Dubins曲線的計算與實現

2021-08-28 23:03:31 字數 1970 閱讀 8309

dubins曲線計算與實現

1.dubins曲線簡介

dubins曲線是在滿足曲率約束和規定的始端和末端的切線(進入方向)的條件下,連線兩個二維平面的最短路徑,而且限制目標只能向前行進。

下圖給出乙個dubins曲線的例子,其中a表示起始位置,該出的箭頭表示當前的速度方向,b表示目標位置,箭頭表示結束方向,物體會沿著圓弧於東後,再經過一段直線到,進入b的圓弧。這裡兩個圓的半徑相同,均為目標的最小轉彎半徑。dubins曲線的規劃的目的是找到一條從起始點到目標點的最短距離,並且需要滿足轉彎半徑、前進方向、初始相對位置和速度方向的曲線。

2.dubins曲線的分類

針對上述的問題,在滿足限制下,會有多條曲線可行。而問題的最優解在於尋找到路徑最短的曲線。因而我們需要計算每種情況下最優曲線,找到其中路徑最短的,作為最優解。

針對於起始點pi和終止點pf,採用three path segment的方法。將路徑分為三段。分別是起始點到切線點1段,從切線點1到切線點2段,從切點2到終止點段。依據每段路徑的方向,dubins集合 d = 。l表示從沿逆時針方向的圓弧運動,r表示沿順時針方向圓弧運動,l表示沿直線運動。

3.針對不同型別的dubins方法,計算路徑長度

輸入資料:

pi(x, y, alpha), pf(x, y, beta), r;

輸出:杜賓斯路徑長度與路徑點

(1).資料處理:

進行座標系轉換,將原始的直角座標系轉換為,以pi到pf為x軸,垂直於該方向向上為y軸。

經過座標系旋轉後,

起始點pi的座標為(0,0,alpha - theta),pf(d, 0, beta-theta);

其中theta為從pi到pf向量的角度

用d/r單位化,可以將問題化簡。即轉彎半徑r = 1,這樣處理可以直接使用弧度來表示路徑的長度,可大大簡化後續的計算工作

(2)計算dubins路徑長度過程

將整個路徑長度l分為三段:

l= t + p + q分別對應於上述的分割段

1)lsl型的路徑

解上述方程可以得到分階段的路徑長度

2).rsr型路徑

解方程得到:

3).rsl型路徑

解方程

同上述的三個型別路徑的計算方法,這裡不再贅述

具體的計算方法可參考

classification of the dubins set. shkel, a.m. 1 ; lumelsky, v. 1

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