【路径规划】(3) RRT 算法求解最短路,附python完整代码

本文介绍了RRT算法,一种用于机器人路径规划的随机树搜索方法。该算法由S.M.LaValle提出,通过随机采样和扩展生成从起点到目标点的无碰撞路径。虽然存在效率低、路径不平滑等问题,但因其无需预先处理环境信息和适应复杂环境而被广泛应用于无人机等领域。文章提供了Python代码示例,展示了RRT算法的实现过程,并给出了仿真结果。

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大家好,今天和各位分享一下机器人路径规划中的 RRT 算法,感兴趣的点个关注,文末有 python 代码,那我们开始吧。


1. 算法介绍

RRT 算法是由学者 S.M.LaValle 提出来的路径规划算法。该算法是将空间中的一个起始点当作根节点,在空间中利用增量方式进行随机采样,然后向外延伸扩展增加叶节点。重复该步骤直到获得一个从起点到目标点的树,最后回溯找到从根节点到目标点的无碰撞的路径。 

快速搜索随机树(RRT)算法是一种增量式采样的搜索方法,将它应用于路径规划时不需要任何参数整定,也不需要事先对环境信息进行处理和存储,具有良好的适应性,适合解决复杂环境以及多种约束条件的路径规划问题。 

算法优点:

(1)RRT 算法不需要启发式函数,可以在存在复杂障碍物的环境里快速规划出一条安全路径,且更适合实际应用,目前常被用于无人机的运动规划中。

(2)RRT 的快速迭代生长方式决定了其在高维非凸空间的搜索优势

算法缺点:

(1)稳定性不佳,且内存消耗较大。扩展树生长方向随机,重复规划结果却有很大差异。

(2)随机性采样导致相对效率较低。由于快速扩展随机树有随机采样性,没有目标启发导向,因此在采样过程中有很多无效采样节点,致使效率相对变低。

(3)路径曲折冗余点较多,光滑性不佳。在 RRT 生成的路径中有许多无用的点,这些冗余点使得路径长度增多。

(4)无法在动态障碍物中有效检测路径,不适合于动态环境规划与避障


2. 算法原理

传统 RRT 算法计算流程可分为两个阶段:

第一个阶段。在任务环境中,以算法初始点作为根节点,通过随机采样、逐步迭代地方式,向任务环境中进行扩展,形成一棵随机树,通过判定采样点是否包含目标点或在目标范围内,来判断是否完成随机树的构造,结束采样;

第二阶段。在随机树中从目标点依次往回遍历,直到寻回根节点,即可得到一条从初始点到目标点的有效路径。RRT的具体扩展方式如下图所示。 

首先,以初始点 Pinit 作为随机树的

### 关于三维曲面路径规划算法 #### 实现方法 在计算机图形学和机器人技术领域,3D表面路径规划涉及复杂的数学运算以及几何处理。对于连续数学背景的需求涵盖了线性代数、共轭梯度法等内容[^1]。这些基础理论支持着更高级别的应用开发。 针对具体的实现方式,在给定的环境中找到一条优路径通常依赖于特定的目标函数定义。例如: - **A*搜索算法**:这是一种广泛使用的启发式图遍历策略,适用于离散空间中的短路问题求解; - **RRT (快速随机)** 和 **PRM (概率路线图)** 方法则更适合解决高维配置空间内的运动规划难题; 当涉及到具体到三维表面上时,则可能还需要考虑如下因素: - 表面特性(光滑程度) - 障碍物分布情况 - 路径安全性评估标准 ```python import numpy as np from scipy.spatial import KDTree def plan_path_on_surface(start_point, end_point, obstacles): """ 计划从起点至终点之间避开障碍物的安全路径. 参数: start_point : ndarray 开始位置坐标数组 end_point : ndarray 结束位置坐标数组 obstacles : list of ndarrays 各个障碍物体积元中心点组成的列表 返回值: path_points : list of tuples 安全路径上各节点的位置信息序列 """ # 构建KD用于加速近邻查询操作 obstacle_tree = KDTree(obstacles) current_position = start_point.copy() step_size = 0.5 # 步长设定 safety_margin = 0.75 # 安全距离阈值 path_points = [] while not np.allclose(current_position, end_point): direction_vector = normalize(end_point - current_position) next_candidate = current_position + direction_vector * step_size closest_obstacle_distance, _ = obstacle_tree.query(next_candidate) if closest_obstacle_distance >= safety_margin: current_position[:] = next_candidate[:] path_points.append(tuple(current_position)) else: adjust_direction_to_avoid_collision(direction_vector, obstacle_tree) return path_points ``` 此代码片段展示了如何基于简单的直觉逻辑来构建一个基本框架——即沿着直线方向前进直到遇到潜在碰撞风险为止,并调整行进角度以绕过检测到的阻碍物。实际工程实践中可能会采用更加复杂精细的技术方案来进行优化改进。 #### 应用场景 此类算法的应用范围非常广阔,尤其是在虚拟现实(VR)/增强现实(AR)[^2]体验创建过程中尤为关键。通过精确计算并呈现物理世界对象之间的相对关系变化过程,可以显著提升用户体验的真实感与沉浸效果。另外,在自动化生产线上指导机械臂完成精密装配作业方面也发挥着重要作用。
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