一文带你了解全覆盖路径规划算法(CCPP)

本文介绍了全覆盖路径规划算法(CCPP),包括随机碰撞法、单元分解法、生物激励法、模板法和智能算法等,并探讨了各种方法的优缺点。随机碰撞法简单但效率低,单元分解法则通过细胞分解覆盖区域,生物激励法利用生物模型进行路径规划,模板法依赖预设运动模式,而智能算法如遗传算法和蚁群算法则用于优化路径。

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作者:K.Fire  | 来源:计算机视觉工坊

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1 前言

全覆盖路径规划(complete coverage path planning, CCPP)问题的任务是确定一条路径,该路径在避开障碍物的情况下通过一个区域或一定空间范围内的所有点。

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Choset根据环境地图是否先验已知,将全覆盖路径规划算法分为“在线式”和“离线式”两类。离线式CCPP算法只依赖于静态环境信息,并且假设环境是先验已知的。然而,在许多情况下,假设对环境有充分的先验知识可能是不现实的。在线式CCPP算法不假设对要覆盖的环境有充分的先验知识,而是利用传感器数据实时扫描目标空间。因此,这些后期算法也被称为基于传感器的覆盖算法。这里也推荐「3D视觉工坊」新课程

### 机器人覆盖路径规划概述 在机器人学、人工智能以及自动化领域,覆盖路径规划是一项关键技术,旨在确保机器人能够在指定区域内无遗漏地访问每一个位置。这类技术特别适用于清洁机器人、农业自动设备以及其他需要覆盖工作区的应用场景[^1]。 #### 路径规划的目标与挑战 覆盖路径规划不仅追求高效遍历整个作业面,还需考虑如何规避障碍物并减少重复行走的距离。对于复杂的室内布局或户外地形而言,这构成了相当大的挑战。为了应对这些难题,研究人员提出了多种解决方案,其中包括但不限于A*算法及其变体用于解决往返式的区域覆盖问题;而智能优化方法由于具备强大的局探索能力,则被证明更适合于处理更为棘手的情况[^2]。 #### 基于栅格的地图表示法 一种常见的做法是采用离散化的网格模型来描述操作空间——即将连续的空间划分为有限数量的小单元(即“栅格”),从而简化了计算过程。尽管这种方法可以有效降低复杂度,但在某些情况下可能会导致较高的运算成本,尤其是在面对大规模地图时尤为明显[^3]。 #### A*算法的具体应用实例 针对上述提到的难点之一——即实现高质量的往返式覆盖路线设计,《基于A\*算法的往返式覆盖路径规划一文中介绍了一种改进型方案,并提供了具体的MATLAB代码示例以供参考: ```matlab function [path, cost] = improved_astar_coverage(startPos, goalPos, mapGrid) % 定义启发函数h(n),这里简单取曼哈顿距离作为估计值 h = @(pos) abs(pos(1)-goalPos(1)) + abs(pos(2)-goalPos(2)); openList = PriorityQueue(); % 初始化开放列表 closedSet = {}; % 已经评估过的节点集合 gScore = inf(size(mapGrid));% 到达各点的实际代价初始化为无穷大 fScore = inf(size(mapGrid));% 预估总费用同样设为极大数 currentPos = startPos; ... end ``` 此段伪代码展示了利用优先队列管理待考察状态的方式,配合恰当的选择标准(如最小化f-score),最终构建出既安又经济实惠的理想轨迹。
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