无人车路径规划与控制综述

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前言

本文参考文献¹整理几篇有关智能车路径规划与控制算法的文章，便于后续研究。
路径规划分为局部路径规划和全局路径规划，全局路径规划根据起点，终点和地图生成可行驶路线；局部路径规划则需要考虑动态障碍物，解决避障问题。

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一、路径规划

1.全局路径规划

全局路径规划算法可以分为

• 传统算法²
  • 基于图搜索：Dijkstra ^{3 4}(广度优先，导致搜索到太多无关节点) , A*⁵(易陷入死循环，规则路径折线点多，于是有了双重A*⁶，改进A*⁷, 平滑ARA*⁸，拓展搜索领域的A*⁹，MHA*¹⁰, DMHA*¹¹), D* ^{12 13}
  • 基于随机采样：快速搜索随机数(RRT)¹⁴, RRT*^{15 16}, anytime RRT¹⁷，由于RRT算法存在大量的碰撞检测，效率低下，文献¹⁸提出了变概率双向RRT算法。
• 智能算法
  • 遗传算法¹⁹
  • 蚁群算法²⁰
  • 触须算法
  • 智能水滴算法
  • 强化学习
  • 神经网络

2、局部路径规划

局部路径规划算法有

• 人工势场法^{21 22 23}
• 模糊逻辑法^{24 25 26 27 28 29}
• 动态窗口法³⁰
• 向量场直方图法^{29 31}

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二、轨迹跟踪

轨迹跟踪控制器分为基于控制理论的控制器和基于几何运动学的控制器。³²

• 基于控制理论的控制器
  • PID
  • 线性二次调节器LQR
  • 模型预测控制MPC
• 基于几何运动学的控制器
  • Stanley算法³³
  • Pure Pursuit³⁴

车辆运动学模型的论文见³⁵

总结

本文主要列出无人车路径规划与控制的几种常用算法，以及参考文献。

学习笔记

1. A*算法，以及对应代码

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1. 特定环境下低速无人车的路径规划与控制研究_朱景璐 ↩︎

2. 李永丹，马天力，陈超波，韦宏利，杨琼楠. 无人驾驶车辆路径规划算法综述[J]. 国外电子测量技术，2019，38（06）：72-79. ↩︎

3. W. Dijkstra. A note on two problems in connexion with graphs[J]. Numersische Mathematik，1959，1：269-271. ↩︎

4. Z. Liu，J. Chen，C. Song and L. Ding. An Improved Algorithm for Searching Local Optimal Path in Intelligent Transport System[C]. 2008 Second International Symposium on Intelligent Information Technology Application，Shanghai，2008: 157-161. ↩︎

5. Kang-le Wang，Shu-wen Dang，Fa-jiang He，Peng-zhan Cheng. A Path Planning Method for Indoor Robots Based on Partial & Global A-Star Algorithm[C]. 2017 5th International Conference on Frontiers of Manufacturing Science and Measuring Technology (FMSMT 2017)，2017：385-389. ↩︎

6. 陈伟华，林颖，文宗明，等．基于双重A*算法的移动机器人动态环境路径规划[J]. 组合机床与自动化加工技术，2018(4): 127-130. ↩︎

7. 梁昭阳，蓝茂俊，陈正铭．Ａ*算法在Shortest-Path方面的优化研究[J]. 计算机系统应用，2018, 27(7): 255-259. ↩︎

8. 赵鑫，胡 广 地．平 滑ARA*算法 在 智 能 车 辆 路 径 规划的 应 用 [J].机械科学与技术 ↩︎

9. 任玉洁，付丽霞，张勇，等．拓展搜索邻域的平滑A*算法机器人路 径 规 划[J]．电子科技. ↩︎

10. WAGNER G, CHOSET H. M* : A complete multi-robot path planning algorithm with .optimality bounds[J]. Redundancy in Robot Manipulators and Multi- Robot Systems,2011, 57(1) .3260-3267. ↩︎

11. ISLAM F, NARAYANAN V,LIKHACHEV M. Dynamic
    multi heuristic A [ C]. IEEE International Conference on Robotics and Automation, 2015:2376-2382. ↩︎

12. Anthony Stentz. The Focussed D* Algorithm for Real-Time Replanning[C]. International Joint Conference on Artificial Intelligence，1995. ↩︎

13. 刘军，冯硕，任建华. 移动机器人路径动态规划有向 D~*算法[J]. 浙江大学学报（工学版），2020，54（02）：291-300. ↩︎

14. 陈秋莲，蒋环宇，郑以君. 机器人路径规划的快速扩展随机树算法综述[J]. 计算机工程与应用，2019，55（16）：10-17. ↩︎

15. Iram Noreen，Amna Khan，Zulfiqar Habib. Optimal Path Planning using RRT* based Approaches: A Survey and Future Directions[J]. International Journal of Advanced Computer Science and Applications. 2016，7（11）：97-107. ↩︎

16. S. Karaman，E. Frazzoli. Sampling-based algorithms for optimal motion planning[J]. Computer Science，2011，30：846-894. ↩︎

17. S. Karaman，M. Walter，A. Perez，E. Frazzoli and S. Teller. Anytime motion planning using the RRT*[C]. 2011 IEEE International Conference on Robotics and Automation (ICRA)，2011：1478-1483. ↩︎

18. 郭聪.基于RRT的无人机三维航迹规划算法研究[D].沈阳:沈阳航空航天大学，2015. ↩︎

19. T. Arora，Y. Gigras，and V. Arora. Robotic path planning using genetic algorithm in dynamic environment[J]. International Journal of Computer Applications.2011，89: 8-12. ↩︎

20. Y. Wang，P. Chen and Y. Jin. Trajectory planning for an unmanned ground vehicle group using augmented particle swarm optimization in a dynamic environment[C]. 2009 IEEE International Conference on Systems, Man and Cybernetics. 2009：4341-4346. ↩︎

21. Khatib O. Real-time obstacle avoidance for manipulators and mobile robots[J]. International Journal of Robotics Research，1986，5（1）：90-98. ↩︎

22. 唐小洁，丁一航，申勤，贾成芬. 改进人工势场法的移动小车动态避障路径规划[J]. 软件导刊，2019，18（10）：152-156+225. ↩︎

23. 陈浩，喻厚宇. 基于势场搜索的无人车动态避障路径规划算法研究[J]. 北京汽车，2019（04）：1-5+31. ↩︎

24. Surmann H ， Huser J ， and Wehking J. Path planning for a fuzzy controlled autonomous mobile robot[C]. IEEE International Conference On Fuzzy Systems，1996，2：1660-1665. ↩︎

25. 申燕凯. 轮式机器人路径规划及控制方法研究[D].河北科技大学，2016. ↩︎

26. 胡永仕，张阳.基于遗传模糊算法的智能车辆避障路径规划研究[J]. 福州大学学报（自然科学版），2015，43（02）：219-224. ↩︎

27. 李擎，张超，韩彩卫，张婷，张维存. 动态环境下基于模糊逻辑算法的移动机器人路径规划[J].中南大学学报（自然科学版），2013，44（S2）：104-108. ↩︎

28. 李擎，张超，韩彩卫，徐银梅，尹怡欣，张维存.静态环境下基于模糊逻辑算法的移动机器人路径规划[C]. 第 25 届中国控制与决策会议论文集，2013：2867-2872. ↩︎

29. Boujelben M, Ayedi D, Rekik C, et al. Fuzzy logic controller for mobile robot navigation to avoid dynamic and static obstacles[C]. 2017 14th International Multi-Conference on Systems, Signals and Devices( SSD) ，2017：293-298. ↩︎ ↩︎

30. 吴国鹏. 基于 2D 激光传感器的移动机器人室内环境建模与自主导航研究[D]. 华南理工大学，2019. ↩︎

31. 屈盼让，薛建儒，朱耀国，肖鹏. 面向无人车运动规划问题的 VFH 算法[J]. 计算机仿真，2018，35（12）：245-251. ↩︎

32. 单云霄. 城市无人驾驶规划与控制系统的关键技术研究[D]. 武汉大学，2018. ↩︎

33. THRUN S，MONTEMERLO M，DAHLKAMP H. Stanley: the robot that won the DARPA grand challenge[J]. Journal of Field Robotics，2006，23 （9）：661-692. ↩︎

34. 张梦巍. 智能无人驾驶车辆路径跟踪及底层控制方法研究[D]. 沈阳理工大学，2018. ↩︎

35. Wilko Schwarting, Javier Alonso-Mora, and Daniela Ru. Planning and Decision-Making for Autonomous Vehicles[J]. Annual Review of Control, Robotics, and Autonomous Systems，2018（1）：187-210. ↩︎