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stateSamplerGaussian

Muestreador de estado gaussiano para planificación de movimiento basada en muestreo

Desde R2023b

    Descripción

    El objeto stateSamplerGaussian crea un muestreador de estado para la planificación del movimiento utilizando la distribución gaussiana. Utilice esta muestra para planificar el movimiento en pasajes estrechos. Para obtener información sobre cómo el muestreador de estado gaussiano selecciona muestras de estado válidas, consulte Encuentre estados de muestra utilizando el muestreador de estados gaussianos.

    Creación

    Descripción

    sampler = stateSamplerGaussian crea un muestreador de estado gaussiano asociado con un objeto stateSpaceSE2 con configuración predeterminada.

    ejemplo

    sampler = stateSamplerGaussian(stateValidator) crea un muestreador de estado gaussiano para generar muestras para un espacio de estado válido. Utilice el objeto validatorOccupancyMap para crear un validador de estado y utilice el validador de estado como entrada para el muestreador de estado gaussiano.

    ejemplo

    sampler = stateSamplerGaussian(___,Name=Value) establece propiedades usando uno o argumentos de nombre-valor además del argumento de entrada en la sintaxis anterior. Puede especificar las propiedades StandardDeviation y MaxAttempts como argumentos de nombre-valor.

    Propiedades

    expandir todo

    Esta propiedad o parámetro es de solo lectura.

    Espacio de estado SE(2), almacenado como un objeto stateSpaceSE2 . Esta propiedad la establece el validador de estado de entrada stateValidator.

    Esta propiedad o parámetro es de solo lectura.

    Definición del validador de estado, especificada como un objeto validatorOccupancyMap o un objeto de una subclase de la clase nav.StateValidator . Esta propiedad la establece el validador de estado de entrada stateValidator.

    Desviación estándar de la distribución gaussiana, especificada como un vector fila de elementos N . N es el número de variables de estado. Para el espacio de estados SE(2), la desviación estándar debe ser un vector fila de tres elementos de la forma [σx σy σθ].

    El objeto calcula el valor predeterminado para la desviación estándar utilizando los límites mínimo y máximo de las variables de estado x, y y θ

    σx=1100(xmaxxmin)σy=1100(ymaxymin)σθ=1100(θmaxθmin)

    Mediante programación, puede leer los límites de las variables de estado de la propiedad StateSpace del objeto stateSamplerGaussian . El objeto stateSamplerGaussian calcula el valor predeterminado para la desviación estándar como:

    1/100*(sampler.StateSpace.StateBounds(:,2)-sampler.StateSpace.StateBounds(:,1))
    Para obtener más información sobre cómo elegir valores de desviación estándar, consulte Encuentre estados de muestra utilizando el muestreador de estados gaussianos.

    Nota

    Para obtener resultados correctos, los valores de desviación estándar no deben ser mayores que el ancho de los pasajes estrechos en el espacio de configuración.

    Tipos de datos: single | double

    Umbral para el número máximo de intentos que el muestreador puede realizar para encontrar muestras válidas, especificado como un entero positivo. El muestreador deja de buscar si obtiene el número óptimo de muestras válidas antes del umbral especificado.

    Puede ajustar el valor de este parámetro junto con el valor del parámetro de desviación estándar. Si las muestras devueltas por el muestreador de estado están dispersas por todo el espacio de configuración, puede aumentar el número de intentos para permitir que el muestreador encuentre muestras concentradas a lo largo del límite del obstáculo. Además, si disminuye el valor de la desviación estándar, debe considerar aumentar el número máximo de intentos para permitir que el muestreador encuentre muestras óptimas.

    Tipos de datos: single | double | int8 | int16 | int32 | int64 | uint8 | uint16 | uint32 | uint64

    Funciones del objeto

    sampleEstados de muestra del muestreador de estados gaussianos
    copyCree una copia profunda del objeto de muestra de estado gaussiano

    Ejemplos

    contraer todo

    Muestreo de un espacio de estados SE(2) utilizando un muestreador de estados gaussiano y observe el impacto de los valores de los parámetros del muestreador en los resultados del muestreo.

    Establezca el valor inicial para asegurarse de generar los mismos resultados.

    rng(50,"twister");

    Cree un mapa de ocupación simple con un pasaje estrecho.

    map = binaryOccupancyMap;
    occupied = [5*ones(9,1),[1; 2; 3; 4; 5; 7; 8; 9; 10]];
    setOccupancy(map,occupied,1);
    figure(Position=[0, 0, 200, 200])
    show(map)

    Figure contains an axes object. The axes object with title Binary Occupancy Grid, xlabel X [meters], ylabel Y [meters] contains an object of type image.

    Defina los límites inferior y superior de las variables del espacio de estados x, y y theta del mapa de ocupación.

    x = map.XWorldLimits;
    y =  map.YWorldLimits;
    theta = [-pi pi];

    Cree un objeto SE(2) de espacio de estados utilizando las variables de espacio de estados especificadas. Verifique la validez de los estados en el espacio de estados de entrada utilizando un validador de estados. Establezca la distancia de validación en 0,01.

    ss = stateSpaceSE2([x; y; theta]);
    sv = validatorOccupancyMap(ss,Map=map);
    sv.ValidationDistance = 0.01;

    Espacio de estados de muestra utilizando el muestreador de estados gaussiano

    Cree un muestreador de estado gaussiano con valores de parámetros predeterminados. Por defecto:

    • El número máximo de intentos que debe realizar el muestreador para encontrar las muestras de estado se establece en 10.

    • Los valores de desviación estándar a lo largo de lax,y,yθlas direcciones se establecen en 0,1, 0,1 y 0,0628, respectivamente.

    sampler_orig = stateSamplerGaussian(sv)
    sampler_orig = 
      stateSamplerGaussian with properties:
    
               StateSpace: [1x1 stateSpaceSE2]
           StateValidator: [1x1 validatorOccupancyMap]
        StandardDeviation: [0.1000 0.1000 0.0628]
              MaxAttempts: 10
    
    

    Genere 40 muestras para la planificación de movimiento desde el espacio de estados de entrada.

    states_orig = sample(sampler_orig,40);

    Puede generar muestras óptimas modificando el número máximo de intentos y los valores de desviación estándar. Si las muestras están dispersas por todo el espacio de entrada, aumente el número máximo de intentos y los valores de desviación estándar para concentrar las muestras de estado alrededor del límite del obstáculo.

    Variar el número máximo de intentos

    Cree copias del objeto muestreador de estado original y modifique el número máximo de intentos, propiedad del muestreador, MaxAttempts, para estudiar su impacto en los resultados del muestreo. Establezca los valores de desviación estándar en los valores predeterminados.

    Establezca el número máximo de intentos para encontrar muestras válidas en 100 y genere 40 nuevas muestras a partir del espacio de estado de entrada.

    sampler_2 = copy(sampler_orig);
    sampler_2.MaxAttempts = 100;
    states_2 = sample(sampler_2,40);

    Establezca el número máximo de intentos para encontrar muestras válidas en 200 y genere 40 nuevas muestras a partir del espacio de estado de entrada.

    sampler_3 = copy(sampler_orig);
    sampler_3.MaxAttempts = 200;
    states_3 = sample(sampler_3,40);

    Muestre los resultados utilizando la función auxiliar helperDisplayStates . Tenga en cuenta que, a medida que aumenta el número de intentos, las muestras se concentran más alrededor del límite del obstáculo.

    helperDisplayStates(map,states_orig,sampler_2,states_2,sampler_3,states_3,"MaxAttempts");

    Figure contains 3 axes objects and other objects of type uipanel. Axes object 1 with title Binary Occupancy Grid, xlabel X [meters], ylabel Y [meters] contains 2 objects of type image, line. One or more of the lines displays its values using only markers This object represents State. Axes object 2 with title Binary Occupancy Grid, xlabel X [meters], ylabel Y [meters] contains 2 objects of type image, line. One or more of the lines displays its values using only markers This object represents State. Axes object 3 with title Binary Occupancy Grid, xlabel X [meters], ylabel Y [meters] contains 2 objects of type image, line. One or more of the lines displays its values using only markers This object represents State.

    Variar la desviación estándar

    Cree copias del objeto muestreador de estado original y modifique la desviación estándar, propiedad del muestreador, StandardDeviation, para estudiar su impacto en los resultados del muestreo. Establezca el número máximo de intentos en 200.

    Genere 40 muestras con los valores de desviación estándar predeterminados.

    sampler_orig.MaxAttempts = 200;
    states_orig = sample(sampler_orig,40);

    Establezca los valores de desviación estándar en [0,01 0,01 0,06]. Genere 40 nuevas muestras a partir del espacio de estados de entrada.

    sampler_4 = copy(sampler_orig);
    sampler_4.StandardDeviation = [0.01 0.01 0.06];
    states_4 = sample(sampler_4,40);

    Establezca los valores de desviación estándar en [0,5 0,5 0,06]. Genere 40 nuevas muestras a partir del espacio de estados de entrada.

    sampler_5 = copy(sampler_orig);
    sampler_5.StandardDeviation = [0.5 0.5 0.06];
    states_5 = sample(sampler_5,40);

    Muestre los resultados utilizando la función auxiliar helperDisplayStates . Tenga en cuenta que, a medida que aumenta los valores de desviación estándar, las muestras se concentran más alrededor del límite del obstáculo. Sin embargo, si los valores de desviación estándar son mayores que el ancho de los pasajes estrechos en el espacio de entrada, el muestreador genera resultados incorrectos.

    helperDisplayStates(map,states_orig,sampler_4,states_4,sampler_5,states_5,"Std.Deviation");

    Figure contains 3 axes objects and other objects of type uipanel. Axes object 1 with title Binary Occupancy Grid, xlabel X [meters], ylabel Y [meters] contains 2 objects of type image, line. One or more of the lines displays its values using only markers This object represents State. Axes object 2 with title Binary Occupancy Grid, xlabel X [meters], ylabel Y [meters] contains 2 objects of type image, line. One or more of the lines displays its values using only markers This object represents State. Axes object 3 with title Binary Occupancy Grid, xlabel X [meters], ylabel Y [meters] contains 2 objects of type image, line. One or more of the lines displays its values using only markers This object represents State.

    Función auxiliar

    helperDisplayStates muestra los resultados usando una ventana de figura personalizada.

    function helperDisplayStates(map,states_orig,sampler_2,states_2,sampler_3,states_3,select)
    if select == "MaxAttempts"
        title_1 = "MaxAttempts = 10 (Default value)";
        title_2 = strcat("MaxAttempts = ",num2str(sampler_2.MaxAttempts));
        title_3 = strcat("MaxAttempts = ",num2str(sampler_3.MaxAttempts));
    elseif select == "Std.Deviation"
        title_1 = "StandardDeviation = [0.1 0.1 0.06] (Default value)";
        title_2 = strcat("StandardDeviation = [0.01 0.01 0.06]");
        title_3 = strcat("StandardDeviation = [0.5 0.5 0.06]");
    end
    
    fig_1 = figure(Position=[0 0 700 300]);
    movegui("center")
    panel_1 = uipanel(fig_1, ...
        Position=[0 0 0.33 1], ...
        Title=title_1);
    hPlot1 = axes(panel_1);
    show(map,Parent=hPlot1);
    hold on;
    plot(states_orig(:,1),states_orig(:,2),plannerLineSpec.state{:})
    hold off
    
    panel_2 = uipanel(fig_1, ...
        Position=[0.33 0 0.33 1], ...
        Title=title_2);
    hPlot2 = axes(panel_2);
    show(map,Parent=hPlot2);
    hold on;
    plot(states_2(:,1),states_2(:,2),plannerLineSpec.state{:})
    hold off
    
    panel_3 = uipanel(fig_1, ...
        Position=[0.66 0 0.33 1], ...
        Title=title_3);
    hPlot3 = axes(panel_3);
    show(map,Parent=hPlot3);
    hold on;
    plot(states_3(:,1),states_3(:,2),plannerLineSpec.state{:})
    hold off
    end

    Muestreo de un espacio de estados para la planificación del movimiento utilizando la distribución gaussiana y luego use los estados muestreados para encontrar una ruta óptima entre dos puntos en el espacio de estados de entrada. Utilice un planificador de rutas PRM para calcular una ruta óptima entre dos puntos.

    Establezca la semilla de número aleatorio para garantizar la repetibilidad.

    rng(100,"twister");

    Crear mapa de ocupación y encontrar variables de estado

    Cargue un mapa binario que represente el entorno del espacio de estado de entrada en el espacio de trabajo de MATLAB®.

    load("mapData.mat")

    Cree un mapa de ocupación a partir de la entrada.

    map = occupancyMap(narrowPassageMap);

    Encuentre los límites inferior y superior de las variables del espacio de estados x, y y theta del mapa de ocupación.

    x = map.XWorldLimits;
    y =  map.YWorldLimits;
    theta = [-pi pi];

    Crear muestra de estado gaussiano

    Cree un objeto SE(2) de espacio de estados utilizando las variables de espacio de estados especificadas.

    stateSpace = stateSpaceSE2([x; y; theta]);

    Verifique la validez de los estados en el espacio de estados de entrada utilizando un validador de estados.

    stateValidator = validatorOccupancyMap(stateSpace,Map=map); 

    Cree un muestreador de estado gaussiano para muestrear el espacio de estado especificado. Establezca los valores de desviación estándar.

    sampler = stateSamplerGaussian(stateValidator,StandardDeviation=[25 5 0.05]); 

    Configurar el planificador de rutas PRM

    Configure el planificador de rutas del PRM. Utilice el muestreador de estados gaussiano para muestrear el espacio de estados de entrada.

    planner = plannerPRM(stateSpace,stateValidator,StateSampler=sampler); 

    Encuentre la ruta óptima entre dos estados

    Especifique el punto inicial y el punto objetivo en el espacio de estado de entrada.

    start = [55 50 0];
    goal = [210 190 0]; 

    Calcule la ruta óptima entre el punto inicial y el punto objetivo utilizando el planificador de ruta PRM.

    [path,info] = plan(planner,start,goal);

    Visualizar los resultados

    Mostrar el mapa de ocupación.

    figure
    show(map)
    hold on

    Traza el punto inicial y el punto objetivo. Especifique el color predeterminado y las propiedades de línea para trazar los puntos inicial y objetivo utilizando las funciones plannerLineSpec.start t y plannerLineSpec.goal , respectivamente.

    plot(start(1),start(2),plannerLineSpec.start{:}); 
    plot(goal(1),goal(2),plannerLineSpec.goal{:}); 

    Si el planificador ha encontrado una ruta óptima entre los estados inicial y objetivo, trace los resultados. Utilice la función plannerLineSpec.path para especificar el color predeterminado y las propiedades de línea para trazar la ruta.

    if info.IsPathFound
        plot(path.States(:,1),path.States(:,2),plannerLineSpec.path{:})
        legend
    else
        disp("Path not found. Try modifying the planner parameters."); 
    end

    Figure contains an axes object. The axes object with title Occupancy Grid, xlabel X [meters], ylabel Y [meters] contains 4 objects of type image, line. One or more of the lines displays its values using only markers These objects represent Start, Goal, Path.

    Más acerca de

    expandir todo

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    Introducido en R2023b