路径规划篇——RPM

概率地图法(Probabilistic Roadmap Method,PRM)作为一种常用的基于随机采样的路径规划方法,在机器人的路径规划中已经得到了广泛的应用。PRM一般用于全局路径规划方法。分为两个阶段,一是学习阶段,二是查询阶段

(1)学习阶段也称为离线阶段,在学习阶段,对整个自由空间进行采样,建立尽可能完整的Roadmap,这一步花费的时间较多。具体就是在全局地图内撒下足够多的采样点,这些采样点称为路标(milestone),路标之间建立连接关系。在学习阶段,PRM试图建立一张无向图,图中所有定点是自由空间中的路标,两个路标之间采用某个局部规划器进行规划(路标之间的通路路线),如果成功,则称着两个路标连通。并在两个点之间加入一条无向边表示,这样建立起的图为Roadmap。

(2)查询阶段也称在线阶段,运动规划器只要输入起始位置和目标位置,算法根据在学习阶段建立的Roadmap信息,可以在很短的时间内搜索一条从起始位置到目标位置的无碰撞路线。由于Roadmap的信息已知,只需将起始位置点输入,运动规划器会查询与起始位置最相近的路标点,依此快速构建出可行路径。 (简介部分摘自于西北工业大学出版社的《无人机编队飞行技术》)

其应用过程如下:

图1为一副地图,将地图做二值化处理转成01矩阵。

图1 航行区域地图

图中包含着起始点和目标点坐标。之后在图中随机撒点,本文在图中撒了200个随机点,这些随机点的约束是不能与地图中的实体发生相交。撒完随机点的地图如图2所示

图2 向全局地图中撒随机点

之后做一个点集间的连接图,连接后的效果如图3所示。这些点集间的连线同样有着约束,即连线不能与地图中的实体发生碰撞,因此图3中的某些点并没有与其余点全连接。

图3 全局地图中的随机点相互连线
图4 得到的最短航行路径

最后,通过最短航迹搜索算法,对图3中加权图进行搜索,得到一条最短的航行路径如图4。

通过上述RPM的运行过程,可以得知RPM算法的两大关键因素,第一:如何撒点会有助于后续最优路径的求解?第二:如何在图3的无向加权图G中搜索出一条最短的路径。

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