机器人抓取系列——路径规划（RRT原理）

前面所述的点云分割＋姿态估计能完成机器人抓取工作，但是如果抓取环境特比复杂，固定的抓取路径中有很多障碍物，那么就需要一种路径规划方法来规划出一条无碰撞的路线。

目前应用在机械臂上的路径规划算法主要分为人工势场法以及RRT（随机生成树）的方法，这里我用的是RRT的方法，因此主要介绍RRT方法的原理

RRT

RRT算法不仅可以在二维平面上适用，也适用于三维空间。今天主要记录一下二维的RRT算法原理，三维的RRT算法原理类似，只是增加一个维度即可。

RRT是一种通用的方法，不管什么机器人类型、不管自由度是多少、不管约束有多复杂都能用。而且它的原理很简单，这是它在机器人领域流行的主要原因之一。不过它的缺点也很明显，它得到的路径一般质量都不是很好，例如可能包含棱角，不够光滑，通常也远离最优路径。

那么下面就先介绍一下RRT的原理，然后再说一下路径不够光滑，以及远离最优距离是怎么解决的。

与其他方法相比较，RRT有什么优势呢？

其中一个很重要的优势就是快。RRT 的思想是快速扩张一群像树一样的路径以探索（填充）空间的大部分区域，伺机找到可行的路径。之所以选择“树”是因为它能够探索空间。在搜索轨迹的时候我们不知道出路应该在哪里，如果不在“确定”的搜索方向上，我们怎么找也找不到（找到的概率是0）。这时“随机”的好 处就体现出来了，虽然不知道出路在哪里，但是通过随机的反复试探还是能碰对的，而且碰对的概率随着试探次数的增多越来越大，就像买彩票一样，买的数量越多中奖的概率越大（RRT名字中“随机”的意思）。可是随机试探也讲究策略，如果我们从树中随机取一个点，然后向着随机的方向生长，那么结果是什么样的呢？见上图。可以看到，同样是随机树，但是这棵树并没很好地探索空间，它一直在起点（红点）附近打转。这可不好，我们希望树尽量经济地、均匀地探索空间，不要过度探索一个地方，更不能漏掉大部分地方。这样的一棵树怎么构造呢？

RRT的基本步骤是：
1、初始化整个空间，定义起始点，终点，采样点数，点与点之间的步长等信息
2、在空间中随机生成一个点Xrand
3、在已知树的点的集合中找到距离这个随机点最近的点Xnear
4、在Xnear到Xrand的直线方向上从Xnear以步长 t 截取点Xnew
5、判读Xnear和Xnew之间有没有障碍物，若存在障碍物则舍弃掉该点
6、将Xnew加入到树的集合中
7、循环2-6，循环截至的条件：有一个new点在终点的设定邻域内

虽然这种方法能够找到有效的路径，但是同样也有一些问题
1、路径不够平滑
2、不是最优路径

RRT*

RRT*算法是相对于RRT算法的一个改进，相对于RRT来说，RRT *多了两个步骤：
1、重新为Xnew选择父节点
2、重布线随机树的过程

首先介绍RRT*重新选择父节点的过程

重新选择父节点过程

这里贴一张图，图中9节点是新产生的节点Xnew，6节点是产生9节点的父节点，，图中节点和节点之间的数值代表的是两点之间的欧氏距离。
在重新找父节点的过程中，以9节点 Xnew为圆心，以事先规定好的半径，找到在这个圆的范围内 Xnew 的近邻，也就是4，5，8节点（6节点是9的父节点）。
原来的路径0-4-6-9的代价为10+5+1=16
备选的三个节点 4，5，8和Xnew9节点组成的路径0 - 1 - 5 - 9，0 - 4 - 9和0 - 1 - 5 - 8 - 9代价分别为3 + 5 + 3 = 11，10 + 4 = 14和3 + 5 + 1 + 3 = 12，因此如果5节点作为9节点的新父节点，则路径代价相对是最小的，因此我们把9节点的父节点由原来的节点6变为节点5，则重新生成的随机树如图 b)所示。

重布线随机树过程

在为Xnew节点9重新选择父节点之后，为进一步使得随机树节点间连接的代价尽量小，为随机树进行重新布线。过程示意如上图所示，重布线的过程也可以被表述成：如果近邻节点的父节点改为 Xnew 可以减小路径代价，则进行更改。
比如上图，6节点一开始的路径代价为10+5=15，但是如果将他的父节点改成9，则他的路径代价则为3+5+3+1=12，因此更新6节点的父节点。
同理再看节点4和8，如果改变4和8的父节点变为9，那么他们的路径代价会变大，因此不改变4和8的父节点。

重布线过程的意义在于每当生成了新的节点后，是否可以通过重新布线，使得某些节点的路径代价减少。如果以整体的眼光看，并不是每一个重新布线的节点都会出现在最终生成的路径中，但在生成随机树的过程中，每一次的重布线都尽可能的为最终路径代价减小创造机会。

那么根据上述的RRT*的 重新选择父节点 和 重布线随机树过程 的过程，可以总结一下，RRT *相比于RRT来讲，他多了上述两个步骤：
重新选择父节点，就是以Xnew为中心画一个圈，假设在这个邻域中的点是Xnew的父节点，计算相应的路径代价，找到路径代价最小的那个父节点，然后对树进行一个更新。
重布线随机树过程：就是对Xnew的近邻点改变其父节点，让Xnew邻域内的节点的父节点都变成Xnew，因为这个时候Xnew的路径代价已经是最小的了，所以让Xnew邻域内的节点的父节点都变成Xnew，看是否能够减小各个节点的路径代价，如果路径代价减小了，则更新树。

RRT*算法的核心在于上述的两个过程：重新选择父节点和重布线。这两个过程相辅相成，重新选择父节点使新生成的节点路径代价尽可能小，重布线使得生成新节点后的随机树减少冗余通路，减小路径代价。

这里贴一个RRT* 的伪代码：（直接从别人那里截图过来的）


相对于RRT来讲，RRT*显然进行了一定程度的路径优化，但是这还不够，因此后续再介绍两种优化方式

双向RRT*

顾名思义就是从起始点和终点同时扩展树，直到两个树伸展到接近一定距离，然后直接进行拼接，这样减少了路径规划所消耗的时间。

贝塞尔曲线

这里先贴一个我用到的三阶贝塞尔曲线的python代码：

https://www.jb51.net/article/177375.htm

那么前面是对路径规划的路径距离的一个优化，但是生成的路径还是不平滑，因此利用研一所学的课程知识：贝塞尔曲线对规划的路径进行平滑处理：

三阶贝塞尔曲线的公式为：

原理描述：
首先介绍一下一阶贝塞尔曲线：
一阶贝塞尔曲线需要2个控制点，假设分别为 P0 , P1。则贝塞尔曲线上的生成点p1​(t)可以表达为：

t的取值范围为[0,1]，下面不再重复说明。

一阶曲线很好理解， 就是根据 t 来的线性插值。

二阶贝塞尔曲线：
二阶贝塞尔曲线有三个控制点，分别为P0，P1, P2。其中P0和P1构成一阶，P1和P2也构成一阶，即：

在生成两个一阶点的基础上，可以生成二阶贝塞尔点：

因此贝塞尔点与3个控制点的关系为：


三阶贝塞尔曲线：
三阶贝塞尔曲线有4个控制点，假设分别为 P 0 ， P 1 ， P 2 ， P 3 ，P0和P1，P1​和P2​、P2​和P3​ 都构成一阶，即：

在生成的三个一阶点基础上，可以生成两个二 阶贝塞尔点：

在生成的两个二阶点基础上，可以生成三阶贝 塞尔点:

整理可得：


将贝塞尔曲线应用到RRT中

可以看出路径规划比较平滑。

扩展到三维

因为机械臂的工作空间不是在一个平面内，而是在三维空间中，因此需要将RRT*算法和贝塞尔平滑优化算法扩展到三维空间，其实很简单，就是简单的进行一个维度扩充就可以了，这里不仔细讲了，贴一下自己做出来的效果图：