Trajectory planning for automatic machines and robots 总页

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1 Trajectory Planning

轨迹规划前言

Part Ⅰ Basic Motion Pofiles

2 Analytic Expressions of Elementary Trajectories

第二章 轨迹基本表达式解析

2.1 Polynomial Trajectories 多项式

2.2 Trigonometric Trajectories 三角

2.3 Exponential Trajectories 指数

2.4 Trajectories Based on the Fourier Series Expansion 傅里叶展开

3 Composition of Elementa

### IA*QB 轨迹规划方法概述 IA*QB 是一种改进型的 A* 算法,它通过引入启发函数优化路径搜索过程,并结合二次贝塞尔曲线(Quadratic Bezier Curve, QB)平滑化处理轨迹[^1]。该算法的核心在于利用 A* 的高效全局路径搜索能力以及贝塞尔曲线的良好几何特性来生成适用于无人水面艇(Unmanned Surface Vessel, USV)自动靠泊的任务需求。 #### 自动靠泊中的应用分析 在无人水面艇的自动靠泊场景下,IA*QB 方法能够有效应对复杂的动态环境和约束条件。具体而言: - **路径搜索阶段**:A* 部分负责构建从起始位置到目标停泊区域的安全路径。此过程中会综合考虑障碍物分布、水流影响以及其他导航限制因素[^2]。 - **轨迹平滑阶段**:基于初步计算得到的离散节点序列,采用二次贝塞尔曲线拟合技术实现连续光滑过渡。这不仅提升了控制系统的执行精度,还降低了因频繁转向带来的能量损耗[^3]。 ```python def ia_star_qb_planning(start, goal, obstacles): """ 使用IA*QB算法进行路径规划 参数: start (tuple): 初始坐标(x,y) goal (tuple): 目标坐标(x',y') obstacles (list): 障碍物列表 [(x1,y1), ...] 返回: list: 平滑后的轨迹点[(x0,y0),(x1,y1)...,(xn,yn)] """ # Step 1: 执行标准A* path_nodes = a_star_search(start=start, goal=goal, obstacle_map=obstacles) if not path_nodes: raise ValueError("无法找到可行路径") # Step 2: 应用QBCurve平滑化 smoothed_path = quadratic_bezier_smoothing(path_nodes) return smoothed_path def quadratic_bezier_smoothing(nodes_list): """ 对给定节点集合施加二次贝塞尔曲线插值 """ result_points = [] n = len(nodes_list)-1 for i in range(n): p_start = nodes_list[i] p_end = nodes_list[i+1] control_point_x = (p_start[0]+p_end[0])/2.0 control_point_y = (p_start[1]+p_end[1])/2.0 t_values = np.linspace(0., 1., num=50) # 插入更多中间点提高分辨率 bezier_curve_segment = [ ((1-t)**2*p_start[0] + 2*(1-t)*t*control_point_x + t**2 * p_end[0], (1-t)**2*p_start[1] + 2*(1-t)*t*control_point_y + t**2 * p_end[1]) for t in t_values ] result_points.extend(bezier_curve_segment[:-1]) # 去除重复端点 return result_points ``` #### 效率评估 关于 IA*QB 在无人水面艇自动靠泊中的效率表现可以从以下几个方面衡量: - **时间复杂度**:由于继承自传统 A* 的框架结构,其理论最差情况下的运行时间为 O(b^d),其中 b 表示分支因子而 d 表达解深长度[^4]。然而实际操作中通常远低于这一极限值。 - **空间利用率**:相比其他一些更高级别的采样类随机策略(如 RRT 或 PRM),IA*QB 更倾向于占用较少内存资源完成相似质量的结果输出[^5]。 - **鲁棒性与适应力**:得益于内置的碰撞检测机制配合灵活调整参数的能力,在面对突发状况或者恶劣天气条件下仍能保持较高稳定性[^6]。 ---
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