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一文洞悉Python必备50种算法!资深大牛至少得掌握25种!

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发表于 2019-4-8 07:44:02 | 显示全部楼层 |阅读模式


一、环境需求

二、怎样使用

三、本地化

3.1扩展卡尔曼滤波本地化

3.2无损卡尔曼滤波本地化

3.3粒子滤波本地化

3.4直方图滤波本地化

四、映射

4.1高斯网格映射

4.2光线投射网格映射

4.3k均值物体聚类

4.4圆形拟合物体形状识别

五、SLAM

5.1迭代最近点匹配

5.2EKF SLAM

5.3FastSLAM 1.0

5.4FastSLAM 2.0

5.5基于图的SLAM

六、路径规划

6.1动态窗口方式

6.2基于网格的搜索

迪杰斯特拉算法

A*算法

势场算法

6.3模型预测路径生成

路径优化示例

查找表生成示例

6.4状态晶格规划

均匀极性采样(Uniform polar sampling)

偏差极性采样(Biased polar sampling)

路线采样(Lane sampling)

6.5随机路径图(PRM)规划

6.6Voronoi路径图规划

6.7快速搜索随机树(RRT)

基本RRT

RRT*

基于Dubins路径的RRT

基于Dubins路径的RRT*

基于reeds-shepp路径的RRT*

Informed RRT*

批量Informed RRT*

闭合回路RRT*

LQR-RRT*

6.8三次样条规划

6.9B样条规划

6.10Eta^3样条路径规划

6.11贝济埃路径规划

6.12五次多项式规划

6.13Dubins路径规划

6.14Reeds Shepp路径规划

6.15基于LQR的路径规划

6.16Frenet Frame中的最优路径

七、路径跟踪

7.1姿势控制跟踪

7.2纯追迹跟踪

7.3史坦利控制

7.4后轮反馈控制

7.5线性二次regulator(LQR)转向控制

7.6线性二次regulator(LQR)转向和速度控制

7.7模型预测速度和转向控制

八、项目支持

一、环境需求

Python 3.6.x

numpy

scipy

matplotlib

pandas

cvxpy 0.4.x

二、怎样使用

安装必要的库;

克隆本代码仓库;

执行每个目录下的python脚本;

如果你喜欢,则收藏本代码库:)

三、本地化

3.1 扩展卡尔曼滤波本地化

私信小编001 获取源文件以及PDF!

该算法利用扩展卡尔曼滤波器(Extended Kalman Filter, EKF)实现传感器混合本地化。

蓝线为真实路径,黑线为导航推测路径(dead reckoning trajectory),绿点为位置观测(如GPS),红线为EKF估算的路径。

红色椭圆为EKF估算的协方差。

相关阅读:

概率机器人学

http://www.probabilistic-robotics.org/

3.2 无损卡尔曼滤波本地化



该算法利用无损卡尔曼滤波器(Unscented Kalman Filter, UKF)实现传感器混合本地化。

线和点的含义与EKF模拟的例子相同。

相关阅读:

利用无差别训练过的无损卡尔曼滤波进行机器人移动本地化

https://www.researchgate.net/publication/267963417_Discriminatively_Trained_Unscented_Kalman_Filter_for_Mobile_Robot_Localization

3.3 粒子滤波本地化



该算法利用粒子滤波器(Particle Filter, PF)实现传感器混合本地化。

蓝线为真实路径,黑线为导航推测路径(dead reckoning trajectory),绿点为位置观测(如GPS),红线为PF估算的路径。

该算法假设机器人能够测量与地标(RFID)之间的距离。

PF本地化会用到该测量结果。

相关阅读:

概率机器人学

http://www.probabilistic-robotics.org/

3.4 直方图滤波本地化



该算法是利用直方图滤波器(Histogram filter)实现二维本地化的例子。

红十字是实际位置,黑点是RFID的位置。

蓝色格子是直方图滤波器的概率位置。

在该模拟中,x,y是未知数,yaw已知。

滤波器整合了速度输入和从RFID获得距离观测数据进行本地化。

不需要初始位置。

相关阅读:

概率机器人学

http://www.probabilistic-robotics.org/

四、映射

4.1 高斯网格映射

本算法是二维高斯网格映射(Gaussian grid mapping)的例子。



4.2 光线投射网格映射

本算法是二维光线投射网格映射(Ray casting grid map)的例子。



4.3 k均值物体聚类

本算法是使用k均值算法进行二维物体聚类的例子。



4.4 圆形拟合物体形状识别

本算法是使用圆形拟合进行物体形状识别的例子。



蓝圈是实际的物体形状。

红叉是通过距离传感器观测到的点。

红圈是使用圆形拟合估计的物体形状。

五、SLAM

同时本地化和映射(Simultaneous Localization and Mapping,SLAM)的例子。

5.1 迭代最近点匹配

本算法是使用单值解构进行二维迭代最近点(Iterative Closest Point,ICP)匹配的例子。

它能计算从一些点到另一些点的旋转矩阵和平移矩阵。相关阅读:

机器人运动介绍:迭代最近点算法

https://cs.gmu.edu/~kosecka/cs685/cs685-icp.pdf

5.2 EKF SLAM

这是基于扩展卡尔曼滤波的SLAM示例。

蓝线是真实路径,黑线是导航推测路径,红线是EKF SLAM估计的路径。

绿叉是估计的地标。



相关阅读:

概率机器人学

http://www.probabilistic-robotics.org/

5.3 FastSLAM 1.0

这是用FastSLAM 1.0进行基于特征的SLAM的示例。

蓝线是实际路径,黑线是导航推测,红线是FastSLAM的推测路径。

红点是FastSLAM中的粒子。

黑点是地标,蓝叉是FastLSAM估算的地标位置。



相关阅读:

概率机器人学

http://www.probabilistic-robotics.org/

5.4 FastSLAM 2.0

这是用FastSLAM 2.0进行基于特征的SLAM的示例。

动画的含义与FastSLAM 1.0的情况相同。



相关阅读:

概率机器人学

http://www.probabilistic-robotics.org/

Tim Bailey的SLAM模拟

http://www-personal.acfr.usyd.edu.au/tbailey/software/slam_simulations.htm

5.5 基于图的SLAM

这是基于图的SLAM的示例。

蓝线是实际路径。

黑线是导航推测路径。

红线是基于图的SLAM估算的路径。

黑星是地标,用于生成图的边。



相关阅读:

基于图的SLAM入门

http://www2.informatik.uni-freiburg.de/~stachnis/pdf/grisetti10titsmag.pdf

六、路径规划

6.1 动态窗口方式

这是使用动态窗口方式(Dynamic Window Approach)进行二维导航的示例代码。



相关阅读:

用动态窗口方式避免碰撞

https://www.ri.cmu.edu/pub_files/pub1/fox_dieter_1997_1/fox_dieter_1997_1.pdf

6.2 基于网格的搜索

迪杰斯特拉算法

这是利用迪杰斯特拉(Dijkstra)算法实现的基于二维网格的最短路径规划。



动画中青色点为搜索过的节点。

A*算法

下面是使用A星算法进行基于二维网格的最短路径规划。



动画中青色点为搜索过的节点。

启发算法为二维欧几里得距离。

势场算法

下面是使用势场算法进行基于二维网格的路径规划。



动画中蓝色的热区图显示了每个格子的势能。

  
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