用RRT*算法写一个无人机三维空间的避障路径规划MATLAB程序

时间: 2024-05-10 18:16:21 浏览: 214
好的,以下是一个基本的无人机三维空间的避障路径规划MATLAB程序。 首先,我们需要定义一个类来表示无人机。这个类包括位置、速度、加速度等属性,以及一些方法来更新这些属性。这里我们假设无人机可以以任意姿态飞行,因此我们需要使用四元数来表示无人机的方向。 ```matlab classdef UAV properties position % 当前位置 [x, y, z] velocity % 当前速度 [vx, vy, vz] acceleration % 当前加速度 [ax, ay, az] orientation % 当前方向 [qw, qx, qy, qz] max_speed % 最大飞行速度 max_acceleration % 最大加速度 end methods function obj = UAV(position, velocity, acceleration, orientation, max_speed, max_acceleration) obj.position = position; obj.velocity = velocity; obj.acceleration = acceleration; obj.orientation = orientation; obj.max_speed = max_speed; obj.max_acceleration = max_acceleration; end function obj = update(obj, dt) % 根据当前速度和加速度更新位置和速度 obj.position = obj.position + obj.velocity * dt + 0.5 * obj.acceleration * dt^2; obj.velocity = obj.velocity + obj.acceleration * dt; end function obj = set_acceleration(obj, acceleration) % 设置加速度,但不允许超过最大加速度 obj.acceleration = acceleration; if norm(obj.acceleration) > obj.max_acceleration obj.acceleration = obj.max_acceleration * obj.acceleration / norm(obj.acceleration); end end function obj = set_orientation(obj, orientation) % 设置方向,但要保证四元数的模为1 obj.orientation = orientation / norm(orientation); end function obj = set_velocity(obj, velocity) % 设置速度,但不允许超过最大速度 obj.velocity = velocity; if norm(obj.velocity) > obj.max_speed obj.velocity = obj.max_speed * obj.velocity / norm(obj.velocity); end end end end ``` 接下来,我们需要定义一个类来表示障碍物。这个类包括位置、大小等属性,以及一些方法来检查无人机是否与障碍物相交。 ```matlab classdef Obstacle properties position % 障碍物中心位置 [x, y, z] size % 障碍物大小 [dx, dy, dz] end methods function obj = Obstacle(position, size) obj.position = position; obj.size = size; end function is_colliding = check_collision(obj, uav) % 检查无人机是否与障碍物相交 p = uav.position; r = max(uav.size) / 2; q = obj.position; s = obj.size / 2; is_colliding = (abs(p(1) - q(1)) <= r + s(1)) && ... (abs(p(2) - q(2)) <= r + s(2)) && ... (abs(p(3) - q(3)) <= r + s(3)); end end end ``` 然后,我们需要定义一个函数来生成一组随机目标点。这个函数会在三维空间中随机生成一些点,并检查这些点是否与障碍物相交。如果某个点与障碍物相交,则重新生成一个新的点。 ```matlab function goals = generate_goals(num_goals, obstacles, xmin, xmax, ymin, ymax, zmin, zmax) goals = zeros(num_goals, 3); for i = 1:num_goals while true x = xmin + rand() * (xmax - xmin); y = ymin + rand() * (ymax - ymin); z = zmin + rand() * (zmax - zmin); is_colliding = false; for j = 1:length(obstacles) if obstacles(j).check_collision(UAV([x, y, z], [0, 0, 0], [0, 0, 0], [1, 0, 0, 0], 0, 0)) is_colliding = true; break; end end if ~is_colliding goals(i, :) = [x, y, z]; break; end end end end ``` 接下来,我们需要实现 RRT* 算法。这是一个基于 RRT 算法的路径规划算法,可以在具有复杂障碍物的三维空间中寻找无人机的安全路径。具体来说,算法会在空间中生成一棵随机生长的树,该树的根节点是无人机的起始位置,每个节点代表一个无人机所在的位置,每个节点的子节点是通过一些随机样本和反向链来生成的。在树生长过程中,算法会使用代价函数来评估每个节点和路径的优劣,以便找到一条在避开障碍物的同时尽可能直接到达目标位置的路径。 ```matlab function path = RRT_star(start_position, goal_positions, obstacles, xmin, xmax, ymin, ymax, zmin, zmax, max_iter, goal_tolerance) % 参数定义 step_size = 1; % 每一步的最大距离 num_goals = size(goal_positions, 1); num_obstacles = length(obstacles); tree = struct('position', {}, 'parent', {}, 'cost', {}, 'children', {}); % 树的结构体 tree(1).position = start_position; tree(1).parent = 0; tree(1).cost = 0; tree(1).children = []; nearest_node = 1; % 定义代价函数 function cost = compute_cost(uav) cost = norm(uav.position - start_position); end % 定义近邻查找函数 function [nearest_node, min_dist] = find_nearest_node(position) nearest_node = 0; min_dist = inf; for i = 1:length(tree) dist = norm(tree(i).position - position); if dist < min_dist nearest_node = i; min_dist = dist; end end end % 定义插入节点函数 function new_node = insert_node(parent_node, position) uav = UAV(position, [0, 0, 0], [0, 0, 0], [1, 0, 0, 0], 0, 0); uav.set_velocity(step_size * (position - tree(parent_node).position) / norm(position - tree(parent_node).position)); if norm(uav.velocity) > uav.max_speed uav.set_velocity(uav.max_speed * uav.velocity / norm(uav.velocity)); end uav.set_acceleration(zeros(1, 3)); uav.set_orientation([1, 0, 0, 0]); is_colliding = false; for i = 1:num_obstacles if obstacles(i).check_collision(uav) is_colliding = true; break; end end if is_colliding new_node = 0; else new_node = length(tree) + 1; tree(new_node).position = position; tree(new_node).parent = parent_node; tree(new_node).cost = tree(parent_node).cost + norm(position - tree(parent_node).position); tree(new_node).children = []; tree(parent_node).children(end+1) = new_node; end end % 迭代生成树 for iter = 1:max_iter % 生成随机目标点 if mod(iter, 10) == 0 goal_index = randi(num_goals); goal_position = goal_positions(goal_index, :); else goal_position = start_position; end % 查找最近节点 [nearest_node, min_dist] = find_nearest_node(goal_position); if nearest_node == 0 continue; end % 插入新节点 new_position = tree(nearest_node).position + step_size * (goal_position - tree(nearest_node).position) / min_dist; new_node = insert_node(nearest_node, new_position); if new_node == 0 continue; end % 更新近邻节点 for i = 1:length(tree) if i == new_node || norm(tree(i).position - new_position) > step_size continue; end uav = UAV(tree(i).position, [0, 0, 0], [0, 0, 0], [1, 0, 0, 0], 0, 0); uav.set_velocity(step_size * (new_position - tree(i).position) / norm(new_position - tree(i).position)); if norm(uav.velocity) > uav.max_speed uav.set_velocity(uav.max_speed * uav.velocity / norm(uav.velocity)); end uav.set_acceleration(zeros(1, 3)); uav.set_orientation([1, 0, 0, 0]); is_colliding = false; for j = 1:num_obstacles if obstacles(j).check_collision(uav) is_colliding = true; break; end end if ~is_colliding cost = tree(new_node).cost + norm(tree(i).position - new_position); if tree(i).parent == 0 || cost < tree(i).cost tree(i).parent = new_node; tree(i).cost = cost; end end end % 检查是否到达目标点 if norm(new_position - goal_position) <= goal_tolerance break; end end % 生成最优路径 if nearest_node ~= 0 path = [tree(nearest_node).position]; while tree(nearest_node).parent ~= 0 nearest_node = tree(nearest_node).parent; path = [tree(nearest_node).position; path]; end else path = []; end end ``` 最后,我们可以使用上述函数来进行路径规划: ```matlab % 定义起始点、目标点、障碍物等参数 start_position = [0, 0, 0]; goal_positions = generate_goals(10, obstacles, xmin, xmax, ymin, ymax, zmin, zmax); obstacles = [Obstacle([5, 5, 5], [2, 2, 2]), Obstacle([-5, -5, -5], [2, 2, 2])]; xmin = -10; xmax = 10; ymin = -10; ymax = 10; zmin = -10; zmax = 10; max_iter = 1000; goal_tolerance = 1; % 进行路径规划 path = RRT_star(start_position, goal_positions, obstacles, xmin, xmax, ymin, ymax, zmin, zmax, max_iter, goal_tolerance); % 绘制路径和障碍物 figure; hold on; for i = 1:length(obstacles) draw_obstacle(obstacles(i)); end plot3(path(:, 1), path(:, 2), path(:, 3), 'LineWidth',2); plot3(goal_positions(:, 1), goal_positions(:, 2), goal_positions(:, 3), 'ro', 'MarkerSize', 10); plot3(start_position(1), start_position(2), start_position(3), 'go', 'MarkerSize', 10); axis equal; xlabel('X'); ylabel('Y'); zlabel('Z'); % 定义绘制障碍物的函数 function draw_obstacle(obstacle) x = obstacle.position(1) + [-1, -1, 1, 1, -1, -1, 1, 1] * obstacle.size(1) / 2; y = obstacle.position(2) + [-1, 1, 1, -1, -1, 1, 1, -1] * obstacle.size(2) / 2; z = obstacle.position(3) + [-1, -1, -1, -1, 1, 1, 1, 1] * obstacle.size(3) / 2; patch(x, y, z, 'r'); end ```
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