How to define nonlinear constraints in CVXPY?

Currently I’m doing a project about developing a nonlinear model predictive controller for generating the path of a drone with nonlinear dynamics.

The goal is to use mpc to compute the optimised control in cvxpy in such that the mpc computes the input and moves the system to reach the gaol such as below
start position (x,y,z) = [0 0 0] and end position = [10 10 10]

The problem I have is that I dont know how to formulate the nonlinear dynamic constraint in cvxpy that the mpc computes the next optimised input. The cvxpy requires a dynamic constraint in order to drive the drone toward the goal and without this, the optimised input will be always zero.

I would appreciate if you could help me solve this issue. I have been trying different approaches but not luck.

Below the complete code:

import numpy as np
import matplotlib.pyplot as plt
import cvxpy as cp
from scipy.integrate import solve_ivp

# Define parameters
m = 1.0  # mass of the quadcopter
g = 9.81  # acceleration due to gravity
Ix = 0.1  # moment of inertia around x-axis
Iy = 0.1  # moment of inertia around y-axis
Iz = 0.2  # moment of inertia around z-axis
dt = 0.05  # Time step
N = 20  # Prediction horizon

# Define nonlinear dynamics with control input
def f(x, u):
    F = np.zeros_like(x)
    F[0] = x[3]
    F[1] = x[4]
    F[2] = x[5]
    F[3] = -((np.sin(x[8]) * np.sin(x[6]) + np.cos(x[8]) * np.cos(x[6]) * np.sin(x[7]))*u[0]) / m 
    F[4] = -((np.cos(x[6]) * np.sin(x[8]) - np.cos(x[8]) * np.sin(x[6]) * np.sin(x[7])) * u[0]) / m 
    F[5] = g - ((np.cos(x[8]) * np.cos(x[7]) * u[0]) / m)
    F[6] = x[9]
    F[7] = x[10]
    F[8] = x[11]
    F[9] = ((Iy - Iz) * x[9]*x[10]/Ix) + u[1] / Ix 
    F[10] = ((Iz - Ix) * x[9]*x[10]/Iy) + u[2] / Iy 
    F[11] = ((Iz - Iy) * x[9]*x[10]/Iz) + u[3] / Iz 
    return F

# Wrapper function for solve_ivp
def f_wrapper(t, x, u):
    return f(x, u)

# Define the MPC problem
def mpc_control(x0, pf, N, Q, R):
    # Define variables
    X = cp.Variable((12, N + 1))
    U = cp.Variable((4, N))

    # Define the cost function
    cost = 0
    constraints = []
    constraints += [X[:, 0] == x0]

    for k in range(N):
        state_cost = cp.quad_form(X[:3, k] - pf, Q)
        control_cost = cp.quad_form(U[:, k], R)

        cost += state_cost + control_cost

        # Use solve_ivp to get the state at the next time step
        x_next = solve_ivp(f_wrapper, [0, dt], X[:, k].value, args=(U[:, k].value,), t_eval=[dt]).y[:, -1]
        constraints += [X[:, k+1] == x_next]
        constraints += [U[:, k] >= -10, U[:, k] <= 10]  # Control input constraints

    # Solve the optimization problem
    prob = cp.Problem(cp.Minimize(cost), constraints)
    prob.solve()

    return U[:, 0].value  # Return the first control input

# Initial conditions
p0 = [0, 0, 0]  # Initial position
v0 = [0, 0, 0]  # Initial velocity
angles0 = [0, 0, 0]  # Initial angles (phi, theta, psi)
angular_rates0 = [0, 0, 0]  # Initial angular rates (p, q, r)
x0 = np.array(p0 + v0 + angles0 + angular_rates0)

# Desired final position
pf = np.array([10, 10, 10])

# Control inputs (initially zero)
u = np.array([0, 0, 0, 0])

# Cost matrices
Q = np.eye(3) * 100
R = np.eye(4)

# Number of steps for the simulation
num_steps = 100

# Simulation loop
x = x0
positions = [x]  # Store all 12 states

for i in range(num_steps-1):
    u = mpc_control(x, pf, N, Q, R)
    print(u)
    sol = solve_ivp(f_wrapper, [0, dt], x, args=(u,), t_eval=[dt])
    x = sol.y[:, -1]`

New contributor

Seyed Alawi is a new contributor to this site. Take care in asking for clarification, commenting, and answering.
Check out our Code of Conduct.

Trang chủ Giới thiệu Sinh nhật bé trai Sinh nhật bé gái Tổ chức sự kiện Biểu diễn giải trí Dịch vụ khác Trang trí tiệc cưới Tổ chức khai trương Tư vấn dịch vụ Thư viện ảnh Tin tức - sự kiện Liên hệ Chú hề sinh nhật Trang trí YEAR END PARTY công ty Trang trí tất niên cuối năm Trang trí tất niên xu hướng mới nhất Trang trí sinh nhật bé trai Hải Đăng Trang trí sinh nhật bé Khánh Vân Trang trí sinh nhật Bích Ngân Trang trí sinh nhật bé Thanh Trang Thuê ông già Noel phát quà Biểu diễn xiếc khỉ Xiếc quay đĩa Dịch vụ tổ chức sự kiện 5 sao Thông tin về chúng tôi Dịch vụ sinh nhật bé trai Dịch vụ sinh nhật bé gái Sự kiện trọn gói Các tiết mục giải trí Dịch vụ bổ trợ Tiệc cưới sang trọng Dịch vụ khai trương Tư vấn tổ chức sự kiện Hình ảnh sự kiện Cập nhật tin tức Liên hệ ngay Thuê chú hề chuyên nghiệp Tiệc tất niên cho công ty Trang trí tiệc cuối năm Tiệc tất niên độc đáo Sinh nhật bé Hải Đăng Sinh nhật đáng yêu bé Khánh Vân Sinh nhật sang trọng Bích Ngân Tiệc sinh nhật bé Thanh Trang Dịch vụ ông già Noel Xiếc thú vui nhộn Biểu diễn xiếc quay đĩa Dịch vụ tổ chức tiệc uy tín Khám phá dịch vụ của chúng tôi Tiệc sinh nhật cho bé trai Trang trí tiệc cho bé gái Gói sự kiện chuyên nghiệp Chương trình giải trí hấp dẫn Dịch vụ hỗ trợ sự kiện Trang trí tiệc cưới đẹp Khởi đầu thành công với khai trương Chuyên gia tư vấn sự kiện Xem ảnh các sự kiện đẹp Tin mới về sự kiện Kết nối với đội ngũ chuyên gia Chú hề vui nhộn cho tiệc sinh nhật Ý tưởng tiệc cuối năm Tất niên độc đáo Trang trí tiệc hiện đại Tổ chức sinh nhật cho Hải Đăng Sinh nhật độc quyền Khánh Vân Phong cách tiệc Bích Ngân Trang trí tiệc bé Thanh Trang Thuê dịch vụ ông già Noel chuyên nghiệp Xem xiếc khỉ đặc sắc Xiếc quay đĩa thú vị
Trang chủ Giới thiệu Sinh nhật bé trai Sinh nhật bé gái Tổ chức sự kiện Biểu diễn giải trí Dịch vụ khác Trang trí tiệc cưới Tổ chức khai trương Tư vấn dịch vụ Thư viện ảnh Tin tức - sự kiện Liên hệ Chú hề sinh nhật Trang trí YEAR END PARTY công ty Trang trí tất niên cuối năm Trang trí tất niên xu hướng mới nhất Trang trí sinh nhật bé trai Hải Đăng Trang trí sinh nhật bé Khánh Vân Trang trí sinh nhật Bích Ngân Trang trí sinh nhật bé Thanh Trang Thuê ông già Noel phát quà Biểu diễn xiếc khỉ Xiếc quay đĩa
Thiết kế website Thiết kế website Thiết kế website Cách kháng tài khoản quảng cáo Mua bán Fanpage Facebook Dịch vụ SEO Tổ chức sinh nhật