運動規划/路徑規划/軌跡規划區別與聯系


引言

查閱互聯網資料與相關文獻,略作總結,以期完善:

運動規划、路徑規划、軌跡規划的聯系與區別?

  • 運動規划Motion Planning
  • 路徑規划Path Planning
  • 軌跡規划Trajectory Planning

運動規划路徑規划(空間)軌跡規划(時間)組成,連接起點位置和終點位置的序列點或曲線稱之為路徑,構成路徑的策略稱之為路徑規划。
運動規划,又稱運動插補,是在給定的路徑端點之間插入用於控制的中間點序列從而實現沿給定的平穩運動。

路徑規划是運動規划的主要研究內容之一。
路徑是機器人位姿的一定序列,而不考慮機器人位置參數隨時間變化的因素。、
路徑規划(一般指位置規划)是找到一系列要經過的路徑點,路徑點是空間中的位置或關節角度
軌跡規划是賦予路徑時間信息

運動控制則是主要解決如何控制目標系統准確跟蹤指令軌跡的問題,即對於給定的指令軌跡,選擇適合的控制算法和參數,產生輸出,控制目標實時,准確地跟蹤給定的指令軌跡。

路徑規划的目標是使路徑與障礙物的距離盡量遠同時路徑的長度盡量短;

軌跡規划的目的主要是機器人關節空間移動中使得機器人的運行時間盡可能短,或者能量盡可能小。

軌跡規划在路徑規划的基礎上加入時間序列信息,對機器人執行任務時的速度與加速度進行規划,以滿足光滑性和速度可控性等要求。


 另外,根據無人駕駛車輛的模型預測控制一書中的內容,路徑與軌跡、路徑規划與軌跡規划、路徑跟蹤和軌跡跟蹤的聯系和區別如下:

對於智能車輛而言,全局路徑點只要包含空間位置信息即可,也可以包含姿態信息,而不需要與時間相關,但局部規划時,則可以考慮時間信息。
這里規定軌跡點也是一種路徑點,即當路徑點信息中加入時間約束,就可以被稱為軌跡點
從這個角度理解,軌跡規划就是一種路徑規划,當路徑規划過程要滿足無人車輛的縱向和橫向動力學約束時,就成為軌跡規划。

路徑規划和軌跡規划既可以在狀態空間中表示,也可以在笛卡爾坐標系中表示。

路徑跟蹤過程中,參考路徑曲線可與時間參數無關,跟蹤控制時,可以假設無人車輛以當前速度勻速前進,以一定的代價規則使行駛路徑趨近於參考路徑;
軌跡跟蹤時參考路徑曲線與時間和空間均相關,並要求無人車輛在規定的時間內到達某一預設好的參考路徑點

路徑跟蹤不同於軌跡跟蹤,不受制於時間約束,只需要在一定誤差范圍內跟蹤參考路徑。
路徑跟蹤中的運動控制就是尋找一個有界的控制輸入序列,以使無人車輛從一個初始位置到設定的期望位置。


根據分類標准不同,有

a. 基於模型和基於傳感器的路徑規划
c-空間法、自由空間法、網格法、四叉樹法、矢量場流的幾何表示法等。相應的搜索算法有A*、遺傳算法等。

b. 全局路徑規划(global path planning)和局部路徑規划(local path planning)
局部路徑規划主要解決機器人定位和路徑跟蹤問題,方法有人工勢場法、模糊邏輯法等。全局路徑規划將全局目標分解為局部目標,再由局部規划實現局部目標,方法有可視圖法、環境分割法(自由空間法、柵格法)等。

c. 離線路徑規划和在線路徑規划
線路徑規划是基於環境先驗完全信息的路徑路徑規划。完整的先驗信息只能適用於靜態環境,路徑是離線規划的;在線路徑規划是基於傳感器信息的不確定環境的路徑規划,路徑必須是在線規划的。


環境類型:
已知環境下的靜態障礙物;已知環境下的動態障礙物;未知環境下的靜態障礙物;未知環境下的動態障礙物。(已知環境指障礙物大小、形狀和位置對規划系統精確已知;未知環境指上述未知或部分未知。)

運動規划算法通常有兩個評價指標:
完備性(complete): 利用該算法,在有限時間內能解決所有有解問題;
最優性(optimality): 利用該算法,能找到最優路徑(距離最短、耗時最小、耗能最少等)
參考:

https://blog.csdn.net/wx545644217/article/details/54175035

https://blog.csdn.net/shixiaolu63/article/details/86494954

Coursera公開課《Robotics:Computational Motion Planning》

《Planning Algorithms》

《Principles of Robot Motion Theory, Algorithms, and Implementations》


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