自动驾驶规划模块学习笔记-多项式曲线

这篇具有很好参考价值的文章主要介绍了自动驾驶规划模块学习笔记-多项式曲线。希望对大家有所帮助。如果存在错误或未考虑完全的地方,请大家不吝赐教,您也可以点击"举报违法"按钮提交疑问。

自动驾驶运动规划中会用到各种曲线,主要用于生成车辆变道的轨迹,高速场景中使用的是五次多项式曲线,城市场景中使用的是分段多项式曲线(piecewise),相比多项式,piecewise能够生成更为复杂的路径。另外对于自由空间,可以使用A*搜索出的轨迹再加以cilqr加以平滑,也能直接供控制使用。下面的内容不一定都对,欢迎大家一起交流学习~

目录

基础类

三次多项式曲线

四次多项式曲线

五次多项式曲线

下期预告:piecewise曲线 


基础类

// 基类Curve1d,定义一维曲线(变量是时间)
class Curve1d {
 public:
  // 构造函数
  Curve1d() = default;
  // 拷贝构造函数
  Curve1d(const Curve1d& other) = default;
  // 有继承的基类的析构函数需要定义为虚函数
  virtual ~Curve1d() = default;
  // 纯虚函数,子类实现,曲线不同阶数对应的param时刻的结果
  virtual double Evaluate(const std::uint32_t order, const double param) const = 0;
  // 纯虚函数,子类实现,时长
  virtual double ParamLength() const = 0;
};

三次多项式曲线

自动驾驶规划模块学习笔记-多项式曲线

构造函数定义

x0初始位置,dx0初始速度,ddx0初始加速度,x1终点位置,param时间长度,这个很好理解

// 定义了两种构造函数的实现

// 第一种构造函数的实现是直接调用第二种构造函数
CubicPolynomialCurve1d::CubicPolynomialCurve1d(const std::array<double, 3>& start, const double end, const double param)
    : CubicPolynomialCurve1d(start[0], start[1], start[2], end, param) {}

// 第二种构造函数,x0初始位置,dx0初始速度,ddx0初始加速度,x1终点位置,param时间长度
CubicPolynomialCurve1d::CubicPolynomialCurve1d(const double x0, const double dx0, const double ddx0, const double x1,
                                               const double param) {
  ComputeCoefficients(x0, dx0, ddx0, x1, param);
  param_ = param;
  start_condition_[0] = x0;
  start_condition_[1] = dx0;
  start_condition_[2] = ddx0;
  end_condition_ = x1;
}

计算多项式系数

方法1:一般地,自动驾驶里初始状态对应的是当前时刻,规划时长为param的轨迹,可以理解初始状态即为0时刻的状态,这样的话,多项式系数就很好求出来了

 

void CubicPolynomialCurve1d::ComputeCoefficients(const double x0, const double dx0, const double ddx0, const double x1,
                                                 const double param) {
  assert(param > 0.0);
  const double p2 = param * param;
  const double p3 = param * p2;
  coef_[0] = x0;
  coef_[1] = dx0;
  coef_[2] = 0.5 * ddx0;
  coef_[3] = (x1 - x0 - dx0 * param - coef_[2] * p2) / p3;
}

方法2:已知初始和终点的位置和速度,没有加速度,也比较简单,C2和C3需要手动推算下

自动驾驶规划模块学习笔记-多项式曲线, p为终点时刻

自动驾驶规划模块学习笔记-多项式曲线

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// 注意这里的返回类型,用到了this指针,相当于返回一个实例化的类
CubicPolynomialCurve1d& CubicPolynomialCurve1d::FitWithEndPointFirstOrder(const double x0, const double dx0, const double x1, 
                                                                          const double dx1, const double param) {
  if (param <= 0.0) {
    return *this;
  }
  param_ = param;
  coef_[0] = x0;
  coef_[1] = dx0;

  double param2 = param * param;
  double param3 = param2 * param;
  
  double b0 = dx1 + 2 * coef_[1];
  double b1 = dx1 + coef_[1];

  coef_[2] = (3 * x1 - b0 * param -3 * coef_[0]) / param2;
  coef_[3] = (2 * coef_[0] + b1 * param - 2 * x1) / param3;

  return *this;
}

方法3:通过四次多项式曲线来推算,这里用到四次多项式求导为三次多项式的关系

自动驾驶规划模块学习笔记-多项式曲线

自动驾驶规划模块学习笔记-多项式曲线

以此类推

// 这里为什么要用静态类型转换static_cast
void CubicPolynomialCurve1d::DerivedFromQuarticCurve(const PolynomialCurve1d& other) {
  assert(other.Order() == 4);
  param_ = other.ParamLength();
  for (size_t i = 1; i < 5; ++i) {
    coef_[i - 1] = other.Coef(i) * static_cast<double>(i);
  }
}

多项式曲线阶数求值

这里代码有点没太看懂,p是param的几次方?

自动驾驶规划模块学习笔记-多项式曲线

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double CubicPolynomialCurve1d::Evaluate(const std::uint32_t order, const double p) const {
  switch (order) {
    case 0: {
      return ((coef_[3] * p + coef_[2]) * p + coef_[1]) * p + coef_[0];
    }
    case 1: {
      return (3.0 * coef_[3] * p + 2.0 * coef_[2]) * p + coef_[1];
    }
    case 2: {
      return 6.0 * coef_[3] * p + 2.0 * coef_[2];
    }
    case 3: {
      return 6.0 * coef_[3];
    }
    default:
      return 0.0;
  }
}

四次多项式曲线

构造函数

 四次多项式有五个系数,所以需要五个状态量

QuarticPolynomialCurve1d::QuarticPolynomialCurve1d(
    const std::array<double, 3>& start, const std::array<double, 2>& end,
    const double param)
    : QuarticPolynomialCurve1d(start[0], start[1], start[2], end[0], end[1],
                               param) {}

QuarticPolynomialCurve1d::QuarticPolynomialCurve1d(
    const double x0, const double dx0, const double ddx0, const double dx1,
    const double ddx1, const double param) {
  param_ = param;
  start_condition_[0] = x0;
  start_condition_[1] = dx0;
  start_condition_[2] = ddx0;
  end_condition_[0] = dx1;
  end_condition_[1] = ddx1;
  ComputeCoefficients(x0, dx0, ddx0, dx1, ddx1, param);
}

求解多项式系数

方法1:已知初始状态x0,dx0,ddx0和终点状态dx1,ddx1,相当于终点的位置是不确定的。代码中C3和C4计算没有使用C1和C2,是避免计算过程中带来的误差,是一种较好的处理方法。但阅读起来可能不直观,可以参考下面公式,实质是一样的。

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void QuarticPolynomialCurve1d::ComputeCoefficients(
    const double x0, const double dx0, const double ddx0, const double dx1,
    const double ddx1, const double p) {
  CHECK_GT(p, 0.0);

  coef_[0] = x0;
  coef_[1] = dx0;
  coef_[2] = 0.5 * ddx0;

  double b0 = dx1 - ddx0 * p - dx0;
  double b1 = ddx1 - ddx0;

  double p2 = p * p;
  double p3 = p2 * p;

  coef_[3] = (3 * b0 - b1 * p) / (3 * p2);
  coef_[4] = (-2 * b0 + b1 * p) / (4 * p3);
}

方法2和3:终点或初始位置的加速度不确定,已知其他参数,推导过程与上面类似,注意这里返回的是实例化的类

QuarticPolynomialCurve1d& QuarticPolynomialCurve1d::FitWithEndPointFirstOrder(
    const double x0, const double dx0, const double ddx0, const double x1,
    const double dx1, const double p) {
  CHECK_GT(p, 0.0);

  param_ = p;

  coef_[0] = x0;

  coef_[1] = dx0;

  coef_[2] = 0.5 * ddx0;

  double p2 = p * p;
  double p3 = p2 * p;
  double p4 = p3 * p;

  double b0 = x1 - coef_[0] - coef_[1] * p - coef_[2] * p2;
  double b1 = dx1 - dx0 - ddx0 * p;

  coef_[4] = (b1 * p - 3 * b0) / p4;
  coef_[3] = (4 * b0 - b1 * p) / p3;
  return *this;
}
QuarticPolynomialCurve1d& QuarticPolynomialCurve1d::FitWithEndPointSecondOrder(
    const double x0, const double dx0, const double x1, const double dx1,
    const double ddx1, const double p) {
  CHECK_GT(p, 0.0);

  param_ = p;

  coef_[0] = x0;

  coef_[1] = dx0;

  double p2 = p * p;
  double p3 = p2 * p;
  double p4 = p3 * p;

  double b0 = x1 - coef_[0] - coef_[1] * p;
  double b1 = dx1 - coef_[1];
  double c1 = b1 * p;
  double c2 = ddx1 * p2;

  coef_[2] = (0.5 * c2 - 3 * c1 + 6 * b0) / p2;
  coef_[3] = (-c2 + 5 * c1 - 8 * b0) / p3;
  coef_[4] = (0.5 * c2 - 2 * c1 + 3 * b0) / p4;

  return *this;
}

方法4和5:根据三次多项式积分或五次多项式微分得到

QuarticPolynomialCurve1d& QuarticPolynomialCurve1d::IntegratedFromCubicCurve(
    const PolynomialCurve1d& other, const double init_value) {
  CHECK_EQ(other.Order(), 3U);
  param_ = other.ParamLength();
  coef_[0] = init_value;
  for (size_t i = 0; i < 4; ++i) {
    coef_[i + 1] = other.Coef(i) / (static_cast<double>(i) + 1);
  }
  return *this;
}

QuarticPolynomialCurve1d& QuarticPolynomialCurve1d::DerivedFromQuinticCurve(
    const PolynomialCurve1d& other) {
  CHECK_EQ(other.Order(), 5U);
  param_ = other.ParamLength();
  for (size_t i = 1; i < 6; ++i) {
    coef_[i - 1] = other.Coef(i) * static_cast<double>(i);
  }
  return *this;
}

多项式曲线阶数求值

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double QuarticPolynomialCurve1d::Evaluate(const std::uint32_t order,
                                          const double p) const {
  switch (order) {
    case 0: {
      return (((coef_[4] * p + coef_[3]) * p + coef_[2]) * p + coef_[1]) * p +
             coef_[0];
    }
    case 1: {
      return ((4.0 * coef_[4] * p + 3.0 * coef_[3]) * p + 2.0 * coef_[2]) * p +
             coef_[1];
    }
    case 2: {
      return (12.0 * coef_[4] * p + 6.0 * coef_[3]) * p + 2.0 * coef_[2];
    }
    case 3: {
      return 24.0 * coef_[4] * p + 6.0 * coef_[3];
    }
    case 4: {
      return 24.0 * coef_[4];
    }
    default:
      return 0.0;
  }
}

五次多项式曲线

整体思路和四次多项式类型,附上代码,可以参考上面思路理解

在具体代码实现时,数值求解比矩阵计算效率更高文章来源地址https://www.toymoban.com/news/detail-451500.html

QuinticPolynomialCurve1d::QuinticPolynomialCurve1d(
    const std::array<double, 3>& start, const std::array<double, 3>& end,
    const double param)
    : QuinticPolynomialCurve1d(start[0], start[1], start[2], end[0], end[1],
                               end[2], param) {}

QuinticPolynomialCurve1d::QuinticPolynomialCurve1d(
    const double x0, const double dx0, const double ddx0, const double x1,
    const double dx1, const double ddx1, const double param) {
  ComputeCoefficients(x0, dx0, ddx0, x1, dx1, ddx1, param);
  start_condition_[0] = x0;
  start_condition_[1] = dx0;
  start_condition_[2] = ddx0;
  end_condition_[0] = x1;
  end_condition_[1] = dx1;
  end_condition_[2] = ddx1;
  param_ = param;
}
void QuinticPolynomialCurve1d::ComputeCoefficients(
    const double x0, const double dx0, const double ddx0, const double x1,
    const double dx1, const double ddx1, const double p) {
  CHECK_GT(p, 0.0);

  coef_[0] = x0;
  coef_[1] = dx0;
  coef_[2] = ddx0 / 2.0;

  const double p2 = p * p;
  const double p3 = p * p2;

  // the direct analytical method is at least 6 times faster than using matrix
  // inversion.
  const double c0 = (x1 - 0.5 * p2 * ddx0 - dx0 * p - x0) / p3;
  const double c1 = (dx1 - ddx0 * p - dx0) / p2;
  const double c2 = (ddx1 - ddx0) / p;

  coef_[3] = 0.5 * (20.0 * c0 - 8.0 * c1 + c2);
  coef_[4] = (-15.0 * c0 + 7.0 * c1 - c2) / p;
  coef_[5] = (6.0 * c0 - 3.0 * c1 + 0.5 * c2) / p2;
}
void QuinticPolynomialCurve1d::IntegratedFromQuarticCurve(
    const PolynomialCurve1d& other, const double init_value) {
  CHECK_EQ(other.Order(), 4U);
  param_ = other.ParamLength();
  coef_[0] = init_value;
  for (size_t i = 0; i < 5; ++i) {
    coef_[i + 1] = other.Coef(i) / (static_cast<double>(i) + 1);
  }
}
double QuinticPolynomialCurve1d::Evaluate(const uint32_t order,
                                          const double p) const {
  switch (order) {
    case 0: {
      return ((((coef_[5] * p + coef_[4]) * p + coef_[3]) * p + coef_[2]) * p +
              coef_[1]) *
                 p +
             coef_[0];
    }
    case 1: {
      return (((5.0 * coef_[5] * p + 4.0 * coef_[4]) * p + 3.0 * coef_[3]) * p +
              2.0 * coef_[2]) *
                 p +
             coef_[1];
    }
    case 2: {
      return (((20.0 * coef_[5] * p + 12.0 * coef_[4]) * p) + 6.0 * coef_[3]) *
                 p +
             2.0 * coef_[2];
    }
    case 3: {
      return (60.0 * coef_[5] * p + 24.0 * coef_[4]) * p + 6.0 * coef_[3];
    }
    case 4: {
      return 120.0 * coef_[5] * p + 24.0 * coef_[4];
    }
    case 5: {
      return 120.0 * coef_[5];
    }
    default:
      return 0.0;
  }
}

下期预告:piecewise曲线 

到了这里,关于自动驾驶规划模块学习笔记-多项式曲线的文章就介绍完了。如果您还想了解更多内容,请在右上角搜索TOY模板网以前的文章或继续浏览下面的相关文章,希望大家以后多多支持TOY模板网!

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