论文阅读—基于目标偏置的双向APF-RRT*算法的无人机轨迹规划

该研究提出了一种基于目标偏置的双向APF-RRT*算法用于无人机轨迹规划。该算法通过目标导向的随机采样和双向搜索树策略,提高了路径规划的收敛速度和效率。在路径优化阶段,采用了三次样条插值,确保路径的平滑性和无碰撞。实验表明,该算法对比其他经典路径规划算法,如Informed-RRT、Bi-RRT和改进的P-RRT,表现出更优的性能。

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基于目标偏置的双向APF-RRT*算法的无人机轨迹规划

J. Fan, X. Chen and X. Liang, UAV trajectory planning based on bi-directional APF-RRT* algorithm with goal-biased. Expert Systems With Applications (2022),
doi: https://doi.org/10.1016/j.eswa.2022.119137.

算法

  • 采用目标偏置策略来指导随机采样点的生成,并利用双向RRT*算法建立两棵相互交替的随机搜索树来进行搜索,从而提高了算法的收敛速度。
  • 通过在双向生长树中加入改进的人工势场方法,大大减少了迭代次数。
  • 在路径平滑过程中,采用三次样条插值算法对路径进行优化,获得最佳轨迹。
    两种算法的结合改进了新节点生成的方向,降低了路径成本。
  • 将该算法(省略*)与Inforded-RRTBi-RRT改进的P-RRT算法进行了比较,提高了生长树的搜索性能。

APF选择最好的父节点

在每次迭代过程中,由随机生长树生成的新节点new,根据目标q目标的吸引力逐渐趋向于目标,生长树向目标点增长。从new到障碍物的最短距离由NearestObstacle 计算。
PotentialSteer中使用了两个参数λ和d*。常数d∗是new到obs的无穷小距离,而λ是朝着目标迈出的一个很小的增量步骤。可调整参数
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双向搜索树

双向随机搜索树从起点和结束点交替生长,直到两棵生长树相遇形成可行路径,在后续迭代中,更新更好的路径。

  • 第一树T1开始增长,在每次迭代结束时确定qnew与另一树T2之间的最小距离,
  • 如果距离小于非常小的固定值,则使用算法7所示的ConnectGraphs函数连接两个树,
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  • 连接之后,进行整个路径迭代优化,使得到的解的代价低于当前最优解的代价;

否则,应用Swap函数切换到另一个树T2以增长一次,以此类推,直到当循环达到指定的次数时程序停止,从而得到更好的路径。

主要提升策略

  • 高质量采样策略:根据单向的目标偏向策略,将目标点视为具有一定概率的随机采样点,使新节点具有向目标增长的趋势。
    其值大于阈值,则以随机点作为采样节点;当小于阈值的,以目标点作为采样节点。在这里插入图片描述

  • 有效搜寻策略:每棵树的目标点和随机采样点分别对最近的节点有吸引力,障碍是对最近的节点有排斥力。在这里插入图片描述
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  • 路径平滑优化:连接生成路径后,采用第三样条插值的方法对路径进行优化
    1)不与障碍物发生碰撞;2)路径长度应尽可能短。本文将满足上述条件的最短无碰撞路径长度作为适应度函数的评价判据。
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    18是找出从所有插值点到第k个障碍的距离,称为dk。
    19是确定路径是否通过第k个障碍物,如果路径通过第k个障碍物,则在集合k中必须有一个大于0的数字。如果路径没有通过任何障碍物,则集合θk中的数字为0。
    20是均值(θk)值的总和,如果路径没有通过障碍物区域,则η = 0。

实验分析

100公里*100公里的二维空间:(1、1)到(90、90)地图上的深绿色圆圈表示障碍物,无人机不能通过该区域。
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<think>嗯,用户想了解如何使用3D CNN处理CT图像以及RRT*算法进行安全路径规划。首先,我需要整理这两个方面的知识,确保内容准确且符合用户的需求。 关于3D CNN处理CT影像,我应该先介绍3D CNN的基本结构,强调它与2D CNN的区别,比如卷积核在三维空间中的操作。然后,要列举具体的应用场景,比如肿瘤检测、器官分割等,用户可能关心医学上的实际应用,所以这部分需要详细说明。接着,数据处理步骤也很重要,包括预处理、数据增强和标准化,这些步骤能帮助提高模型的性能。最后,挑战部分需要提到数据量和计算资源的问题,这样用户能了解实际应用中的难点。 然后是RRT*算法部分。用户提到的是RRT星,需要明确它相比RRT的改进,比如渐进最优性和重布线过程。应该分步骤解释算法流程,从初始化到路径优化,每个步骤都要简明扼要。应用场景方面,可以结合参考中的机器人路径规划,但用户可能也想知道其他领域,比如无人机或手术导航。最后,实现中的关键点,比如碰撞检测和步长调整,需要强调这些对算法效果的影响。 用户的需求可能涉及实际应用,所以需要结合参考文献中的MATLAB代码示例,说明如何实现这些算法。同时,生成的相关问题要覆盖方法的优化、挑战和应用,帮助用户进一步探索。要注意引用标识的正确添加,确保引用来源与内容对应,比如RRT*在路径规划中的应用来自引用1和5。 另外,用户可能希望了解这两个技术的结合点,比如在医学影像导航中,使用3D CNN识别病灶后,用RRT*规划手术路径。虽然用户没有直接问,但可以作为扩展点,但根据问题描述,用户主要想分别了解两者,所以可能不需要深入结合部分,但可以在回答中稍作提及。 需要检查是否符合格式要求,特别是数学公式的格式是否正确,比如3D CNN中的卷积操作是否用$...$,独立公式用$$...$$。同时,确保所有引用都正确标注,例如RRT*的引用来自引用1、2、3、5等。 最后,生成的相关问题要针对每个主题,分别提出技术细节、优化方法和应用场景,帮助用户深入理解。例如,3D CNN的数据处理挑战,RRT*的优化方法等。</think>### 使用3D卷积神经网络处理CT医学影像的方法与应用 #### 1. 3D CNN的核心原理 3D CNN通过三维卷积核提取CT影像的$H \times W \times D$空间特征,其卷积操作可表示为: $$F_{out}(x,y,z) = \sum_{i=0}^{k_h-1} \sum_{j=0}^{k_w-1} \sum_{l=0}^{k_d-1} W(i,j,l) \cdot F_{in}(x+i, y+j, z+l) + b$$ 其中$k_h, k_w, k_d$为卷积核尺寸。相比2D CNN,3D卷积能捕捉器官的立体空间关系[^1]。 #### 2. 典型应用场景 - **肿瘤检测**:通过端到端训练识别肺结节恶性特征(如毛刺征、分叶征) - **器官分割**:实现肝脏、肾脏等器官的像素级定位,Dice系数可达0.92+ - **疾病分级**:对COPD、肺纤维化进行严重程度评估 - **手术规划**:结合路径规划算法辅助穿刺导航 #### 3. 数据处理关键步骤 1. **预处理**:Hounsfield值截断(-1000~400),各向同性重采样(1×1×1mm³) 2. **数据增强**:三维随机旋转(±15°)、弹性形变、灰度扰动 3. **标准化**:Z-score归一化,脑部CT常用$\mu=40$, $\sigma=80$ #### 4. 挑战与解决方案 | 挑战 | 解决方案 | |-------|---------| | GPU显存限制 | 使用patch-based训练(64×64×64) | | 类别不平衡 | 3D focal loss(γ=2) + 加权采样 | | 伪影干扰 | 添加非局部注意力模块 | ### RRT*算法实现安全路径规划 #### 1. RRT*算法改进特性 在基础RRT[^2][^3]上增加: 1. **渐进最优性**:通过重布线(re-wiring)逐步优化路径成本 2. **代价函数**:$$J(\sigma) = \int_{0}^{L} c(\sigma(s)) ds$$ 3. **碰撞检测**:使用AABB包围盒进行快速碰撞检测 #### 2. 算法实现步骤 ```python def RRT_star(start, goal): tree = initialize_tree(start) for _ in range(max_iter): q_rand = sample_free_space() q_near = nearest_neighbor(tree, q_rand) q_new = steer(q_near, q_rand, step_size) if collision_free(q_near, q_new): tree.add_edge(q_near, q_new) rewire(q_new, radius) # 关键优化步骤 return extract_path(tree) ``` #### 3. 安全规划关键技术 - **动态步长调整**:根据障碍物密度自适应调整步长$\eta$ $$ \eta = \eta_0 \cdot e^{-\lambda \cdot d_{obs}} $$ - **安全走廊**:结合APF算法构建排斥场 - **实时性优化**:KD-Tree加速近邻搜索,时间复杂度$O(n \log n)$ ###
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