Nonlinear Dynamic Modeling and Receding-Horizon NMPC of an Electric Unicycle on a Tensioned Cable
作者: Yousef Sweiti, Jasem Tamimi
分类: eess.SY
发布日期: 2026-09-21
期刊: Journal of the Franklin Institute, 363(15), 109057 (2026)
DOI: 10.1016/j.jfranklin.2026.109057
💡 一句话要点
提出非线性动态建模与预测控制以解决电动独轮车在张紧电缆上的行驶问题
🎯 匹配领域: 支柱一：机器人控制 (Robot Control)
关键词: 电动独轮车 非线性建模 模型预测控制 柔性结构 动态耦合 有限元方法 控制系统
📋 核心要点
- 现有方法在车辆与柔性结构交互时，难以有效处理运动与振动之间的复杂耦合。
- 本文提出了一种非线性建模与约束预测控制框架，能够有效调节电动独轮车在张紧电缆上的行驶与平衡。
- 数值实验表明，该方法在多种场景下均能实现稳定的行驶与振动抑制，且计算效率显著提升。
📝 摘要（中文）
在柔性细长结构上行驶涉及车辆运动与结构振动之间的强双向耦合。本文提出了一种非线性建模与控制框架，用于电动独轮车在张紧柔性电缆上的行驶。电缆采用以张力为主的有限元模型，保留垂直和横向的横向动态，并通过移动接触运动学与独轮车的滚转和俯仰动态耦合。通过模态截断，得到了一个控制导向的降阶模型，保留了非线性车辆-电缆耦合。基于该模型，设计了一种约束非线性模型预测控制器，以调节行驶、平衡、执行器限制和电缆跨度约束。引入了一种冻结空间接触点插值策略，以减少与移动接触插值相关的计算负担。数值研究表明，在各种场景下，该方法能准确实现行驶、滚转和俯仰稳定，减小电缆振动，并保持约束一致的闭环行为。
🔬 方法详解
问题定义：本文旨在解决电动独轮车在张紧电缆上行驶时，车辆运动与电缆振动之间的复杂耦合问题。现有方法在处理这种双向耦合时，往往面临计算负担重和控制效果差的挑战。
核心思路：论文提出了一种基于非线性动态模型的控制框架，通过模态截断得到降阶模型，保留车辆与电缆之间的非线性耦合特性，从而实现更高效的控制。
技术框架：整体架构包括电缆的有限元建模、车辆动态建模、模态截断、以及基于该模型的约束非线性模型预测控制器（NMPC）。该框架通过引入冻结插值策略，降低了计算复杂度。
关键创新：最重要的技术创新在于引入了冻结空间接触点插值策略，显著减少了NMPC的计算时间，相较于传统方法，提升了计算效率和控制精度。
关键设计：在模型设计中，采用了张力主导的有限元方法，确保了电缆的动态特性被准确捕捉；同时，控制器设计中考虑了执行器限制和电缆跨度约束，确保了控制的实用性和安全性。
🖼️ 关键图片
📊 实验亮点
实验结果表明，所提出的方法在名义、干扰、约束和模型不匹配场景下均能实现准确的行驶、滚转和俯仰稳定，电缆振动得到了有效抑制。与非冻结插值方法相比，计算时间显著减少，支持了其在实际应用中的可行性。
🎯 应用场景
该研究的潜在应用领域包括电动独轮车、机器人行驶控制以及其他需要在柔性结构上进行动态行驶的系统。其创新的建模与控制方法能够为相关领域提供新的解决方案，提升系统的稳定性与安全性。
📄 摘要（原文）
Traversing flexible slender structures involves strong bidirectional coupling between vehicle motion and structural vibration caused by a moving contact point. This paper presents a nonlinear modeling-and-control framework for an electric unicycle traversing a tensioned flexible cable. The cable is modeled using a tension-dominated finite-element formulation retaining vertical and lateral transverse dynamics, and is coupled to the unicycle roll and pitch dynamics through moving-contact kinematics. A modal truncation yields a control-oriented reduced-order model that preserves the nonlinear vehicle--cable coupling. Based on this model, a constrained nonlinear model predictive controller is formulated to regulate traversal, balance, actuator limits, and cable-span constraints. To reduce the computational burden associated with moving-contact interpolation, a frozen spatial contact-point interpolation strategy is introduced for the NMPC prediction model. Numerical studies under nominal, disturbed, constrained, and model-mismatch scenarios show accurate traversal, roll and pitch stabilization, attenuation of cable vibrations, and constraint-consistent closed-loop behavior. The frozen-interpolation formulation reduces and regularizes NMPC computation times relative to the non-frozen formulation, supporting its use as a computationally tractable approach for finite-element-based moving-contact vehicle--structure interaction systems.