实现所需的闭环性能。然而，在复杂系统中存在不确定性以及他们在其运行的环境中的存在在获得对系统动态的充分准确表示方面构成挑战。在这项工作中，我们利用深度学习工具，基于知识的神经常规方程（KNODE），增强了从第一原理获得的模型。由此产生的混合模型包括来自模拟或现实世界实验数据的标称第一原理模型和神经网络。使用四轮压力机，我们将混合模型用于针对最先进的高斯过程（GP）模型，并表明混合模型提供了Quadrotor动态的更准确的预测，并且能够概括超出训练数据。为了提高闭环性能，混合模型集成到新的MPC框架中，称为KNODE-MPC。结果表明，就轨迹跟踪性能而言，综合框架在物理实验中达到了60.2％的仿真和21％以上。

准确地建模四极管的系统动力学对于保证敏捷，安全和稳定的导航至关重要。该模型需要在多个飞行机制和操作条件下捕获系统行为，包括产生高度非线性效应的那些，例如空气动力和扭矩，转子相互作用或可能的系统配置修改。经典方法依靠手工制作的模型并努力概括和扩展以捕获这些效果。在本文中，我们介绍了一种新型的物理启发的时间卷积网络（PI-TCN）方法，用于学习四极管的系统动力学，纯粹是从机器人体验中学习的。我们的方法结合了稀疏时间卷积的表达力和密集的进料连接，以进行准确的系统预测。此外，物理限制嵌入了培训过程中，以促进网络对培训分布以外数据的概括功能。最后，我们设计了一种模型预测控制方法，该方法结合了学习的动力学，以完全利用学习范围的方式，以完全利用学习模型预测的准确闭环轨迹跟踪。实验结果表明，我们的方法可以准确地从数据中提取四四光动力学的结构，从而捕获对经典方法隐藏的效果。据我们所知，这是物理启发的深度学习成功地应用于时间卷积网络和系统识别任务，同时同时实现了预测性控制。

二次运动的准确轨迹跟踪控制对于在混乱环境中的安全导航至关重要。但是，由于非线性动态，复杂的空气动力学效应和驱动约束，这在敏捷飞行中具有挑战性。在本文中，我们通过经验比较两个最先进的控制框架：非线性模型预测控制器（NMPC）和基于差异的控制器（DFBC），通过以速度跟踪各种敏捷轨迹，最多20 m/s（即72 km/h）。比较在模拟和现实世界环境中进行，以系统地评估这两种方法从跟踪准确性，鲁棒性和计算效率的方面。我们以更高的计算时间和数值收敛问题的风险来表明NMPC在跟踪动态不可行的轨迹方面的优势。对于这两种方法，我们还定量研究了使用增量非线性动态反演（INDI）方法添加内环控制器的效果，以及添加空气动力学阻力模型的效果。我们在世界上最大的运动捕获系统之一中进行的真实实验表明，NMPC和DFBC的跟踪误差降低了78％以上，这表明有必要使用内环控制器和用于敏捷轨迹轨迹跟踪的空气动力学阻力模型。

在这项工作中，我们考虑了在线环境中提高模型预测控制（MPC）动态模型准确性的任务。即使可以学习预测模型并将其应用于基于模型的控制器，但这些模型也经常离线学习。在此离线环境中，首先收集培训数据，并通过详细的培训程序来学习预测模型。将模型训练至所需的精度后，然后将其部署到模型预测控制器中。但是，由于模型是离线学习的，因此它不适合部署过程中观察到的干扰或模型错误。为了提高模型和控制器的适应性，我们提出了一个在线动力学学习框架，该框架不断提高部署过程中动态模型的准确性。我们采用基于知识的神经普通微分方程（KNODE）作为动态模型，并使用受转移学习启发的技术来不断提高模型的准确性。我们通过四型机器人证明了框架的功效，并在模拟和物理实验中验证框架。结果表明，所提出的方法能够说明可能段时间变化的干扰，同时保持良好的轨迹跟踪性能。

在腿部机器人技术中，计划和执行敏捷的机动演习一直是一个长期的挑战。它需要实时得出运动计划和本地反馈政策，以处理动力学动量的非物质。为此，我们提出了一个混合预测控制器，该控制器考虑了机器人的致动界限和全身动力学。它将反馈政策与触觉信息相结合，以在本地预测未来的行动。由于采用可行性驱动的方法，它在几毫秒内收敛。我们的预测控制器使Anymal机器人能够在现实的场景中生成敏捷操作。关键要素是跟踪本地反馈策略，因为与全身控制相反，它们达到了所需的角动量。据我们所知，我们的预测控制器是第一个处理驱动限制，生成敏捷的机动操作以及执行低级扭矩控制的最佳反馈策略，而无需使用单独的全身控制器。

空中操纵的生长场通常依赖于完全致动的或全向微型航空车（OMAV），它们可以在与环境接触时施加任意力和扭矩。控制方法通常基于无模型方法，将高级扳手控制器与执行器分配分开。如有必要，在线骚扰观察员拒绝干扰。但是，虽然是一般，但这种方法通常会产生次优控制命令，并且不能纳入平台设计给出的约束。我们提出了两种基于模型的方法来控制OMAV，以实现轨迹跟踪的任务，同时拒绝干扰。第一个通过从实验数据中学到的模型来优化扳手命令并补偿模型错误。第二个功能优化了低级执行器命令，允许利用分配无空格并考虑执行器硬件给出的约束。在现实世界实验中显示和评估两种方法的疗效和实时可行性。

策略搜索和模型预测控制〜（MPC）是机器人控制的两个不同范式：策略搜索具有使用经验丰富的数据自动学习复杂策略的强度，而MPC可以使用模型和轨迹优化提供最佳控制性能。开放的研究问题是如何利用并结合两种方法的优势。在这项工作中，我们通过使用策略搜索自动选择MPC的高级决策变量提供答案，这导致了一种新的策略搜索 - 用于模型预测控制框架。具体地，我们将MPC作为参数化控制器配制，其中难以优化的决策变量表示为高级策略。这种制定允许以自我监督的方式优化政策。我们通过专注于敏捷无人机飞行中的具有挑战性的问题来验证这一框架：通过快速的盖茨飞行四轮车。实验表明，我们的控制器在模拟和现实世界中实现了鲁棒和实时的控制性能。拟议的框架提供了合并学习和控制的新视角。

模型预测控制（MPC）是一种最先进的（SOTA）控制技术，需要迭代地解决硬约束优化问题。对于不确定的动态，基于分析模型的强大MPC施加了其他约束，从而增加了问题的硬度。当需要在较少的时间内需要更多计算时，问题会加剧性能至关重要的应用程序。过去已经提出了数据驱动的回归方法，例如神经网络，以近似系统动力学。但是，在没有符号分析先验的情况下，此类模型依赖于大量标记的数据。这会产生非平凡的培训间接开销。物理知识的神经网络（PINN）以合理的精度获得了近似的普通微分方程（ODE）的非线性系统的吸引力。在这项工作中，我们通过PINNS（RAMP-NET）提出了一个强大的自适应MPC框架，该框架使用了一种神经网络，部分从简单的ODE中训练，部分是由数据训练的。物理损失用于学习代表理想动态的简单odes。访问损失函数内部的分析功能是正常化的，为参数不确定性执行了可靠的行为。另一方面，定期数据丢失用于适应剩余的干扰（非参数不确定性），在数学建模过程中未被误解。实验是在模拟环境中进行的，以进行四轨的轨迹跟踪。与两种基于SOTA回归的MPC方法相比，我们报告了7.8％至43.2％和8.04％和8.04％至61.5％的跟踪误差的降低。

在粗糙的地形上的动态运动需要准确的脚部放置，避免碰撞以及系统的动态不足的计划。在存在不完美且常常不完整的感知信息的情况下，可靠地优化此类动作和互动是具有挑战性的。我们提出了一个完整的感知，计划和控制管道，可以实时优化机器人所有自由度的动作。为了减轻地形所带来的数值挑战，凸出不平等约束的顺序被提取为立足性可行性的局部近似值，并嵌入到在线模型预测控制器中。每个高程映射预先计算了步骤性分类，平面分割和签名的距离场，以最大程度地减少优化过程中的计算工作。多次射击，实时迭代和基于滤波器的线路搜索的组合用于可靠地以高速率解决该法式问题。我们在模拟中的间隙，斜率和踏上石头的情况下验证了所提出的方法，并在Anymal四倍的平台上进行实验，从而实现了最新的动态攀登。

我们提出了通过现实的模拟和现实世界实验来支持可复制研究的多运动无人机控制（UAV）和估计系统。我们提出了一个独特的多帧本地化范式，用于同时使用多个传感器同时估算各种参考框架中的无人机状态。该系统可以在GNSS和GNSS贬低的环境中进行复杂的任务，包括室外室内过渡和执行冗余估计器，以备份不可靠的本地化源。提出了两种反馈控制设计：一个用于精确和激进的操作，另一个用于稳定和平稳的飞行，并进行嘈杂的状态估计。拟议的控制和估计管道是在3D中使用Euler/Tait-Bryan角度表示的，而无需使用Euler/Tait-Bryan角度表示。取而代之的是，我们依靠旋转矩阵和一个新颖的基于标题的惯例来代表标准多电流直升机3D中的一个自由旋转自由度。我们提供了积极维护且有据可查的开源实现，包括对无人机，传感器和本地化系统的现实模拟。拟议的系统是多年应用系统，空中群，空中操纵，运动计划和遥感的多年研究产物。我们所有的结果都得到了现实世界中的部署的支持，该系统部署将系统塑造成此处介绍的表单。此外，该系统是在我们团队从布拉格的CTU参与期间使用的，该系统在享有声望的MBZIRC 2017和2020 Robotics竞赛中，还参加了DARPA SubT挑战赛。每次，我们的团队都能在世界各地最好的竞争对手中获得最高位置。在每种情况下，挑战都促使团队改善系统，并在紧迫的期限内获得大量高质量的体验。

子格式微型航空车（MAV）中的准确而敏捷的轨迹跟踪是具有挑战性的，因为机器人的小规模会引起大型模型不确定性，要求强大的反馈控制器，而快速的动力学和计算约束则阻止了计算上昂贵的策略的部署。在这项工作中，我们提出了一种在MIT SoftFly（一个子）MAV（0.7克）上进行敏捷和计算有效轨迹跟踪的方法。我们的策略采用了级联的控制方案，在该方案中，自适应态度控制器与受过训练的神经网络政策相结合，以模仿轨迹跟踪可靠的管模型模型预测控制器（RTMPC）。神经网络政策是使用我们最近的工作获得的，这使该政策能够保留RTMPC的稳健性，但以其计算成本的一小部分。我们通过实验评估我们的方法，即使在更具挑战性的操作中，达到均方根误差也低于1.8 cm，与我们先前的工作相比，最大位置误差减少了60％，并证明了对大型外部干扰的稳健性

该论文提出了两种控制方法，用于用微型四轮驱动器进行反弹式操纵。首先，对专门为反转设计设计的现有前馈控制策略进行了修订和改进。使用替代高斯工艺模型的贝叶斯优化通过在模拟环境中反复执行翻转操作来找到最佳运动原语序列。第二种方法基于闭环控制，它由两个主要步骤组成：首先，即使在模型不确定性的情况下，自适应控制器也旨在提供可靠的参考跟踪。控制器是通过通过测量数据调整的高斯过程来增强无人机的标称模型来构建的。其次，提出了一种有效的轨迹计划算法，该算法仅使用二次编程来设计可行的轨迹为反弹操作设计。在模拟和使用BitCraze Crazyflie 2.1四肢旋转器中对两种方法进行了分析。

由于机器人动力学中的固有非线性，腿部机器人全身动作的在线计划具有挑战性。在这项工作中，我们提出了一个非线性MPC框架，该框架可以通过有效利用机器人动力学结构来在线生成全身轨迹。Biconmp用于在真正的四倍机器人上生成各种环状步态，其性能在不同的地形上进行了评估，对抗不同步态之间的不可预见的推动力并在线过渡。此外，提出了双孔在机器人上产生非平凡无环的全身动态运动的能力。同样的方法也被用来在人体机器人（TALOS）上产生MPC的各种动态运动，并在模拟中产生另一个四倍的机器人（Anymal）。最后，报告并讨论了对计划范围和频率对非线性MPC框架的影响的广泛经验分析。

过去半年来，从控制和强化学习社区的真实机器人部署的安全学习方法的贡献数量急剧上升。本文提供了一种简洁的但整体审查，对利用机器学习实现的最新进展，以实现在不确定因素下的安全决策，重点是统一控制理论和加固学习研究中使用的语言和框架。我们的评论包括：基于学习的控制方法，通过学习不确定的动态，加强学习方法，鼓励安全或坚固性的加固学习方法，以及可以正式证明学习控制政策安全的方法。随着基于数据和学习的机器人控制方法继续获得牵引力，研究人员必须了解何时以及如何最好地利用它们在安全势在必行的现实情景中，例如在靠近人类的情况下操作时。我们突出了一些开放的挑战，即将在未来几年推动机器人学习领域，并强调需要逼真的物理基准的基准，以便于控制和加固学习方法之间的公平比较。

Force modulation of robotic manipulators has been extensively studied for several decades. However, it is not yet commonly used in safety-critical applications due to a lack of accurate interaction contact modeling and weak performance guarantees - a large proportion of them concerning the modulation of interaction forces. This study presents a high-level framework for simultaneous trajectory optimization and force control of the interaction between a manipulator and soft environments, which is prone to external disturbances. Sliding friction and normal contact force are taken into account. The dynamics of the soft contact model and the manipulator are simultaneously incorporated in a trajectory optimizer to generate desired motion and force profiles. A constrained optimization framework based on Alternative Direction Method of Multipliers (ADMM) has been employed to efficiently generate real-time optimal control inputs and high-dimensional state trajectories in a Model Predictive Control fashion. Experimental validation of the model performance is conducted on a soft substrate with known material properties using a Cartesian space force control mode. Results show a comparison of ground truth and real-time model-based contact force and motion tracking for multiple Cartesian motions in the valid range of the friction model. It is shown that a contact model-based motion planner can compensate for frictional forces and motion disturbances and improve the overall motion and force tracking accuracy. The proposed high-level planner has the potential to facilitate the automation of medical tasks involving the manipulation of compliant, delicate, and deformable tissues.

神经网络已越来越多地用于模型预测控制器（MPC）来控制非线性动态系统。但是，MPC仍然提出一个问题，即可实现的更新率不足以应对模型不确定性和外部干扰。在本文中，我们提出了一种新颖的控制方案，该方案可以使用MPC的神经网络动力学设计最佳的跟踪控制器，从而使任何现有基于模型的Feedforward Controller的插件扩展程序都可以应用于插件。我们还描述了我们的方法如何处理包含历史信息的神经网络，该信息不遵循一般的动态形式。该方法通过其在外部干扰的经典控制基准中的性能进行评估。我们还扩展了控制框架，以应用于具有未知摩擦的积极自主驾驶任务。在所有实验中，我们的方法的表现都优于比较的方法。我们的控制器还显示出低控制的水平，表明我们的反馈控制器不会干扰MPC的最佳命令。

通常，地形几何形状是非平滑的，非线性的，非凸的，如果通过以机器人为中心的视觉单元感知，则似乎部分被遮住且嘈杂。这项工作介绍了能够实时处理上述问题的完整控制管道。我们制定了一个轨迹优化问题，该问题可以在基本姿势和立足点上共同优化，但要遵守高度图。为了避免收敛到不良的本地Optima，我们部署了逐步的优化技术。我们嵌入了一个紧凑的接触式自由稳定性标准，该标准与非平板地面公式兼容。直接搭配用作转录方法，导致一个非线性优化问题，可以在少于十毫秒内在线解决。为了在存在外部干扰的情况下增加鲁棒性，我们用动量观察者关闭跟踪环。我们的实验证明了爬楼梯，踏上垫脚石上的楼梯，并利用各种动态步态在缝隙上。

在腿的运动中重新规划对于追踪所需的用户速度，在适应地形并拒绝外部干扰的同时至关重要。在这项工作中，我们提出并测试了实验中的实时非线性模型预测控制（NMPC），用于腿部机器人，以实现各种地形上的动态运动。我们引入了一种基于移动性的标准来定义NMPC成本，增强了二次机器人的运动，同时最大化腿部移动性并提高对地形特征的适应。我们的NMPC基于实时迭代方案，使我们能够以25美元的价格重新计划在线，\ Mathrm {Hz} $ 2 $ 2 $ 2美元的预测地平线。我们使用在质量框架中心中定义的单个刚体动态模型，以提高计算效率。在仿真中，测试NMPC以横穿一组不同尺寸的托盘，走进V形烟囱，并在崎岖的地形上招揽。在真实实验中，我们展示了我们的NMPC与移动功能的有效性，使IIT为87美元\，\ Mathrm {kg} $四分之一的机器人HIQ，以实现平坦地形上的全方位步行，横穿静态托盘，并适应在散步期间重新定位托盘。