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【路径规划】局部路径规划算法——DWA算法(动态窗口法)|(含python实现 | c++实现)

2023-08-31 13:59

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参考资料

1. DWA算法原理

1.1 简介

1.2 算法原理

1. 速度采样

由于移动机器人硬件、结构和环境等限制条件,移动机器人的速度采样空间 Vs \mathbf{V}_{\mathrm{s}} Vs ( v , ω ) (v, \omega) (v,ω) 有一定的范围限制。该限制主要分为三大类:

结合上述三类速度限制, 最终的移动机器人速度采样空间是三个速度空间的交集,即
V s = V m ∩ V d ∩ V a (4) \tag{4} \mathbf{V}_s=\mathbf{V}_m \cap \mathbf{V}_d \cap \mathbf{V}_a Vs=VmVdVa(4)

2. 轨迹预测(轨迹推算)

上面轨迹推算这块是我比较肤浅的理解,因为按照原论文是需要假设相邻时间段内机器人的轨迹是圆弧,然后再进行轨迹推算,感兴趣的朋友可以直接查看原论文。

3. 轨迹评价

确定了机器人约束速度范围后,有一些速度模拟的轨迹是可行的, 但是还有不达标的轨迹, 这需要对采样得到的多组轨迹进行评价择优。通过标准评价轨迹, 比较评分来选出最优轨迹, 然后选取最优轨迹对应的速度作为驱动速度。对每条轨迹进行评估 的评价函数如公式 ( 5 ) (5) (5) 所示。
G ( v , ω ) = σ ( α ⋅ heading ⁡ ( v , ω ) ) + σ ( β ⋅ dist ⁡ ( v , ω ) ) + σ ( γ ⋅ velocity ⁡ ( v , ω ) ) (5) \tag{5} G(v, \omega)=\sigma(\alpha \cdot \operatorname{heading}(v, \omega))+\sigma(\beta \cdot \operatorname{dist}(v, \omega))+\sigma(\gamma \cdot \operatorname{velocity}(v, \omega)) G(v,ω)=σ(αheading(v,ω))+σ(βdist(v,ω))+σ(γvelocity(v,ω))(5)

以上三种评价函数只是给了个大体的意思,并不绝对,例如有的人是把评价函数作为代价,代价越小,轨迹越优。可根据自己的想法进行评价函数的设置,但无论怎么变,这三种评价函数都是需要的。

α、β \alpha 、 \beta αβ γ \gamma γ 均为评价函数的系数。由于局部路径规划的过程需要多传感器的采集, 采集信息无法做到连续, 这样也会使得评价后差别较大, 所以可以进行归一化处理(平滑处理), 其中 σ \sigma σ 表示 归一化。

DWA算法的流程如下图所示。

2. Python实现

完整程序请移步github仓库
本次代码的参数配置画图代码参考了AtsushiSakai/PythonRobotics

2.1 参数配置

使用一个类来保存需要设置的参数。

import numpy as npimport matplotlib.pyplot as pltimport copyfrom celluloid import Camera  # 保存动图时用,pip install celluloidimport mathclass Config:    """    simulation parameter class    """    def __init__(self):        # robot parameter        # 线速度边界        self.v_max = 1.0  # [m/s]        self.v_min = -0.5  # [m/s]        # 角速度边界        self.w_max = 40.0 * math.pi / 180.0  # [rad/s]        self.w_min = -40.0 * math.pi / 180.0  # [rad/s]        # 线加速度和角加速度最大值        self.a_vmax = 0.2  # [m/ss]        self.a_wmax = 40.0 * math.pi / 180.0  # [rad/ss]        # 采样分辨率         self.v_sample = 0.01  # [m/s]        self.w_sample = 0.1 * math.pi / 180.0  # [rad/s]        # 离散时间间隔        self.dt = 0.1  # [s] Time tick for motion prediction        # 轨迹推算时间长度        self.predict_time = 3.0  # [s]        # 轨迹评价函数系数        self.alpha = 0.15        self.beta = 1.0        self.gamma = 1.0        # Also used to check if goal is reached in both types        self.robot_radius = 1.0  # [m] for collision check                self.judge_distance = 10 # 若与障碍物的最小距离大于阈值(例如这里设置的阈值为robot_radius+0.2),则设为一个较大的常值        # 障碍物位置 [x(m) y(m), ....]        self.ob = np.array([[-1, -1],                    [0, 2],                    [4.0, 2.0],                    [5.0, 4.0],                    [5.0, 5.0],                    [5.0, 6.0],                    [5.0, 9.0],                    [8.0, 9.0],                    [7.0, 9.0],                    [8.0, 10.0],                    [9.0, 11.0],                    [12.0, 13.0],                    [12.0, 12.0],                    [15.0, 15.0],                    [13.0, 13.0]                    ])        # 目标点位置        self.target = np.array([10,10])

值得注意的是,这边障碍物只给了位置,并没有给定大小,因为这边相当于把障碍物的大小合并到了机器人本体大小上,也即代码中的robot_radius上。

2.2 机器人运动学模型

主要用于轨迹推算。

def KinematicModel(state,control,dt):  """机器人运动学模型  Args:      state (_type_): 状态量---x,y,yaw,v,w      control (_type_): 控制量---v,w,线速度和角速度      dt (_type_): 离散时间  Returns:      _type_: 下一步的状态  """  state[0] += control[0] * math.cos(state[2]) * dt  state[1] += control[0] * math.sin(state[2]) * dt  state[2] += control[1] * dt  state[3] = control[0]  state[4] = control[1]  return state

在这里顺便保存了线速度和角速度作为状态分量,便于后面轨迹计算。

2.3 DWA算法类实现

通过一个类来实现DWA算法的速度采样、轨迹预测、轨迹评价三个主要步骤。

class DWA:    def __init__(self,config) -> None:        """初始化        Args:            config (_type_): 参数类        """        self.dt=config.dt        self.v_min=config.v_min        self.w_min=config.w_min        self.v_max=config.v_max        self.w_max=config.w_max        self.predict_time = config.predict_time        self.a_vmax = config.a_vmax        self.a_wmax = config.a_wmax        self.v_sample = config.v_sample # 线速度采样分辨率        self.w_sample = config.w_sample # 角速度采样分辨率        self.alpha = config.alpha        self.beta = config.beta        self.gamma = config.gamma        self.radius = config.robot_radius        self.judge_distance = config.judge_distance    def dwa_control(self,state,goal,obstacle):        """滚动窗口算法入口        Args:            state (_type_): 机器人当前状态--[x,y,yaw,v,w]            goal (_type_): 目标点位置,[x,y]            obstacle (_type_): 障碍物位置,dim:[num_ob,2]        Returns:            _type_: 控制量、轨迹(便于绘画)        """        control,trajectory = self.trajectory_evaluation(state,goal,obstacle)        return control,trajectory    def cal_dynamic_window_vel(self,v,w,state,obstacle):        """速度采样,得到速度空间窗口        Args:            v (_type_): 当前时刻线速度            w (_type_): 当前时刻角速度            state (_type_): 当前机器人状态            obstacle (_type_): 障碍物位置        Returns:            [v_low,v_high,w_low,w_high]: 最终采样后的速度空间        """        Vm = self.__cal_vel_limit()        Vd = self.__cal_accel_limit(v,w)        Va = self.__cal_obstacle_limit(state,obstacle)        a = max([Vm[0],Vd[0],Va[0]])        b = min([Vm[1],Vd[1],Va[1]])        c = max([Vm[2], Vd[2],Va[2]])        d = min([Vm[3], Vd[3],Va[3]])        return [a,b,c,d]    def __cal_vel_limit(self):        """计算速度边界限制Vm        Returns:            _type_: 速度边界限制后的速度空间Vm        """        return [self.v_min,self.v_max,self.w_min,self.w_max]        def __cal_accel_limit(self,v,w):        """计算加速度限制Vd        Args:            v (_type_): 当前时刻线速度            w (_type_): 当前时刻角速度        Returns:             _type_:考虑加速度时的速度空间Vd        """        v_low = v-self.a_vmax*self.dt        v_high = v+self.a_vmax*self.dt        w_low = w-self.a_wmax*self.dt        w_high = w+self.a_wmax*self.dt        return [v_low, v_high,w_low, w_high]        def __cal_obstacle_limit(self,state,obstacle):        """环境障碍物限制Va        Args:            state (_type_): 当前机器人状态            obstacle (_type_): 障碍物位置        Returns:            _type_: 某一时刻移动机器人不与周围障碍物发生碰撞的速度空间Va        """        v_low=self.v_min        v_high = np.sqrt(2*self._dist(state,obstacle)*self.a_vmax)        w_low =self.w_min        w_high = np.sqrt(2*self._dist(state,obstacle)*self.a_wmax)        return [v_low,v_high,w_low,w_high]    def trajectory_predict(self,state_init, v,w):        """轨迹推算        Args:            state_init (_type_): 当前状态---x,y,yaw,v,w            v (_type_): 当前时刻线速度            w (_type_): 当前时刻线速度        Returns:            _type_: _description_        """        state = np.array(state_init)        trajectory = state        time = 0        # 在预测时间段内        while time <= self.predict_time:            x = KinematicModel(state, [v,w], self.dt) # 运动学模型            trajectory = np.vstack((trajectory, x))            time += self.dt        return trajectory    def trajectory_evaluation(self,state,goal,obstacle):        """轨迹评价函数,评价越高,轨迹越优        Args:            state (_type_): 当前状态---x,y,yaw,v,w            dynamic_window_vel (_type_): 采样的速度空间窗口---[v_low,v_high,w_low,w_high]            goal (_type_): 目标点位置,[x,y]            obstacle (_type_): 障碍物位置,dim:[num_ob,2]        Returns:            _type_: 最优控制量、最优轨迹        """        G_max = -float('inf') # 最优评价        trajectory_opt = state # 最优轨迹        control_opt = [0.,0.] # 最优控制        dynamic_window_vel = self.cal_dynamic_window_vel(state[3], state[4],state,obstacle) # 第1步--计算速度空间                # sum_heading,sum_dist,sum_vel = 0,0,0 # 统计全部采样轨迹的各个评价之和,便于评价的归一化        # # 在本次实验中,不进行归一化也可实现该有的效果。        # for v in np.arange(dynamic_window_vel[0],dynamic_window_vel[1],self.v_sample):        #     for w in np.arange(dynamic_window_vel[2], dynamic_window_vel[3], self.w_sample):           #         trajectory = self.trajectory_predict(state, v, w)          #         heading_eval = self.alpha*self.__heading(trajectory,goal)        #         dist_eval = self.beta*self.__dist(trajectory,obstacle)        #         vel_eval = self.gamma*self.__velocity(trajectory)        #         sum_vel+=vel_eval        #         sum_dist+=dist_eval        #         sum_heading +=heading_eval        sum_heading,sum_dist,sum_vel = 1,1,1 # 不进行归一化        # 在速度空间中按照预先设定的分辨率采样        for v in np.arange(dynamic_window_vel[0],dynamic_window_vel[1],self.v_sample):            for w in np.arange(dynamic_window_vel[2], dynamic_window_vel[3], self.w_sample):                trajectory = self.trajectory_predict(state, v, w)  # 第2步--轨迹推算                heading_eval = self.alpha*self.__heading(trajectory,goal)/sum_heading                dist_eval = self.beta*self.__dist(trajectory,obstacle)/sum_dist                vel_eval = self.gamma*self.__velocity(trajectory)/sum_vel                G = heading_eval+dist_eval+vel_eval # 第3步--轨迹评价                if G_max<=G:                    G_max = G                    trajectory_opt = trajectory                    control_opt = [v,w]        return control_opt, trajectory_opt    def _dist(self,state,obstacle):        """计算当前移动机器人距离障碍物最近的几何距离        Args:            state (_type_): 当前机器人状态            obstacle (_type_): 障碍物位置        Returns:            _type_: 移动机器人距离障碍物最近的几何距离        """        ox = obstacle[:, 0]        oy = obstacle[:, 1]        dx = state[0,None] - ox[:, None]        dy = state[1,None] - oy[:, None]        r = np.hypot(dx, dy)        return np.min(r)    def __dist(self,trajectory,obstacle):        """距离评价函数        表示当前速度下对应模拟轨迹与障碍物之间的最近距离;        如果没有障碍物或者最近距离大于设定的阈值,那么就将其值设为一个较大的常数值。        Args:            trajectory (_type_): 轨迹,dim:[n,5]                        obstacle (_type_): 障碍物位置,dim:[num_ob,2]        Returns:            _type_: _description_        """        ox = obstacle[:, 0]        oy = obstacle[:, 1]        dx = trajectory[:, 0] - ox[:, None]        dy = trajectory[:, 1] - oy[:, None]        r = np.hypot(dx, dy)        return np.min(r) if np.array(r <self.radius+0.2).any() else self.judge_distance    def __heading(self,trajectory, goal):        """方位角评价函数        评估在当前采样速度下产生的轨迹终点位置方向与目标点连线的夹角的误差        Args:            trajectory (_type_): 轨迹,dim:[n,5]            goal (_type_): 目标点位置[x,y]        Returns:            _type_: 方位角评价数值        """        dx = goal[0] - trajectory[-1, 0]        dy = goal[1] - trajectory[-1, 1]        error_angle = math.atan2(dy, dx)        cost_angle = error_angle - trajectory[-1, 2]        cost = math.pi-abs(cost_angle)        return cost    def __velocity(self,trajectory):        """速度评价函数, 表示当前的速度大小,可以用模拟轨迹末端位置的线速度的大小来表示        Args:            trajectory (_type_): 轨迹,dim:[n,5]        Returns:            _type_: 速度评价        """        return trajectory[-1,3]

从后面的实验效果上看,这边没有进行归一化也是可以的。

2.4 画图

主要用于机器人和方向箭头的绘制。

def plot_arrow(x, y, yaw, length=0.5, width=0.1):  # pragma: no cover    plt.arrow(x, y, length * math.cos(yaw), length * math.sin(yaw),              head_length=width, head_width=width)    plt.plot(x, y)def plot_robot(x, y, yaw, config):  # pragma: no cover        circle = plt.Circle((x, y), config.robot_radius, color="b")        plt.gcf().gca().add_artist(circle)        out_x, out_y = (np.array([x, y]) +                        np.array([np.cos(yaw), np.sin(yaw)]) * config.robot_radius)        plt.plot([x, out_x], [y, out_y], "-k")

2.5 主函数

def main(config):    # initial state [x(m), y(m), yaw(rad), v(m/s), omega(rad/s)]    x = np.array([0.0, 0.0, math.pi / 8.0, 0.0, 0.0])    # goal position [x(m), y(m)]    goal = config.target    # input [forward speed, yaw_rate]    trajectory = np.array(x)    ob = config.ob    dwa = DWA(config)    fig=plt.figure(1)    camera = Camera(fig)    while True:        u, predicted_trajectory = dwa.dwa_control(x,goal, ob)        x = KinematicModel(x, u, config.dt)  # simulate robot        trajectory = np.vstack((trajectory, x))  # store state history        plt.cla()        # for stopping simulation with the esc key.        plt.gcf().canvas.mpl_connect(            'key_release_event',            lambda event: [exit(0) if event.key == 'escape' else None])        plt.plot(predicted_trajectory[:, 0], predicted_trajectory[:, 1], "-g")        plt.plot(x[0], x[1], "xr")        plt.plot(goal[0], goal[1], "xb")        plt.plot(ob[:, 0], ob[:, 1], "ok")        plot_robot(x[0], x[1], x[2], config)        plot_arrow(x[0], x[1], x[2])        plt.axis("equal")        plt.grid(True)        plt.pause(0.001)        # check reaching goal        dist_to_goal = math.hypot(x[0] - goal[0], x[1] - goal[1])        if dist_to_goal <= config.robot_radius:            print("Goal!!")            break        # camera.snap()        # print(x)        # print(u)    print("Done")    plt.plot(trajectory[:, 0], trajectory[:, 1], "-r")    plt.pause(0.001)    # camera.snap()    # animation = camera.animate()    # animation.save('trajectory.gif')    plt.show()main(Config())

运行主函数,即可得到下图所示的效果:

在这里插入图片描述

3. c++实现

由于在自动驾驶中算法实现一般使用C++,所以我也使用C++实现了相关功能,代码结构与python代码实现类似,这边就不再做相关代码解释了。完整代码详见另一个github仓库

4. 总结

起初在不了解之前我以为DWA算法是一种很难实现的算法,但最近因为毕设想要用到这个传统方法进行对比,所以花了点时间去看别人写的论文,发现DWA算法的原理比较简单,代码实现也比较简单,并没有我想象中得那么困难。所以还是不能有畏难心理

在实际调试过程中发现评价函数的设置非常重要,设置的不好,以及参数设置的不好(例如评价函数的系数),那么就极有可能算法失效。也看了一些别人写的论文,针对DWA算法的改进基本也是集中在评价函数上,所以如果需要改进效果的话不妨从这上面入手。

来源地址:https://blog.csdn.net/weixin_42301220/article/details/127769819

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