笔记99:OSQP 求解器示例代码

注1:以下代码是 OSQP 的官方文档提供的示例,我加上了详细的注释;

注2:OSQP 库仅支持C语言,不支持C++,所以下面的示例代码使用的是C语言;但是 OSQP 求解库提供了针对C++的接口 OSQP-EIGEN;


二次规划问题:

二次规划标准形式
二次规划标准形式

代码:

注:涉及到 csc(按列压缩)的方式表达稀疏矩阵,在文章笔记98:按列压缩矩阵 csc_matrix 的 “含义”-CSDN博客有清晰讲解;

#include <stdlib.h>
#include "osqp.h"


int main(int argc, char **argv) {
    /* 加载问题数据 */
    // 使用 csc 方式定义矩阵 P
    OSQPFloat P_x[3] = {4.0, 1.0, 2.0, };
    OSQPInt P_nnz = 3;
    OSQPInt P_i[3] = {0, 0, 1, };
    OSQPInt P_p[3] = {0, 1, 3, };
    // 定义向量 q
    OSQPFloat q[2] = {1.0, 1.0, };
    // 使用 csc 方式定义矩阵 A
    OSQPFloat A_x[4] = {1.0, 1.0, 1.0, 1.0, };
    OSQPInt A_nnz = 4;
    OSQPInt A_i[4] = {0, 1, 0, 2, };
    OSQPInt A_p[3] = {0, 2, 4, };
    // 定义向量 l
    OSQPFloat l[3] = {1.0, 0.0, 0.0, };
    // 定义向量 u
    OSQPFloat u[3] = {1.0, 0.7, 0.7, };
    // 状态变量x的维数
    OSQPInt n = 2;
    // 约束条件数目
    OSQPInt m = 3;


    /* 定义矩阵 */
    /* 作用:初始化稀疏矩阵 P 和 A */
    /*      OSQPCscMatrix 是 OSQP 中用来表示稀疏矩阵的结构体
            malloc(sizeof(OSQPCscMatrix)) 分配了足够的内存空间来存储一个 OSQPCscMatrix 结构体实例
            malloc 函数返回值为一个指向开辟出来的内存空间的指针(如果返回值为 NULL,代表内存分配失败) */
    OSQPCscMatrix* P = (OSQPCscMatrix*) malloc(sizeof(OSQPCscMatrix));
    OSQPCscMatrix* A = (OSQPCscMatrix*) malloc(sizeof(OSQPCscMatrix));


    /* 填充矩阵数据 */
    /* 注意:csc_set_data 函数是需要用户自定义的,OSQP 库中并未定义这个函数 */
    /* 作用:根据稀疏矩阵的三个特征数组,来填充得到稀疏矩阵 P 和 A */
    csc_set_data(A, m, n, A_nnz, A_x, A_i, A_p);
    csc_set_data(P, n, n, P_nnz, P_x, P_i, P_p);


    /* 退出标志 */
    /* 作用:定义退出标志变量,用于检查求解器的状态解 */
    /*          为0  -- 求解器成功求解
                为1  -- 问题无解
                为-1 -- 到达最大迭代次数,问题未能解决 */
    OSQPInt exitflag = 0;


    /* 定义求解器,设置 */
    OSQPSolver   *solver;       // 指针变量solver   -- 指向一个初始化的求解器实例
    OSQPSettings *settings;     // 指针变量settings -- 用于存储求解器的各个设置参数(收敛容差 / 最大迭代次数 ...)


    /* 初始化 OSQP 求解器的设置参数 */
    settings = (OSQPSettings *)malloc(sizeof(OSQPSettings));        // 动态分配内存,并将 malloc 函数的返回值强制转化为 OSQPSettings* 类型
    if (settings) {                                                 // 检查内存分配是否成功(是否为 NULL)
        osqp_set_default_settings(settings);                        // 用 OSQP 自带的 osqp_set_default_settings 函数初始化 settings 的所有值,均取默认值
        settings->alpha = 1.0;                                      // 修改 OSQP 求解器的松弛参数
    }


    /* 初始化 OSQP 求解器的所有参数 */
    exitflag = osqp_setup(&solver, P, q, A, l, u, m, n, settings);  // 调用 OSQP 自带的 osqp_setup 函数初始化求解器;
                                                                    // 若初始化成功则返回0,若失败则返回非零值;


    /* 求解问题 */
    if (!exitflag) exitflag = osqp_solve(solver);                   // 调用 OSQP 自带的 osqp_solve 函数进行求解


    /* 访问求解结果 */
    // 注:osqp_solve 函数的结果会放在 OSQPSolver 结构体的成员变量中;具体来说,OSQPSolver 结构体包含一个指向 OSQPWorkspace 结构体的指针 work,而 OSQPWorkspace 结构体包含求解结果和其他相关信息
    /* OSQPWorkspace 结构体包含求解器工作区的所有数据,包括求解结果。以下是一些关键成员变量:
        x: 指向解向量 x 的指针,即优化变量的值;
        y: 指向对偶变量(拉格朗日乘数)向量 y 的指针;
        info: 指向 OSQPInfo 结构体的指针,包含有关求解过程的信息(例如迭代次数、状态等); */
    if (!exitflag) {
        OSQPFloat *solution = solver->work->solution->x;    // 优化变量 x
        OSQPFloat *dual_vars = solver->work->solution->y;   // 对偶变量 y

        // 输出解向量 x
        for (int i = 0; i < 2; i++) { printf("%f\n", solution[i]); }
        // 输出对偶变量 y
        for (int i = 0; i < 3; i++) { printf("%f\n", dual_vars[i]); }
    }


    /* 清理内存 */
    osqp_cleanup(solver);
    if (A) free(A);
    if (P) free(P);
    if (settings) free(settings);


    return (int)exitflag;
};

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