Minimum Snap轨迹规划解析（3）闭式解法1

简介：
本文为《Minimum Snap轨迹规划解析》系列文章第三部分，深入探讨了Minimum Snap问题中的闭式解法，提供了理论与实践结合的详细解析。 《Minimum Snap轨迹规划详解（3）闭式求解1》 在轨迹规划中，Minimum Snap是一种常见的优化技术，旨在寻找一条具有最小加速度变化的路径，以实现平滑且快速的运动。本篇文章将详细介绍如何使用闭式方法解决Minimum Snap轨迹规划问题，尤其是针对只有等式约束的情况。 首先，在构建QP（二次规划）问题时需要考虑的是等式约束。在Minimum Snap优化中，通常会用多项式函数来表示路径，比如五阶多项式。对于每一段轨迹，我们需要确定包含位置、速度和加速度的向量约束，并根据时间分配进行构造。例如，如果只关注PVA（位置-速度-加速度），那么每个段落需要一个大小为3n的向量，其中n表示路径分段的数量。 接下来我们将这些单独段落的约束组合成一个大型等式系统。这个系统包括每一段轨迹起点和终点的位置、速度及加速度条件。在闭合形式解法中，并不需要预先明确每个段落的具体PVA值；相反地，我们可以将所有变量都包含进方程组里。 对于未知量d的求解，关键在于将其划分为已知部分（Fix）和未知部分（Free）。通过构造映射矩阵来处理连续性约束条件，确保相邻路径分段间的位置、速度及加速度是相互衔接且平滑过渡。此外，利用置换矩阵将这些固定值与自由变量区分开来，从而简化优化问题。 在无约束最优化场景下，我们可以通过使目标函数的梯度为零来寻找极小点（或极大点），进而求得d_P，并据此计算出轨迹参数。这一过程涉及到一系列复杂的矩阵操作、逆运算和直接优化技术的应用，其优势在于仅需执行基本的数学运算而无需借助专门化的二次规划解算器。 闭式法的具体步骤为： 1. 确定路径多项式的阶数及PVA约束向量。 2. 根据连续性条件构造映射矩阵，并划分固定值与自由变量。 3. 构建并求解无约束优化问题，以获得d_P。 4. 计算轨迹参数。 需要注意的是，闭式法不适用于处理包含不等式限制的情况（如走廊障碍物），在这种情况下可能需要增加额外的约束条件或者采用其他方法来满足路径规划需求。由于其计算效率高，在资源有限或避免使用复杂求解器时特别有用。 总之，Minimum Snap轨迹规划中的闭式解决策略为一种有效的路径优化方案，尤其适用于等式约束问题。通过巧妙地处理变量和限制条件，我们能够找到符合要求的最佳路径参数值，从而确保机器人或其他系统的平稳运行。然而这种方法的局限性在于无法直接处理不等式的约束情况，这可能需要额外的技术来加以补充和完善。