路径规划问题具有哪些特点?_路线小结

1 路径规划和轨迹优化的方法概括…………………………………………………………………………………………………….. 1

1.1 路径规划的方法概括……………………………………………………………………………………………………………. 1

1.2 轨迹优化的方法概括……………………………………………………………………………………………………………. 1

2 路径规划算法详解……………………………………………………………………………………………………………………………. 1

2.1 Dijkstra算法…………………………………………………………………………………………………………………….. 1

2.2 Dijkstra算法习题思考……………………………………………………………………………………………………… 2

2.3 Dijkstra算法的优缺点……………………………………………………………………………………………………… 3

2.4 A*算法………………………………………………………………………………………………………………………………….. 3

2.5 RRT算法……………………………………………………………………………………………………………………………….. 4

2.6 对于RRT算法的改进想法（融入了RL思想）…………………………………………………………………… 5

2.7 RRT算法的优缺点………………………………………………………………………………………………………………… 5

2.8 RRT*算法………………………………………………………………………………………………………………………………. 5

2.9 Informed RRT*算法……………………………………………………………………………………………………………. 6

2.10 基于遗传算法的路径规划…………………………………………………………………………………………………… 7

1 路径规划和轨迹优化的方法概括

1. 1. 路径规划的方法概括

基于搜索的路径规划有两项，分别是Dijkstra和A*算法；

基于采样的路径规划有三项，分别是RRT、RRT*和Informed RRT*算法；

基于智能算法的路径规划两项，分别是遗传算法和蚁群算法。

1. 1. 轨迹优化的方法概括

轨迹表示方法有两种方法，分别是多项式曲线和贝塞尔曲线；

轨迹优化目标有两种方法，分别是最小化snap和轨迹长度；

轨迹约束有两种方法，分别是软约束和硬约束。

2 路径规划算法详解

2.1 Dijkstra算法

从起点开始逐步扩展，每一步为一个节点找到最短路径。Dijkstra的核心思想是贪心算法的思想。贪心算法是指，在对问题求解时，总是做出在当前看来是最好的选择。也就是说，不从整体最优上加以考虑，他所做出的是在某种意义上的局部最优解。贪心算法不是对所有问题都能得到整体最优解，关键是贪心策略的选择，选择的贪心策略必须具备无后效性，即某个状态以前的过程不会影响以后的状态，只与当前状态有关。在网上有看过这样一个对贪心算法的比方，就是当我们去吃自助餐，我们的目标是吃回本钱，但是我们的胃是有限的，所以我们的策略是每次吃最贵的食物。

在这个Dijkstra算法课程的流程的核心很简单，只需要两个列表，一个是open list（存放的是已经更新过的从其他节点到初始节点有路径的节点），另一个是closed list（存放的是收录以后的节点，已经找到了前往起点最短路径的节点）。即我们首先将起点放入open list当中，将open list当中f（n）最小节点放入到closed list当中，检查closed list中的节点为我们需要的节点，则找到最佳路径，但是如果没有，则需要遍历当前节点末在closed list中的邻接节点，如果节点在open list当中，则更新节点f（n）的值，否则计算节点f（n）的值，加入到open list当中。以此为循环，如果在closed list当中找到了目标节点的值，则找到最优路径，退出程序。

2.2 Dijkstra算法习题思考

在这里有一个练习题可以很好解释Dijkstra算法是如何寻找最优路径的，如图1所示，使用Dijkstra算法的情况通常都是要在栅格地图中进行，所以在论文中也经常会见到构型空间（Configuration Space）。

图1.Dijkstra算法习题

首先我们处于起点，第一步我们站在起点上向外看周围的节点，找一个距离离我们最近的节点，所以closed list此时有两个节点，分别是1（0）和4（1），因为我们要遍历周围的每一个节点，所以在open list中存了2（2）这一个节点，此时从起点向外延伸的两个节点我们都走到了，但是在open list中比较4（1）<2（2），所以将4（1）存入到了closed list中进行储存。根据前面所描述的算法，我们下一步就要遍历4和2节点周围的节点，我们先走4节点，发现4节点周围有三个节点分别是3、6和7，此时我们计算一下从1经过4再到3、6和7这三个节点的距离，分别是3（3）、6（9）和7（5），相比于这三个节点，则2（2）更短，于是将2（2）放入closed list当中。接着我们需要从2节点向外看，发现有4和5节点，但是4我们走过了，所以我们从1到2到5，计算出来5（13）节点并放入open list中。当我们遍历完4和2节点后，接着就是遍历3、6、7和5节点，从3节点上向外看，有1和6节点，因为1节点是起点，所以我们不走，于是我们走6号节点，这是我们第一次到达终点，即目标点。此时我们在open list中更新了6（8），即从1到4到3到6，比较路径长短后，将3（3）存入closed list中，因为6是终点所以6不走，最后从7节点遍历其他节点，发现只有6，则又规划出了一条从1到4到7到6的路径，计算出6（6），最终在open list当中比较更新出一条到达6的最短路径。至于5节点，它处于7节点的后面，并且5（13）远大于7（5），所以不需要计算考虑。

综上所述，将Dijkstra算法总结为两句话，记为从未访问的节点选择最小距离的节点进行收录，即贪心思想，之后从收录节点后遍历该节点的邻接节点，并更新，重复以上过程直到找到最优路径。

2.3 Dijkstra算法的优缺点

首先从上面的习题中，我们就可以看到该算法的优点就是可靠，因为它遍历了栅格地图中的每一个节点，并从中选择出一条最优的路径，所以我们可以相信这条路径在此刻看来是最优路径。但是缺点也很明显，首先该算法必须要在有栅格的地图中才可以进行，但是基本上所有的地图都是不带有网格的，因此我们要使用这个方法，第一步就是要进行网格的划分，问题也随之而来，如何确保我们选择的网格大小就是最后能形成最优路径的网格大小，所以我们不能找到最优的网格大小和密度，我们只能通过经验来估算，就这一点也是Dijkstra算法最大的缺点。其次Dijkstra算法需要遍历每一个节点，并且还要计算邻接节点到起点的路径，进行更新，所以这个计算量是很大的，大的计算量对应的是冗余的算力和长时间的计算，这是第二大缺点。因此为了减少计算和降低计算时长，有了第二种算法为A*算法。

2.4 A*算法

A*算法提出的动机是为了减少收录栅格的数量，从而减少搜索时间，因为A*算法是基于Dijkstra算法的，所以算法的主体不变，只需要每次在open list选取最小节点时加入启发式函数F（n）=f（n）+h（n），这样在选取临近节点时，加一个函数值约束，直接选取最优点，而可以不用去遍历其他节点浪费时间，最终两个算法的效果图如图2所示。

图2.基于搜索的路径规划两种方法对比

我们可以看出Dijkstra算法和A*算法的区别，虽然A*算法大大加快了计算速度，但是在前面提到的Dijkstra算法中第一个缺点，即基于搜索的路径规划算法必须要在具有网格节点的地图中进行，所以划分网格空间成为了该种路径规划算法的最大缺点。

2.5 RRT算法

起点作为一颗种子，从它开始生长枝丫；在机器人的“构型”空间中，生成一个随机点；在树上找到距离最近的那个点，记为a；朝着a的方向生长，如果没有碰到障碍物就把生长后的树枝和端点添加到树上，返回true。

随机点一般是均匀分布的，所以没有障碍物时树会近似均匀地向各个方向生长，这样可以快速探索空间。当然如果可以事先掌握最有可能发现路径的区域信息，可以集中兵力重点探索这个区域，这时就不宜用均匀分布了。

其中有几个要注意的点在这个算法中：

1. 首先我们是以起点作为第一个节点向外生长的，因此在节点周围随机找点，并且将这个点与起点进行连接，这时我们就能确定机器人应该运动的轨迹方向，之后我们以选择好的步长向这个方向进行移动一个步长的距离，如果这一个步长的轨迹与障碍物相重合，则舍弃该轨迹，再次随机选择其他位置进行判断。
2. 在该算法中有一个小技巧可以加快寻找终点的速度，就是以一定概率选择终点作为采样点，我们可以选择5%-10%的概率将终点作为采样点，于是每次选择采样点时就有5%-10%的概率选择终点作为树枝生长的方向，当这个方向上无障碍物时，就可以多步长快速找到终点，大大节省了路径规划的时间。

2.6 对于RRT算法的改进想法（融入了RL思想）

图3.RRT算法中障碍物地图

因为我们知道智能体本身是具有一定大小体积的，为了能更好地通过障碍物到达目标点，我们需要智能体与障碍物之间形成一定的安全距离，如图3所示。所以我将RL思想中reward的奖惩机制引入到这里，可以设定一个标准，如果轨迹距离圆心的距离小于等于障碍圆的半径，则得到-1分，如果轨迹距离圆心的距离大于障碍圆的半径但小于（障碍圆半径+智能体圆半径）/f(x)，我设这里的f(x)为一激励函数，当0<f(x)的值<1时，则在每一个episode中得到-f(x)值，当1<f(x)的值时，则在每一个episode中得到-1/f(x)值。如果轨迹距离圆心的距离大于（障碍圆半径+智能体圆半径）/f(x)，则得到1分。最终比较所有episode的值，选出最大正数，即最安全路径。

另一个点就是如何计算轨迹到障碍物之间的距离，这里直接使用点到直线的距离，通过向量矩阵的运算即可求得，求得后再减去障碍物半径得到最终结果。

2.7 RRT算法的优缺点

首先我们对比Dijkstra算法和A*算法，RRT算法不需要进行网格空间的划分，增强了随机化的概念。但是RRT算法的缺点也很明显，因为步长的限制，它无法寻找到一条最优路径，只能尽量避开障碍物，这无法满足最短路径的需要。因此我们引出了RRT*算法。

2.8 RRT*算法

如我们前面所描述的RRT算法是一个相对高效率，同时可以较好的处理带有非完整约束的路径规划问题的算法，并且在很多方面有很大的优势，但是RRT算法并不能保证所得出的可行路径是相对优化的。因此许多关于RRT算法的改进也致力于解决路径优化的问题，RRT*算法就是其中一个。RRT*算法的主要特征是能快速的找出初始路径，之后随着采样点的增加，不断地进行优化直到找到目标点或者达到设定的最大循环次数。RRT*算法是渐进优化的，也就是随着迭代次数的增加，得出的路径是越来越优化的，而且永远不可能在有限的时间中得出最优的路径。因此换句话说，要想得出相对满意的优化路径，是需要一定的运算时间的。所以RRT*算法的收敛时间是一个比较突出的研究问题。但不可否认的是，RRT*算法计算出的路径的代价相比RRT来说减小了不少。RRT*算法与RRT算法的区别主要在于两个针对新节点xnew的重计算过程，分别为：重新为xnew选择父节点的过程， 比起RRT多了一个rewire的过程；重布线随机树的过程。

RRT*算法的核心在于在局部面积的路径中寻找父节点，由父节点来判断是形成新路线还是保持原路线，所以该路径是局部渐进迭代的结果。对比RRT算法，RRT*算法的确可以找出一条渐进最优的路径，但是多次迭代所需要的时间也是该算法的缺点。

2.9 Informed RRT*算法

图4.椭圆空间压缩过程

图5.椭圆大小

该方法是采样点函数改进，每次要在椭圆里采样。首先要求解出Cmin，接着要求出Xcentre，Xcentre位于椭圆的中心点。因为路径角度的不同就形成了不同角度的椭圆，所以就形成了与世界坐标角度不同的坐标系，这个时候就需要求椭圆坐标和世界坐标之间的旋转矩阵，课程中提到了一个Kabsch算法来求解旋转矩阵。将不同维度的r依次存入到对角矩阵L中。因为我们先是在圆里面进行采样的，所以提前设了一个Xball，给Xball乘以一个维度压缩的对角矩阵L，再乘以一个旋转矩阵C，最后加一个平移的位移就可以得到我们想要的椭圆区域。话句话说，相当于把圆压扁拉长得到椭圆。

2.10 基于遗传算法的路径规划

图6.遗传算法规划图

遗传算法的核心可以总结为“模拟生物进化过程，物竞天择，适者生存”，首先是种群的初始化，（1）在每行选择一个栅格（2）判断相邻栅格是否连续（3）不连续时进行插入栅格操作，直到其连续。下一步就是选择的过程，类比为我们平时的圆盘抽奖，好的个体面积大，被选中的概率就大，反之亦然，但是我们仍保留个别坏的个体，因为它们可能会在后续的交叉和变异中变成非常好的选择。交叉即路径之间交叉，两个交叉的路径就会形成两个新的路径。而变异则是在网格中随机选择路径中的两个栅格，并采用种群初始化的方法在两个栅格间产生新的路径。最后我们只需要不断循环选择、交叉和变异操作，保留下最优路径即可。

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