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基于圖搜索的基礎(chǔ)知識(shí)

新機(jī)器視覺 ? 來源:新機(jī)器視覺 ? 2023-05-22 14:20 ? 次閱讀

配置空間

機(jī)器人規(guī)劃的配置空間概念:一個(gè)空間包含所有機(jī)器人自由度的機(jī)器人配置,描述為C-space

機(jī)器人配置:表示對(duì)機(jī)器人上面所以點(diǎn)的位置的描述

機(jī)器人自由度:規(guī)劃的時(shí)候用最少的坐標(biāo)數(shù)量去表示機(jī)器人配置,例如無人機(jī)規(guī)劃,在微分平坦中進(jìn)行規(guī)劃則是xyzyaw四個(gè)變量,所以對(duì)于無人機(jī)軌跡規(guī)劃來說有四個(gè)自由度。

機(jī)器人配置空間:一個(gè)空間包含所有機(jī)器人自由度的機(jī)器人配置,描述為C-space

任何可能的機(jī)器人的位姿在C-space中描述為一個(gè)點(diǎn)

配置空間的意義:

在工作空間中進(jìn)行規(guī)劃,機(jī)器人有不同的形狀和大小,比如有圓形的或方形的碰撞檢測(cè)需要知道機(jī)器人的外形,然后再做檢測(cè),這樣是費(fèi)時(shí)費(fèi)力的。

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在配置空間中做規(guī)劃

機(jī)器人在C-space中表示一個(gè)點(diǎn),例如位置就是一個(gè)點(diǎn)屬于R3一個(gè)位姿屬于SO(3)

在配置空間中,機(jī)器人表示成了一個(gè)點(diǎn),那么在配置空間中,障礙物也需要特殊的處理,把工作空間中的障礙物變成配置空間中的障礙物,被稱為 配置空間障礙物或者C-obstacle這個(gè)工作是在運(yùn)動(dòng)規(guī)劃前完成的,一次完成的工作。

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障礙物安照機(jī)器人尺寸進(jìn)行膨脹,上面機(jī)器人被設(shè)置成了一個(gè)點(diǎn),只要點(diǎn)在障礙物外面,就不會(huì)發(fā)生碰撞

C-space是C-obstacle 和C-free組成的

經(jīng)過配置空間的處理,路徑規(guī)劃變成了在C-free 中找到起點(diǎn)和終點(diǎn)的路徑尋找。

在工作空間中,機(jī)器人有尺寸有形狀,對(duì)于運(yùn)動(dòng)規(guī)劃會(huì)帶來困難,在配置空間中,機(jī)器人用一個(gè)點(diǎn)來描述,方便做運(yùn)動(dòng)規(guī)劃

經(jīng)過上述配置空間的操作,碰撞檢測(cè)就進(jìn)行了簡(jiǎn)化,這就是配置空間的意義。

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機(jī)器人被看做是一個(gè)球體,半徑為r

對(duì)障礙物安照半徑r進(jìn)行膨脹,藍(lán)色就是膨脹后的障礙物,然后就可以進(jìn)行路徑規(guī)劃和生成。

圖和圖搜索算法的基本概念

圖的基礎(chǔ)概念

圖是有節(jié)點(diǎn)和邊的一種表達(dá)方式

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各節(jié)點(diǎn)由邊連起來

邊可以是有向的,也可以無向的

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邊也可以有權(quán)重,如果沒有特殊說明,可以認(rèn)為權(quán)重是一樣的。

下面則是有權(quán)重的

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圖搜索基本概念

對(duì)于任何一個(gè)圖搜索算法,首先要構(gòu)造一個(gè)圖

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上圖是抽象概念里的圖

對(duì)于實(shí)際場(chǎng)景,我們需要人為構(gòu)造一個(gè)圖,以下是兩種簡(jiǎn)單的例子

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柵格地圖的路徑規(guī)劃,里面的節(jié)點(diǎn)和相鄰的節(jié)點(diǎn)是具有連接關(guān)系的,所以本身就是一個(gè)圖了

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基于采樣的,沒有天然的節(jié)點(diǎn)關(guān)系,需要人為構(gòu)造一個(gè)圖在里面,例如上面就是通過算法構(gòu)造的有節(jié)點(diǎn)和邊組成的圖

圖搜索算法

搜索總是從起始狀態(tài)Xs開始,到Xg結(jié)束

對(duì)于搜索節(jié)點(diǎn),可以構(gòu)建一個(gè)搜索樹

10ff0724-f77e-11ed-90ce-dac502259ad0.png

右邊和左邊是等價(jià)的,只是寫成了樹狀的結(jié)構(gòu),這樣看彼此關(guān)系更加清晰點(diǎn)

從起點(diǎn)搜索到終點(diǎn)后,回溯整個(gè)搜索過程,就可以得到希望的搜索路徑

對(duì)于實(shí)際機(jī)器人來說,構(gòu)建整個(gè)空間的搜索樹,代價(jià)很大,所以需要盡可能快,但是不失搜索路徑的算法。

圖搜索算法框架

所有的圖搜索算法都是按照下面的框架進(jìn)行的:

1、維護(hù)一個(gè)容器,裝載將來有可能訪問的一個(gè)節(jié)點(diǎn)

2、容器初始化為空,放入的第一個(gè)節(jié)點(diǎn)就是起始狀態(tài)Xs

3、循環(huán):根據(jù)預(yù)先定義的一個(gè)指標(biāo)或者目的,從容器中彈出一個(gè)節(jié)點(diǎn) ,稱之為訪問一個(gè)節(jié)點(diǎn),獲取彈出節(jié)點(diǎn)所有的鄰居節(jié)點(diǎn)—擴(kuò)展,將這些鄰居節(jié)點(diǎn)裝入容器

4、結(jié)束循環(huán):訪問到了結(jié)束狀態(tài),或者自定義的一個(gè)指標(biāo),結(jié)束循環(huán)

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有兩個(gè)下面的問題需要注意:

什么時(shí)候結(jié)束循環(huán)?

一種可能就是容器空了,這代表沒有了我們將來要訪問的節(jié)點(diǎn)了,遍歷完了所有節(jié)點(diǎn)

搜索到了結(jié)束節(jié)點(diǎn)

如果這個(gè)圖本身是有回環(huán)的呢?

為了在圖搜索中避免形成回環(huán),永遠(yuǎn)走不出去,需要再維護(hù)一個(gè)新的容器,該容器裝載著已經(jīng)被訪問過的節(jié)點(diǎn),被訪問過的節(jié)點(diǎn)不能再次被訪問

圖搜索優(yōu)化的方向就是:

按照什么規(guī)則去訪問節(jié)點(diǎn),按照什么規(guī)則彈出節(jié)點(diǎn),使我們盡可能快的找到終止節(jié)點(diǎn)。

圖遍歷算法:

廣度優(yōu)先搜索

深度優(yōu)先搜索

廣度優(yōu)先搜索遵循先進(jìn)先出的原則,維護(hù)的是一個(gè)隊(duì)列

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彈出元素,總是從隊(duì)列的頭彈出的

深度優(yōu)先搜索遵循的是后進(jìn)先出的原則,維護(hù)的是一個(gè)堆棧

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彈出從最上面彈出,最后進(jìn)入容器的,最先被彈出來

廣度優(yōu)先搜索(BFS)

特點(diǎn):每次彈出層級(jí)最淺的一個(gè)節(jié)點(diǎn),維護(hù)的是一個(gè)隊(duì)列的結(jié)構(gòu)

所以搜索過程是一層一層進(jìn)行的

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最直觀的理解就是一層一層的進(jìn)行

BFS步驟的拆分:

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這樣的一個(gè)圖結(jié)構(gòu),BFS的步驟是下面這樣的

初始化容器是空的,首先放入開始節(jié)點(diǎn)S

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彈出(訪問)S節(jié)點(diǎn),容器就再次變?yōu)榭盏?/p>

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對(duì)S進(jìn)行擴(kuò)展,從圖上上可以看出,S可以擴(kuò)展的是dep

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安照定義的規(guī)則,將擴(kuò)展的節(jié)點(diǎn)以規(guī)則順序放入容器中

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與DFS區(qū)別就是,從下面彈出節(jié)點(diǎn),先彈出p節(jié)點(diǎn)

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然后再進(jìn)行循環(huán)

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最終找到終止節(jié)點(diǎn),結(jié)束循環(huán),完成圖搜索。

深度優(yōu)先搜索(DFS)

特點(diǎn):每次彈出的節(jié)點(diǎn)是最深層級(jí)的一個(gè)節(jié)點(diǎn),維護(hù)的是一個(gè)堆棧

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直觀的理解就是沒次把一個(gè)分支走到底

DFS步驟的拆分:

注意—維護(hù)的是一個(gè)棧的結(jié)構(gòu)

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這樣的一個(gè)圖結(jié)構(gòu),DFS的步驟是下面這樣的

初始化容器是空的,首先放入開始節(jié)點(diǎn)S

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彈出(訪問)S節(jié)點(diǎn),容器就再次變?yōu)榭盏?/p>

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對(duì)S進(jìn)行擴(kuò)展,從圖上上可以看出,S可以擴(kuò)展的是dep

11954de2-f77e-11ed-90ce-dac502259ad0.png

安照定義的規(guī)則,將擴(kuò)展的節(jié)點(diǎn)以規(guī)則順序放入容器中

119d281e-f77e-11ed-90ce-dac502259ad0.png

然后深度優(yōu)先搜索是彈出容器中的,后入的節(jié)點(diǎn)(層級(jí)最深的),即d節(jié)點(diǎn)

然后再擴(kuò)展d節(jié)點(diǎn),將擴(kuò)展節(jié)點(diǎn)放入容器,再彈出該彈出的節(jié)點(diǎn),再擴(kuò)展,再放入的循環(huán)操作

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最終找到終止節(jié)點(diǎn),結(jié)束循環(huán),完成圖搜索。

BFS vs DFS

從最終的遍歷結(jié)果圖中,可以看到兩者的區(qū)別

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BFS是從開始節(jié)點(diǎn)一層一層的去向外擴(kuò)展,直到擴(kuò)展到了目標(biāo)節(jié)點(diǎn),然后回溯去找到最短路徑。

DFS是從開始節(jié)點(diǎn)一條路走到頭,去找到目標(biāo)節(jié)點(diǎn)。

由結(jié)果來看,BFS 找到的路徑是最短的

所以對(duì)應(yīng)移動(dòng)機(jī)器人,在做路徑規(guī)劃找最短路徑時(shí),做好的方法就是BFS。

審核編輯:彭靜
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原文標(biāo)題:移動(dòng)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)規(guī)劃—基于圖搜索的基礎(chǔ)知識(shí)

文章出處:【微信號(hào):vision263com,微信公眾號(hào):新機(jī)器視覺】歡迎添加關(guān)注!文章轉(zhuǎn)載請(qǐng)注明出處。

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