RRT算法及其部分改进算法介绍

RRT是一种用于机器人运动规划的高效算法,适用于非凸高维空间的快速搜索。它包括基本RRT、基于概率的RRT、RRTConnect及RRT*等变种,通过不断扩展随机树来寻找从起点到目标的路径。

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基于采样的运动规划算法-RRT(Rapidly-exploring Random Trees)

RRT:一种通过随机构建Space Filling Tree实现对非凸高维空间快速搜索的算法。该算法可以很容易的处理包含障碍物和差分运动约束的场景,被广泛的应用在各种机器人的运动规划场景中

  • Basic RRT算法

原始的RRT算法中将搜索的起点位置作为根节点,然后通过随机采样增加叶子节点的方式,生成一个随机扩展树,当随机树的叶子节点进入目标区域,就得到了从起点位置到目标位置的路径

伪代码如下:

上述伪代码中,M是地图环境,是起始位置,是目标位置。路径空间搜索的过程从起点开始,先随机撒点;然后查找距离最近的节点;然后沿着到方向前进stepsize的距离得到;CollisionFree(M, )方法检测Edge(,)是否与地图环境中的障碍物有碰撞,如果没有碰撞,则将成功完成一次空间搜索拓展。重复上述过程,直至达到目标位置。

RRT算法拓展过程

  • 基于概率的RRT算法

为了加快随机树收敛到目标位置的速度,基于概率的RRT算法在随机树扩展的步骤中引入一个概率P,根据概率p的值来选择树的生长方向是随机生长(xrand)还是朝向目标位置(xgoal)生长,引入像目标生长的机制可以加速路径搜索的收敛速度。

伪代码如下:

  • RRT Connect算法

RRT Connect算法从初始状态点和目标状态点同时扩展随机树从而实现对状态空间的快速搜索

 

  • RRT*算法

RRT*算法的目标在于解决RRT算法难以求解最优的可行路径的问题,它在路径查找的过程中持续的优化路径,随着迭代次数和采样点的增加,得到的路径越来越优化。迭代的时间越久,就越可以得到相对满意的规划路径。

伪代码如下:

RRT*算法和RRT算法的区别主要在于两点:

  1. rewrite的过程。即为重新选择父节点的过程

RRT*在找到距离xrand最近的节点xnearest并通过CollisionFree检测之后,并不立即将Edge(xnearest,xrand)加入扩展树中,而是以xrand为中心,r为半径,找到所有潜在的父节点集合,并与xnearest父节点的Cost对比,看是否存在更优Cost的父节点。

 

  1. 连接xrand和xnearest
  2. 以xrand为中心,ri为半径,在树上搜索节点
  3. 找出潜在的父节点集合xpotential-parent,其目的是要更新xrand,看看有没有比它更好的父节点
  4. 从某一个潜在父节点开始考虑,计算出xparent(即为xnearest)作为父节点时的代价,子节点为xchild(即为xrand)
  5. 先不进行碰撞检测,将潜在父节点与子节点连接起来,计算该条路径的代价
  6. 如果代价小于原路径,则进行碰撞检测,若代价大于原路径,则考虑其他潜在父节点
  7. 代价小于原路径且碰撞检测通过,则在树中将之前的边删掉,将树中新的边添加进去,即连接满足要求的潜在父节点和子节点之间的边,将潜在父节点(xpotential-parent)改为父节点(xparent),遍历所有的父节点,得到更新以后的树

2.随机树重布线的过程

 

### 机械臂3D RRT算法改进与优化 Rapidly-exploring Random Tree (RRT) 算法是一种广泛应用于路径规划问题的随机化算法,尤其是在高维空间中表现良好。对于机械臂在三维空间中的路径规划问题,RRT算法需要针对其特点进行改进和优化以提高性能[^1]。 #### 改进方法 一种常见的改进方法是引入双向RRT算法(Bidirectional RRT),它从起点和目标点分别生成两棵树,并尝试使它们连接起来。这种方法可以显著减少搜索时间和计算复杂度,因为每棵树只需要探索部分状态空间[^2]。 另一种有效的改进策略是使用RRT*算法,这是一种渐近最优的变体。RRT*通过重新布线机制不断优化已找到的路径,从而在多次迭代后能够收敛到全局最优解。尽管RRT*的收敛速度较慢,但其最终结果通常优于标准RRT算法[^3]。 此外,结合启发式信息的RRT算法(如Informed RRT*)也可以提升性能。该算法通过限制采样区域为可能包含更优路径的椭圆区域,减少了不必要的探索,进一步提高了效率[^4]。 #### 优化方案 为了适应机械臂的具体需求,还可以对RRT算法进行以下优化: - **碰撞检测优化**:采用高效的碰撞检测算法,例如基于包围盒层次结构的方法,以减少不必要的几何运算。 - **状态空间离散化**:将连续的状态空间离散化为网格或其他结构,从而简化路径搜索过程。 - **动态障碍物处理**:引入时间维度,扩展RRT算法以应对动态环境下的路径规划问题。 ```python import numpy as np def rrt_star(start, goal, obstacles, max_iter=1000): tree = {start: None} costs = {start: 0.0} for _ in range(max_iter): # 随机采样 random_point = sample_random_point() # 找到最近节点 nearest_node = find_nearest(tree.keys(), random_point) # 扩展树 new_node = extend(nearest_node, random_point) if not is_collision(new_node, obstacles): near_nodes = find_near_nodes(new_node, tree.keys()) best_parent = choose_best_parent(new_node, near_nodes, obstacles, costs) tree[new_node] = best_parent costs[new_node] = costs[best_parent] + distance(best_parent, new_node) rewire_tree(new_node, near_nodes, obstacles, tree, costs) return reconstruct_path(tree, start, goal) ```
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