自动驾驶路径规划——基于MATLAB的栅格地图

目录

前言

1.什么是栅格地图？

 1.1栅格地图用于路径规划的优势：

2.MATLAB栅格地图的绘制 

MATLAB代码

 声明

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前言

       这个学期学校开设了相应的课程，同时也在学习古月居机器人学系列的《基于栅格地图的机器人路径规划指南》，为了巩固知识，方便自己的学习与整理，遂以学习笔记的形式记录。

       另附一些其他博主写的文章：
       基于栅格地图的路径规划（一）基于Matlab二维、三维栅格地图的构建 
        路径规划（一）：使用Matlab快速绘制栅格地图
        python栅格地图上路径规划作图

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1.什么是栅格地图？

       栅格图像，也称光栅图像，是指在空间和亮度上都已经离散化了的图像。我们可以把一幅栅格图像考虑为一个矩阵，矩阵中的任一元素对应于图像中的一个点，而相应的值对应于该点的灰度级（灰度图），数字矩阵中的元素叫做像素。机器人学中地图的表示方法有四种：特征地图、拓扑地图、栅格地图以及直接表征法（Appearance Based Methods）。

       特征地图用有关的几何特征（如点、直线、面）表示环境。

​      栅格地图则是把环境划分成一系列栅格，其中每一栅格给定一个可能值，表示该栅格被占据的概率。

       栅格地图、特征地图以及点云地图又被称为尺度地图，常用于地图构建、定位、SLAM、小规模的路径规划。

       拓扑地图把室内环境表示为带结点和相关连接线的拓扑结构图，其中结点表示环境中的重要位置点（拐角、门、电梯、楼梯等），边表示结点间的连接关系，如走廊等。拓扑地图不具备真实的物理尺寸，只表示不同地点的连通关系和距离。

       直接表征法省去了特征或栅格表示这一中间环节，直接用传感器读取的数据来构造机器人的位姿空间。每种方法各有自己的特点和适用范围，其中特征地图和栅格地图应用最普遍。 
       此外还有语义地图，通过加上标签的方式进行描述，如M楼位于学子路的东侧。语义地图常用于人机交互。

 1.1栅格地图用于路径规划的优势：

1.可以将任意形状轮廓的地图，用足够精细的栅格进行绘制；
2.每一个栅格，可以通过不同颜色表征不同含义，如黑色代表障碍物、黄色代表起点、红色代表终点。
3.基于栅格地图进行路径规划有横、纵、斜三个规划方向，对于室内低速机器人可以完全按照规划路径行走；对于中高速机器人，可以考虑将规划路径进行平滑处理，以适用于非完全约束系统。

2.MATLAB栅格地图的绘制 

MATLAB绘制栅格地图的几个核心函数及思想：

1.colormap:为栅格地图创建自定义颜色。如黄色栅格代表起点、红色栅格代表终点、黑色栅格代表障碍物。

颜色	double 或 single RGB 三元组	uint8 RGB 三元组
黄色	[1 1 0]	[255 255 0]
品红色	[1 0 1]	[255 0 255]
青蓝色	[0 1 1]	[0 255 255]
红色	[1 0 0]	[255 0 0]
绿色	[0 1 0]	[0 255 0]
蓝色	[0 0 1]	[0 0 255]
白色	[1 1 1]	[255 255 255]
黑色	[0 0 0]	[0 0 0]

2.sb2ind：将行列索引转为线性索引。对于右图栅格地图，10行10列，行从左  上角自上而下排序，列从左上角自左而右排序。相反，ind2sub则将线性索引转为行列索引。

3×3 矩阵的从下标（按位置进行索引）到线性索引的映射如下所示。

 将 3×3 矩阵的线性索引 [3 4 5 6] 转换为行和列下标。从线性索引到下标（按位置进行索引）的映射如下所示。

3.为了在栅格地图呈现随机障碍物的效果，可以设障碍物出现频率数值，根据该数据在所有栅格中生成随机数，从而确定障碍物栅格。
4.image:利用colormap建立的颜色图，将数组信息显示为图像。

MATLAB代码

% 基于栅格地图的机器人路径规划算法
% 第1节：利用Matlab快速绘制栅格地图
clc
clear
close all
 
%% 构建颜色MAP图
cmap = [1 1 1; ...       % 1-白色-空地
    0 0 0; ...           % 2-黑色-静态障碍
    1 0 0; ...           % 3-红色-动态障碍
    1 1 0;...            % 4-黄色-起始点 
    1 0 1;...            % 5-品红-目标点
    0 1 0; ...           % 6-绿色-到目标点的规划路径   
    0 1 1];              % 7-青色-动态规划的路径
 
% 构建颜色MAP图
colormap(cmap);  % colormap()查看并设置当前颜色图
 
%% 构建栅格地图场景
% 栅格界面大小:行数和列数
rows = 20;
cols = 20; 
 
% 定义栅格地图全域，并初始化空白区域
field = ones(rows, cols);
 
% 障碍物区域
obsRate = 0.2;   % 障碍物出现频率
obsNum = floor(rows*cols*obsRate);   % 总的障碍物个数 floor()朝负无穷大四舍五入
obsIndex = randi([1,rows*cols],obsNum,1);   
field(obsIndex) = 2;
 
% 起始点和目标点(一定要放在障碍物区域的后面，防止障碍物覆盖起始点和目标点)
startPos = 2;
goalPos = rows*cols-2;
field(startPos) = 4;
field(goalPos) = 5;
 
%% 画栅格图
image(1.5,1.5,field);
grid on;
set(gca,'gridline','-','gridcolor','k','linewidth',2,'GridAlpha',0.5);
set(gca,'xtick',1:cols+1,'ytick',1:rows+1);
axis image;

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