全局路径规划RRT算法原理

无人驾驶路径规划

众所周知，无人驾驶大致可以分为三个方面的工作：感知，决策及控制。

路径规划是感知和控制之间的决策阶段，主要目的是考虑到车辆动力学、机动能力以及相应规则和道路边界条件下，为车辆提供通往目的地的安全和无碰撞的路径。

路径规划问题可以分为两个方面：

（一）全局路径规划：全局路径规划算法属于静态规划算法，根据已有的地图信息（SLAM）为基础进行路径规划，寻找一条从起点到目标点的最优路径。

通常全局路径规划的实现包括Dijikstra算法，A*算法，RRT算法等经典算法，也包括蚁群算法、遗传算法等智能算法；

（二）局部路径规划：局部路径规划属于动态规划算法，是无人驾驶汽车根据自身传感器感知周围环境，规划处一条车辆安全行驶所需的路线，常应用于超车，避障等情景。通常局部路径规划的实现包括动态窗口算法（DWA），人工势场算法，贝塞尔曲线算法等，也有学者提出神经网络等智能算法。

本系列就从无人驾驶路径规划的这两方面进行展开，对一些经典的算法原理进行介绍，并根据个人的一些理解和想法提出了一些改进的意见，通过Matlab2019对算法进行了仿真和验证。过程中如果有错误的地方，欢迎在评论区留言讨论，如有侵权请及时联系。

那么废话不多说，直接进入第一部分的介绍，全局路径规划算法-RRT算法。

全局路径规划 - RRT算法原理

RRT算法，即快速随机树算法（Rapid Random Tree），是LaValle在1998年首次提出的一种高效的路径规划算法。RRT算法以初始的一个根节点，通过随机采样的方法在空间搜索，然后添加一个又一个的叶节点来不断扩展随机树。

当目标点进入随机树里面后，随机树扩展立即停止，此时能找到一条从起始点到目标点的路径。算法的计算过程如下：

step1：初始化随机树。将环境中起点作为随机树搜索的起点，此时树中只包含一个节点即根节点；

stpe2：在环境中随机采样。在环境中随机产生一个点，若该点不在障碍物范围内则计算随机树中所有节点到的欧式距离，并找到距离最近的节点，若在障碍物范围内则重新生成并重复该过程直至找到;

stpe3：生成新节点。在和连线方向，由指向固定生长距离生成一个新的节点，并判断该节点是否在障碍物范围内，若不在障碍物范围内则将添加到随机树 中，否则的话返回step2重新对环境进行随机采样；

step4：停止搜索。当和目标点之间的距离小于设定的阈值时，则代表随机树已经到达了目标点，将作为最后一个路径节点加入到随机树中，算法结束并得到所规划的路径 。

RRT算法由于其随机采样及概率完备性的特点，使得其具有如下优势：

（1）不需要对环境具体建模，有很强空间搜索能力；

（2）路径规划速度快；

（3）可以很好解决复杂环境下的路径规划问题。

但同样是因为随机性，RRT算法也存在很多不足的方面：

（1）随机性强，搜索没有目标性，冗余点多，且每次规划产生的路径都不一样，均不一是最优路径；

（2）可能出现计算复杂、所需的时间过长、易于陷入死区的问题；

（3）由于树的扩展是节点之间相连，使得最终生成的路径不平滑；

（4）不适合动态环境，当环境中出现动态障碍物时，RRT算法无法进行有效的检测；

（5）对于狭长地形，可能无法规划出路径。