【路径规划】RRT-路径规划与避障Matlab仿真

最新推荐文章于 2025-05-11 10:00:29 发布

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文章标签： matlab 开发语言

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引言

路径规划是机器人学、自动驾驶、无人机等领域的核心问题之一。其目的是找到一条从起点到终点的安全、有效且最优的路径，以避开障碍物并满足特定约束条件。近年来，随机路径规划算法，如快速扩展随机树 (Rapidly-exploring Random Tree，RRT) 算法，因其在高维空间和复杂环境中具有较好的性能，得到了广泛应用。

1. RRT算法概述

RRT算法是一种基于随机采样的路径规划算法。它通过在配置空间中随机采样点并将其连接到树结构中的最近点来逐步构建一个覆盖空间的树。该算法具有以下优点：

完备性: RRT算法能够在有限的时间内找到一条可行路径，即使环境非常复杂。
效率: RRT算法能够快速找到一条路径，即使在高维空间中。
易于实现: RRT算法的实现相对简单，易于扩展到各种应用场景。

2. RRT算法的实现

RRT算法的实现流程如下：

初始化：设置起始节点和目标节点，并将起始节点添加到树中。
随机采样：从配置空间中随机采样一个节点。
寻找最近点：在树中找到与当前采样点距离最近的节点。
连接扩展：连接当前采样点和最近点，并将其添加到树中。
判断目标节点：如果当前采样点与目标节点距离小于某个阈值，则算法结束，并输出路径。
重复步骤 2-5，直到找到一条可行路径。

3. 避障策略

为了避免与障碍物发生碰撞，RRT算法通常采用以下避障策略：

碰撞检测: 在连接扩展步骤中，判断新节点是否与障碍物发生碰撞。如果发生碰撞，则放弃该连接。
距离场: 构建环境的距离场，并利用距离场信息来指导树的生长，以避开障碍物。
膨胀障碍物: 将障碍物膨胀一定距离，以避免机器人与障碍物发生接触。

4. Matlab仿真

本节将使用 Matlab 语言对 RRT算法进行仿真，并演示如何使用该算法来规划一条避开障碍物的路径。

4.1 环境设置

首先，需要设置仿真环境，包括障碍物的形状和位置。以下代码定义了一个简单的环境，其中包含两个矩形障碍物：

% 环境参数 obstacle1 = [10 10 20 20]; % 矩形障碍物1的位置和大小 obstacle2 = [30 30 10 10]; % 矩形障碍物2的位置和大小

4.2 RRT算法实现

以下代码实现了一个简单的 RRT算法：

% RRT算法实现 function path = rrt(start, goal, obstacles) % 初始化树 tree = {start}; % 设置参数 maxIterations = 1000; stepSize = 1; goalThreshold = 1; % 循环迭代 for i = 1:maxIterations % 随机采样 sample = rand(1, 2) * 50; % 寻找最近点 [nearestNode, nearestIndex] = nearestNode(tree, sample); % 连接扩展 newNode = extend(nearestNode, sample, stepSize); % 碰撞检测 if isCollisionFree(newNode, obstacles) % 添加新节点到树中 tree{end+1} = newNode; % 检查是否到达目标节点 if distance(newNode, goal) < goalThreshold path = getPath(tree, nearestIndex); return; end end end % 未找到路径 path = []; end % 寻找最近点函数 function [nearestNode, nearestIndex] = nearestNode(tree, sample) % 计算所有节点与当前采样点的距离 distances = sqrt(sum((tree - repmat(sample, size(tree, 1), 1)).^2, 2)); % 找到最近点 [~, nearestIndex] = min(distances); nearestNode = tree{nearestIndex}; end % 连接扩展函数 function newNode = extend(nearestNode, sample, stepSize) % 计算方向向量 direction = sample - nearestNode; % 归一化方向向量 direction = direction / norm(direction); % 扩展节点 newNode = nearestNode + stepSize * direction; end % 碰撞检测函数 function isCollisionFree = isCollisionFree(node, obstacles) % 检查节点是否与任何障碍物发生碰撞 for i = 1:size(obstacles, 1) if inRectangle(node, obstacles(i, :)) isCollisionFree = false; return; end end isCollisionFree = true; end % 判断节点是否在矩形内 function isInRectangle = inRectangle(node, rectangle) isInRectangle = node(1) >= rectangle(1) && node(1) <= rectangle(1) + rectangle(3) && ... node(2) >= rectangle(2) && node(2) <= rectangle(2) + rectangle(4); end % 获取路径函数 function path = getPath(tree, nearestIndex) % 从最近点开始回溯到起始节点 path = tree{nearestIndex}; index = nearestIndex; while index > 1 index = index - 1; path = [tree{index}; path]; end end

4.3 运行仿真

以下代码运行 RRT算法，并绘制生成的路径：

% 设置起始节点和目标节点 start = [5 5]; goal = [45 45]; % 运行RRT算法 path = rrt(start, goal, [obstacle1; obstacle2]); % 绘制环境 figure; hold on; rectangle('Position', obstacle1, 'FaceColor', 'r'); rectangle('Position', obstacle2, 'FaceColor', 'r'); % 绘制路径 plot(path(:, 1), path(:, 2), 'b-o'); % 绘制起始节点和目标节点 plot(start(1), start(2), 'go', 'MarkerSize', 10); plot(goal(1), goal(2), 'ro', 'MarkerSize', 10); axis([0 50 0 50]); xlabel('X坐标'); ylabel('Y坐标'); title('RRT路径规划');