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二次规划（QP）样条路径优化

Tip: 为了更好的展示本文档中的等式，我们建议使用者使用带有插件的Chrome浏览器，或者将Latex等式拷贝到在线编辑公式网站进行浏览。

二次规划（QP）+样条插值

1. 目标函数

1.1 获得路径长度

路径定义在station-lateral坐标系中。s的变化区间为从车辆当前位置点到默认路径的长度。

1.2 获得样条段

将路径划分为n段，每段路径用一个多项式来表示。

1.3 定义样条段函数

每个样条段 i 都有沿着参考线的累加距离$d_i$。每段的路径默认用5介多项式表示。

$$
l = f_i(s)
  = a_{i0} + a_{i1} \cdot s + a_{i2} \cdot s^2 + a_{i3} \cdot s^3 + a_{i4} \cdot s^4 + a_{i5} \cdot s^5        (0 \leq s \leq d_{i})
$$

1.4 定义每个样条段优化目标函数

$$
cost = \sum_{i=1}^{n} \Big( w_1 \cdot \int\limits_{0}^{d_i} (f_i')^2(s) ds + w_2 \cdot \int\limits_{0}^{d_i} (f_i'')^2(s) ds + w_3 \cdot \int\limits_{0}^{d_i} (f_i^{\prime\prime\prime})^2(s) ds \Big)
$$

1.5 将开销（cost）函数转换为QP公式

QP公式:

$$
\begin{aligned}
minimize  & \frac{1}{2}  \cdot x^T \cdot H \cdot x  + f^T \cdot x \\
s.t. \qquad & LB \leq x \leq UB \\
      & A_{eq}x = b_{eq} \\
      & Ax \geq b
\end{aligned}
$$

下面是将开销（cost）函数转换为QP公式的例子：

$$
f_i(s) ＝
\begin{vmatrix} 1 & s & s^2 & s^3 & s^4 & s^5 \end{vmatrix}
\cdot
\begin{vmatrix} a_{i0} \\ a_{i1} \\ a_{i2} \\ a_{i3} \\ a_{i4} \\ a_{i5} \end{vmatrix}   
$$

且

$$
f_i'(s) =
\begin{vmatrix} 0 & 1 & 2s & 3s^2 & 4s^3 & 5s^4 \end{vmatrix}
\cdot
\begin{vmatrix} a_{i0} \\ a_{i1} \\ a_{i2} \\ a_{i3} \\ a_{i4} \\ a_{i5} \end{vmatrix}   
$$

且

$$
f_i'(s)^2 =
\begin{vmatrix} a_{i0} & a_{i1} & a_{i2} & a_{i3} & a_{i4} & a_{i5}  \end{vmatrix} 
\cdot 
\begin{vmatrix} 0 \\ 1 \\ 2s \\ 3s^2 \\ 4s^3 \\ 5s^4 \end{vmatrix} 
\cdot 
\begin{vmatrix} 0 & 1 & 2s & 3s^2 & 4s^3 & 5s^4 \end{vmatrix} 
\cdot 
\begin{vmatrix} a_{i0} \\ a_{i1} \\ a_{i2} \\ a_{i3} \\ a_{i4} \\ a_{i5}  \end{vmatrix}
$$

然后得到，

$$
\int\limits_{0}^{d_i} f_i'(s)^2 ds ＝
\int\limits_{0}^{d_i}
\begin{vmatrix} a_{i0} & a_{i1} & a_{i2} & a_{i3} & a_{i4} & a_{i5} \end{vmatrix} 
\cdot  
\begin{vmatrix} 0 \\ 1 \\ 2s \\ 3s^2 \\ 4s^3 \\ 5s^4 \end{vmatrix} 
\cdot 
\begin{vmatrix} 0 & 1 & 2s & 3s^2 & 4s^3 & 5s^4 \end{vmatrix} 
\cdot 
\begin{vmatrix} a_{i0} \\ a_{i1} \\ a_{i2} \\ a_{i3} \\ a_{i4} \\ a_{i5}  \end{vmatrix} ds
$$

从聚合函数中提取出常量得到，

$$
\int\limits_{0}^{d_i} f'(s)^2 ds ＝
\begin{vmatrix} a_{i0} & a_{i1} & a_{i2} & a_{i3} & a_{i4} & a_{i5} \end{vmatrix} 
\cdot 
\int\limits_{0}^{d_i}  
\begin{vmatrix} 0 \\ 1 \\ 2s \\ 3s^2 \\ 4s^3 \\ 5s^4 \end{vmatrix} 
\cdot 
\begin{vmatrix} 0 & 1 & 2s & 3s^2 & 4s^3 & 5s^4 \end{vmatrix} ds 
\cdot 
\begin{vmatrix} a_{i0} \\ a_{i1} \\ a_{i2} \\ a_{i3} \\ a_{i4} \\ a_{i5}  \end{vmatrix}
$$
$$
＝\begin{vmatrix} a_{i0} & a_{i1} & a_{i2} & a_{i3} & a_{i4} & a_{i5} \end{vmatrix} 
\cdot \int\limits_{0}^{d_i}
\begin{vmatrix} 
0  & 0 &0&0&0&0\\ 
0 & 1 & 2s & 3s^2 & 4s^3 & 5s^4\\
0 & 2s & 4s^2 & 6s^3 & 8s^4 & 10s^5\\
0 & 3s^2 &  6s^3 & 9s^4 & 12s^5&15s^6 \\
0 & 4s^3 & 8s^4 &12s^5 &16s^6&20s^7 \\
0 & 5s^4 & 10s^5 & 15s^6 & 20s^7 & 25s^8 
\end{vmatrix} ds 
\cdot 
\begin{vmatrix} a_{i0} \\ a_{i1} \\ a_{i2} \\ a_{i3} \\ a_{i4} \\ a_{i5} \end{vmatrix}
$$

最后得到，

$$
\int\limits_{0}^{d_i} 
f'_i(s)^2 ds =\begin{vmatrix} a_{i0} & a_{i1} & a_{i2} & a_{i3} & a_{i4} & a_{i5} \end{vmatrix} 
\cdot \begin{vmatrix} 
0 & 0 & 0 & 0 &0&0\\ 
0 & d_i & d_i^2 & d_i^3 & d_i^4&d_i^5\\
0& d_i^2 & \frac{4}{3}d_i^3& \frac{6}{4}d_i^4 & \frac{8}{5}d_i^5&\frac{10}{6}d_i^6\\
0& d_i^3 & \frac{6}{4}d_i^4 & \frac{9}{5}d_i^5 & \frac{12}{6}d_i^6&\frac{15}{7}d_i^7\\
0& d_i^4 & \frac{8}{5}d_i^5 & \frac{12}{6}d_i^6 & \frac{16}{7}d_i^7&\frac{20}{8}d_i^8\\
0& d_i^5 & \frac{10}{6}d_i^6 & \frac{15}{7}d_i^7 & \frac{20}{8}d_i^8&\frac{25}{9}d_i^9
\end{vmatrix} 
\cdot 
\begin{vmatrix} a_{i0} \\ a_{i1} \\ a_{i2} \\ a_{i3} \\ a_{i4} \\ a_{i5} \end{vmatrix}
$$

请注意我们最后得到一个6介的矩阵来表示5介样条插值的衍生开销。 应用同样的推理方法可以得到2介，3介样条插值的衍生开销。

2 约束条件

2.1 初始点约束

假设第一个点为 ($s_0$, $l_0$), ($s_0$, $l'_0$) and ($s_0$, $l''_0$)，其中$l_0$ , $l'_0$ and $l''_0$表示横向的偏移，并且规划路径的起始点的第一，第二个点的衍生开销可以从$f_i(s)$, $f'_i(s)$, $f_i(s)''$计算得到。

将上述约束转换为QP约束等式，使用等式：

$$
A_{eq}x = b_{eq}
$$

下面是转换的具体步骤：

$$
f_i(s_0) = 
\begin{vmatrix} 1 & s_0 & s_0^2 & s_0^3 & s_0^4&s_0^5 \end{vmatrix} 
\cdot 
\begin{vmatrix}  a_{i0} \\ a_{i1} \\ a_{i2} \\ a_{i3} \\ a_{i4} \\ a_{i5}\end{vmatrix} = l_0
$$

且

$$
f'_i(s_0) = 
\begin{vmatrix} 0& 1 & 2s_0 & 3s_0^2 & 4s_0^3 &5 s_0^4 \end{vmatrix} 
\cdot 
\begin{vmatrix}  a_{i0} \\ a_{i1} \\ a_{i2} \\ a_{i3} \\ a_{i4} \\ a_{i5} \end{vmatrix} = l'_0
$$

且

$$
f''_i(s_0) = 
\begin{vmatrix} 0&0& 2 & 3\times2s_0 & 4\times3s_0^2 & 5\times4s_0^3  \end{vmatrix} 
\cdot 
\begin{vmatrix}  a_{i0} \\ a_{i1} \\ a_{i2} \\ a_{i3} \\ a_{i4} \\ a_{i5} \end{vmatrix} = l''_0
$$

其中，i是包含$s_0$的样条段的索引值。

2.2 终点约束

和起始点相同，终点$(s_e, l_e)$ 也应当按照起始点的计算方法生成约束条件。

将起始点和终点组合在一起，得出约束等式为：

$$
\begin{vmatrix} 
 1 & s_0 & s_0^2 & s_0^3 & s_0^4&s_0^5 \\
 0&1 & 2s_0 & 3s_0^2 & 4s_0^3 & 5s_0^4 \\
 0& 0&2 & 3\times2s_0 & 4\times3s_0^2 & 5\times4s_0^3  \\
 1 & s_e & s_e^2 & s_e^3 & s_e^4&s_e^5 \\
 0&1 & 2s_e & 3s_e^2 & 4s_e^3 & 5s_e^4 \\
 0& 0&2 & 3\times2s_e & 4\times3s_e^2 & 5\times4s_e^3  
 \end{vmatrix} 
 \cdot 
 \begin{vmatrix}  a_{i0} \\ a_{i1} \\ a_{i2} \\ a_{i3} \\ a_{i4} \\ a_{i5} \end{vmatrix} 
 = 
 \begin{vmatrix}
 l_0\\
 l'_0\\
 l''_0\\
 l_e\\
 l'_e\\
 l''_e\\
 \end{vmatrix}
$$

2.3 平滑节点约束

该约束的目的是使样条的节点更加平滑。假设两个段$seg_k$ 和$seg_{k+1}$互相连接，且$seg_k$的累计值s为$s_k$。计算约束的等式为：

$$
f_k(s_k) = f_{k+1} (s_0)
$$

下面是计算的具体步骤：

$$
\begin{vmatrix} 
 1 & s_k & s_k^2 & s_k^3 & s_k^4&s_k^5 \\
 \end{vmatrix} 
 \cdot 
 \begin{vmatrix} 
 a_{k0} \\ a_{k1} \\ a_{k2} \\ a_{k3} \\ a_{k4} \\ a_{k5} 
 \end{vmatrix} 
 = 
\begin{vmatrix} 
 1 & s_{0} & s_{0}^2 & s_{0}^3 & s_{0}^4&s_{0}^5 \\
 \end{vmatrix} 
 \cdot 
 \begin{vmatrix} 
 a_{k+1,0} \\ a_{k+1,1} \\ a_{k+1,2} \\ a_{k+1,3} \\ a_{k+1,4} \\ a_{k+1,5} 
 \end{vmatrix}
$$

然后

$$
\begin{vmatrix} 
 1 & s_k & s_k^2 & s_k^3 & s_k^4&s_k^5 &  -1 & -s_{0} & -s_{0}^2 & -s_{0}^3 & -s_{0}^4&-s_{0}^5\\
 \end{vmatrix} 
 \cdot 
 \begin{vmatrix} 
 a_{k0} \\ a_{k1} \\ a_{k2} \\ a_{k3} \\ a_{k4} \\ a_{k5} \\ a_{k+1,0} \\ a_{k+1,1} \\ a_{k+1,2} \\ a_{k+1,3} \\ a_{k+1,4} \\ a_{k+1,5}  
 \end{vmatrix} 
 = 0
$$

将$s_0$ = 0代入等式。

同样地，可以为下述等式计算约束等式：

$$
f'_k(s_k) = f'_{k+1} (s_0)
\\
f''_k(s_k) = f''_{k+1} (s_0)
\\
f'''_k(s_k) = f'''_{k+1} (s_0)
$$

2.4 点采样边界约束

在路径上均匀的取样m个点，检查这些点上的障碍物边界。将这些约束转换为QP约束不等式，使用不等式：

$$
Ax \geq b
$$

首先基于道路宽度和周围的障碍物找到点 $(s_j, l_j)$的下边界$l_{lb,j}$，且$j\in[0, m]$。计算约束的不等式为：

$$
\begin{vmatrix} 
 1 & s_0 & s_0^2 & s_0^3 & s_0^4&s_0^5 \\
  1 & s_1 & s_1^2 & s_1^3 & s_1^4&s_1^5 \\
 ...&...&...&...&...&... \\
 1 & s_m & s_m^2 & s_m^3 & s_m^4&s_m^5 \\
 \end{vmatrix} \cdot \begin{vmatrix}a_{i0} \\ a_{i1} \\ a_{i2} \\ a_{i3} \\ a_{i4} \\ a_{i5}  \end{vmatrix} 
 \geq 
 \begin{vmatrix}
 l_{lb,0}\\
 l_{lb,1}\\
 ...\\
 l_{lb,m}\\
 \end{vmatrix}
$$

同样地，对上边界$l_{ub,j}$，计算约束的不等式为：

$$
\begin{vmatrix} 
 -1 & -s_0 & -s_0^2 & -s_0^3 & -s_0^4&-s_0^5 \\
  -1 & -s_1 & -s_1^2 & -s_1^3 & -s_1^4&-s_1^5 \\
 ...&...-&...&...&...&... \\
 -1 & -s_m & -s_m^2 & -s_m^3 & -s_m^4&-s_m^5 \\
 \end{vmatrix} 
 \cdot 
 \begin{vmatrix} a_{i0} \\ a_{i1} \\ a_{i2} \\ a_{i3} \\ a_{i4} \\ a_{i5}  \end{vmatrix} 
 \geq
 -1 \cdot
 \begin{vmatrix}
 l_{ub,0}\\
 l_{ub,1}\\
 ...\\
 l_{ub,m}\\
 \end{vmatrix}
$$