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Motion planning around obstacles with convex optimization

弹道 运动规划 计算机科学 数学优化 参数化复杂度 机器人学 正多边形 机器人 运动(物理) 凸优化 放松(心理学) 人工智能 数学 算法 社会心理学 物理 心理学 几何学 天文
作者
Tobia Marcucci,M. L. Petersen,David von Wrangel,Russ Tedrake
出处
期刊:Science robotics [American Association for the Advancement of Science]
卷期号:8 (84): eadf7843-eadf7843 被引量:140
标识
DOI:10.1126/scirobotics.adf7843
摘要

From quadrotors delivering packages in urban areas to robot arms moving in confined warehouses, motion planning around obstacles is a core challenge in modern robotics. Planners based on optimization can design trajectories in high-dimensional spaces while satisfying the robot dynamics. However, in the presence of obstacles, these optimization problems become nonconvex and very hard to solve, even just locally. Thus, when facing cluttered environments, roboticists typically fall back to sampling-based planners that do not scale equally well to high dimensions and struggle with continuous differential constraints. Here, we present a framework that enables convex optimization to efficiently and reliably plan trajectories around obstacles. Specifically, we focus on collision-free motion planning with costs and constraints on the shape, the duration, and the velocity of the trajectory. Using recent techniques for finding shortest paths in Graphs of Convex Sets (GCS), we design a practical convex relaxation of the planning problem. We show that this relaxation is typically very tight, to the point that a cheap postprocessing of its solution is almost always sufficient to identify a collision-free trajectory that is globally optimal (within the parameterized class of curves). Through numerical and hardware experiments, we demonstrate that our planner, which we name GCS, can find better trajectories in less time than widely used sampling-based algorithms and can reliably design trajectories in high-dimensional complex environments.
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