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  • 局部路径规划

    千次阅读 2018-12-24 14:40:15
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  • ROS常用局部路径规划算法比较

    千次阅读 2021-06-07 20:07:39
    本博文主要讨论ROS导航包中集成的局部路径规划算法,DWA、TEB、MPC等算法在使用过程中的各自的优缺点。以下均为自己在使用过程中总结的经验及查阅资料得来,如有理解不到位的地方,还希望在评论区多多讨论。 1. 动态...

    本博文主要讨论ROS导航包中集成的局部路径规划算法,DWA、TEB、MPC等算法在使用过程中的各自的优缺点。以下均为自己在使用过程中总结的经验及查阅资料得来,如有理解不到位的地方,还希望在评论区多多讨论。

    1. 动态窗口法(DWA)

    算法简介:
    DWA算法全称为dynamic window approach,其原理主要是在速度空间(v,w)中采样多组速度,并模拟出这些速度在一定时间内的运动轨迹,并通过评价函数对这些轨迹进行评价,选取最优轨迹对应的速度驱动机器人运动。

    动态窗口法与ROS默认局部路径规划算法TrajectoryPlanner类似,不同之处在于对机器人控制空间的采样:在给定机器人的加速度极限的情况下,TrajectoryPlanner在整个前向模拟周期内从可实现的速度集合中进行采样,而DWA在给定机器人的加速度极限的情况下仅针对一个模拟步骤从可实现的速度集合中进行采样。在实际使用过程中,TrajectoryPlanner和DWA算法效果类似,但是DWA算法更加高效,占用内存更少,所以在这两种算法中间一般直接选择DWA。

    DWA算法在ROS中为dwa_local_planner
    DWA算法分析参考博文DWA算法分析及实现

    优点:

    • 计算复杂度低:考虑到速度和加速度的限制,只有安全的轨迹会被考虑,且每次采样的时间较短,因此轨迹空间较小
    • 可以实现避障:可以实时避障,但是避障效果一般
    • 适用与差分和全向车模

    缺点:

    • 前瞻性不足:只模拟并评价了下一步,如在机器人前段遇见“C”字形障碍时,不能很好的避障
    • 动态避障效果差: 模拟运动轨迹断,动态避障效果差
    • 非全局最优路径: 每次都选择下一步的最佳路径,而非全局最优路径
    • 不适用于阿克曼模型车模

    2. 时间弹性带(TEB)

    算法简介:
    TEB全称为Time Elastic Band,算法浅析参考博文TEB浅析,文中关于eletic band(橡皮筋)的定义:连接起始、目标点,并让这个路径可以变形,变形的条件就是将所有约束当做橡皮筋的外力。关于time eletic band的简述:起始点、目标点状态由用户/全局规划器指定,中间插入N个控制橡皮筋形状的控制点(机器人姿态),当然,为了显示轨迹的运动学信息,我们在点与点之间定义运动时间Time,即为Timed-Elastic-Band算法。通过此方法可以把问题描述为一个多目标优化问题,通过构建超图(hyper-graph),使用g2o框架中的图优化来求解。

    TEB算法在ROS中为teb_local_planner
    TEB算法分析参考以上链接中所列论文如图
    参考论文
    亦可参考博文TEB轨迹优化算法-代码解析
    针对速度障碍模型(VO)参考博文VO避障

    优点:

    • 适用于各种常见车模:如差分、全向、阿克曼模型
    • 有很强的前瞻性: 对前方一段轨迹进行优化
    • 动态避障: 对动态障碍有较好的避障效果,可直接使用其封装好障碍类Obstacle
      如:静态障碍时TEB算法轨迹规划效果
      静态障碍
      当障碍有个0.15m/s向右的速度时,TEB算法轨迹规划效果如下图
      在这里插入图片描述

    缺点:

    • 计算复杂度较大:可通过牺牲预测距离来降低复杂度
    • 速度和角度波动较大、控制不稳定: 源码中是通过两状态之间的距离和角度差及时间差来计算该控制周期内的速度和角速度,使得在控制过程中速度和角度波动较大,如下图所示。在计算资源足够的情况下,提高控制频率可以改善此现象。
      在这里插入图片描述
    • 非全局最优: 但是好于DWA

    改进策略
    针对其控制不稳定问题,主要原因是每个控制周期内,速度变化较大。一种方法是提高控制频率,另一种方法是使用优化的方法,即修改TEB算法的评价函数,把每次速度和角度的变化量除以时间再乘一个代价系数。

    3. 模型预测控制(MPC)

    算法简介
    MPC(Model Predictive Control)与上文提到的DWA和TEB算法不同,MPC只是一个控制器,在自动驾驶领域,其与PID控制器一样,控制器输入包括车辆下一步的运行轨迹,车辆的当前状态,输出是速度和转角。不同之处在于,PID控制器是实时处理当前车辆与目标轨迹的差距来调整输出,使车辆接近目标轨迹,而MPC控制器将未来一个时间段 t 分成 N 个节点,预测每个节点的车辆状态,再调整控制器的输出使车辆尽可能接近参考轨迹。相比于PID控制器的单输入单输出特性,模型预测控制更加适用于多输入多输出的复杂控制系统,可以通过调参,使得车辆的控制更加平稳、更接近于期望轨迹等。

    MPC参考博文基于阿克曼模型和差速模型小车的MPC算法推到及分析
    MPC在ros中为mpc_local_planner

    优缺点:
    目前正在调试MPC,由于现在对MPC的认知还不是太深刻所以具体调试效果及调试经验日后分享,敬请期待。

    展开全文
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    移动这一简单动作,对于人类来说相当容易,但对机器人而言就变得极为复杂,说到机器人移动就不得不提到路径规划,路径规划是移动机器人导航最基本的环节,指的是机器人在有障碍物的工作环境中,如何找到一条从起点到终点适当的运动路径,使机器人在运动过程中能安全、无碰撞地绕过所有障碍物。这不同于用动态规划等方法求得的最短路径,而是指移动机器人能对静态及动态环境作出综合性判断,进行智能决策。

    机器人路径规划图

    总的来说,路径规划主要涉及这3大问题:①明确起点位置及终点;②规避障碍物;③尽可能的做到路径上的优化。

    机器人路径规划有全局与局部规划之分

    根据对环境信息的掌握程度不同,机器人路径规划可分为全局路径规划和局部路径规划。

    思岚机器人路径规划图

    全局路径规划是在已知的环境中,给机器人规划一条路径,路径规划的精度取决于环境获取的准确度,全局路径规划可以找到最优解,但是需要预先知道环境的准确信息,当环境发生变化,如出现未知障碍物时,该方法就无能为力了。它是一种事前规划,因此对机器人系统的实时计算能力要求不高,虽然规划结果是全局的、较优的,但是对环境模型的错误及噪声鲁棒性差。

    而局部路径规划则环境信息完全未知或有部分可知,侧重于考虑机器人当前的局部环境信息,让机器人具有良好的避障能力,通过传感器对机器人的工作环境进行探测,以获取障碍物的位置和几何性质等信息,这种规划需要搜集环境数据,并且对该环境模型的动态更新能够随时进行校正,局部规划方法将对环境的建模与搜索融为一体,要求机器人系统具有高速的信息处理能力和计算能力,对环境误差和噪声有较高的鲁棒性,能对规划结果进行实时反馈和校正,但是由于缺乏全局环境信息,所以规划结果有可能不是最优的,甚至可能找不到正确路径或完整路径。 

    全局路径规划和局部路径规划并没有本质上的区别,很多适用于全局路径规划的方法经过改进也可以用于局部路径规划,而适用于局部路径规划的方法同样经过改进后也可适用于全局路径规划。两者协同工作,机器人可更好的规划从起始点到终点的行走路径。

    A*与D*机器人路径规划算法介绍

    在实际情况中,机器人路径规划除了考虑已知环境和未知环境地图,还要考虑到动态和静态环境下的路径规划。

    A*(A-Star)算法是一种静态路网中求解最短路径最有效的直接搜索方法,也是解决许多搜索问题的有效算法。算法中的距离估算值与实际值越接近,最终搜索速度越快。但是,A*算法同样也可用于动态路径规划当中,只是当环境发生变化时,需要重新规划路线。

    机器人路径规划之A算法

    而D*算法则是一种动态启发式路径搜索算法,它事先对环境位置,让机器人在陌生环境中行动自如,在瞬息万变的环境中游刃有余。D*算法的最大优点是不需要预先探明地图,机器人可以和人一样,即使在未知环境中,也可以展开行动,随着机器人不断探索,路径也会时刻调整。

    综上所述,移动机器人路径规划技术已经取得了可观的成绩,但是,在其全局与局部路径规划方法中仍然存在诸多不足之处,为此,国内也有针对这类算法的改进,采用SLAMWARE模块化自主定位导航,改良的D*算法进行路径规划,这也是美国火星探测器采用的核心寻路算法。是一种动态启发式路径搜索算法,它可以让机器人在未知环境中行走自如,在环境多变的情况下游刃有余。

     

     


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    双目避障    

    单目避障是否可行?

     

    全局路径规划有RRT、A*、D*。

    局部路径规划有DWA、TEB。

    控制有 MPC。

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