apollo学习笔记十二:apollo规划技术(二)

Motion planning with environment

建立车辆模型:

对于汽车而言,质点模型,刚体模型都是不够的,汽车模型除了二维平面里的刚体涉及到的X,Y和θ外,还多了一个转向的变量。
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可以将汽车四个轮子轮抽象成两个轮子,使汽车运动模型简化为自行车模型。模型如下图所示:
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  • κ:后轮转向半径R的倒数
  • ω:方向盘转动角度
  • L:前轮中心和后轮中心的距离

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曲线坐标系SL

SL坐标系也叫做frenet frame,如下图所示:
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它以道路中心线为参考,S表示道路中心线的方向,L表示与道路中心线垂直的方向。在结构化道路上行驶的时候,SL坐标系比XY坐标系更加贴合实际需求。

  • SL坐标系到XY坐标系的转换:
    给定SL坐标系时,每一个点的S坐标本身对应一个(x-r,y-r)坐标,根据该点的横向偏移距离,可以求出给定点在世界坐标系中的XY位置。如下图所示:apollo学习笔记十二:apollo规划技术(二)_第5张图片

  • XY坐标系到SL坐标系的转化:
    SL坐标系并不是唯一的,XY会在曲线上产生很多投影,投影点是经过XY坐标,且垂直于曲线的线段与曲线的交点。
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  • signchange
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  • 超平面分割定理:判断两个动态障碍物是否相交。如果两个障碍物不相交,一定可以找到一个超平面将其分隔开。
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多项式

在轨迹上以等距离的方式随机选择一些点,然后用高阶多项插值的方式来近似表示轨迹,对多项式进行优化。
缺点:高阶多项式不能用于平滑,因为高阶的多项式抖动太大,没有办法控制幅度,即龙格现象。
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Bezier Spline

Bezier Spline 曲线是由一系列控制点定义的,例如P0 到 Pn,其中n代表曲线的阶数。如图所示,分别给出1阶、2 阶、3 阶 Bezier Spline 曲线的表示形式。通过对它们做平滑,得到平滑的曲线,例如二阶平滑保证曲线的曲率平滑。
缺点:除了起始点和终点,其它控制点不能保证会被得到的曲线经过。
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生成光滑曲线

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生成一条光滑的曲线,涉及到两方面,一方面是目标,另一方面是工具。

  • How do we define smoothness?
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    怎么定义平滑呢?最简单的方法就是最短路径,但是路径最短还不能保证平滑性,因此会对其不同阶导数进行 Minimize 求解,保证导数空间的连续,这就是 Smoothing Spline 最初的思想。

  • Smoothing Spline 的特殊性质
    在给定边界的条件下,它是一个多项式,可以找到最优解。前提是它的 Boundary Constraint 只考虑了起点和终点,如果中间有障碍物就不是最优解。这种情况下可以使用 Piecewise Polynomial(分段多项式)来处理。
    一个 Piecewise Polynomial 是一维的函数,描述二维曲线是不够的,这时候就有一个 Spline 2D,假设我们把曲线分成 N 截,每节曲线段它的 X 坐标是一个 Polynomial ,Y 坐标也是一个 Polynomial 。

  • spline 2Dapollo学习笔记十二:apollo规划技术(二)_第13张图片

把曲线分为n节线段,每一节都是一个polynomial函数,在内部是 N 阶可导的,但是如何保证节点处是平滑的呢?我们让它在 X 坐标上的变化率,也就是三阶导的平方是最小的,Y 上的变化率三阶导也是最小的,代价函数就是这两个变化率的和。代价函数的求解就是一个二次规划问题,我把这种 Loss Function 定义成这种形式是因为平方的积分能够给计算带来便利。端点的约束条件要保证连接点之间,对x方向的导数和对y方向的导数都要是相等的,一般要求到三阶导都是相等的,包括它的 X,Y 点的值也完全相等,此时就能保证三阶导连续。

  • 螺旋曲线:通过一个极坐标形式定义,比如说沿着一条曲线,如果一个点 S 的曲率是知道的,假设它的原点在 (0,0)的位置,可以唯一定义出一条经过 S 的曲线,也就是 Spiral Path 。那么可以让 Spiral Path 满足起点、终点约束条件生成一条螺旋曲线。
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  • Spiral Path 和 Spline 2D 的区别
    任何的曲线在足够密的时候都可以用Piecewise Spiral path 或者是 Piecewise Polynomial 表示。
    区别:出发点不一样
    Polynomial 计算很快很简单,Spline 2D 是一个凸空间里面生成一个 Spline 曲线。Spiral Path 是从 Configuration Space 出发。理论上来讲,螺旋曲线生成的线是要比 Spiral Path 更好处理,对一些极端情况处理更好。

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