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authorJiri Vlasak <hubacji1@fel.cvut.cz>
Wed, 12 Jun 2019 11:55:37 +0000 (13:55 +0200)
committerJiri Vlasak <hubacji1@fel.cvut.cz>
Wed, 12 Jun 2019 15:11:46 +0000 (17:11 +0200)
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incl/dubins.h [new file with mode: 0644]
vehicle_platform/dubins.cc [new file with mode: 0644]

diff --git a/incl/dubins.h b/incl/dubins.h
new file mode 100644 (file)
index 0000000..61b0860
--- /dev/null
@@ -0,0 +1,170 @@
+/*
+ * Copyright (c) 2008-2018, Andrew Walker
+ *
+ * Permission is hereby granted, free of charge, to any person obtaining a copy
+ * of this software and associated documentation files (the "Software"), to deal
+ * in the Software without restriction, including without limitation the rights
+ * to use, copy, modify, merge, publish, distribute, sublicense, and/or sell
+ * copies of the Software, and to permit persons to whom the Software is
+ * furnished to do so, subject to the following conditions:
+ *
+ * The above copyright notice and this permission notice shall be included in
+ * all copies or substantial portions of the Software.
+ *
+ * THE SOFTWARE IS PROVIDED "AS IS", WITHOUT WARRANTY OF ANY KIND, EXPRESS OR
+ * IMPLIED, INCLUDING BUT NOT LIMITED TO THE WARRANTIES OF MERCHANTABILITY,
+ * FITNESS FOR A PARTICULAR PURPOSE AND NONINFRINGEMENT. IN NO EVENT SHALL THE
+ * AUTHORS OR COPYRIGHT HOLDERS BE LIABLE FOR ANY CLAIM, DAMAGES OR OTHER
+ * LIABILITY, WHETHER IN AN ACTION OF CONTRACT, TORT OR OTHERWISE, ARISING FROM,
+ * OUT OF OR IN CONNECTION WITH THE SOFTWARE OR THE USE OR OTHER DEALINGS IN
+ * THE SOFTWARE.
+ */
+#ifndef DUBINS_H
+#define DUBINS_H
+
+typedef enum
+{
+    LSL = 0,
+    LSR = 1,
+    RSL = 2,
+    RSR = 3,
+    RLR = 4,
+    LRL = 5
+} DubinsPathType;
+
+typedef struct
+{
+    /* the initial configuration */
+    double qi[3];
+    /* the lengths of the three segments */
+    double param[3];
+    /* model forward velocity / model angular velocity */
+    double rho;
+    /* the path type described */
+    DubinsPathType type;
+} DubinsPath;
+
+#define EDUBOK        (0)   /* No error */
+#define EDUBCOCONFIGS (1)   /* Colocated configurations */
+#define EDUBPARAM     (2)   /* Path parameterisitation error */
+#define EDUBBADRHO    (3)   /* the rho value is invalid */
+#define EDUBNOPATH    (4)   /* no connection between configurations with this word */
+
+/**
+ * Callback function for path sampling
+ *
+ * @note the q parameter is a configuration
+ * @note the t parameter is the distance along the path
+ * @note the user_data parameter is forwarded from the caller
+ * @note return non-zero to denote sampling should be stopped
+ */
+typedef int (*DubinsPathSamplingCallback)(double q[3], double t, void* user_data);
+
+/**
+ * Generate a path from an initial configuration to
+ * a target configuration, with a specified maximum turning
+ * radii
+ *
+ * A configuration is (x, y, theta), where theta is in radians, with zero
+ * along the line x = 0, and counter-clockwise is positive
+ *
+ * @param path  - the resultant path
+ * @param q0    - a configuration specified as an array of x, y, theta
+ * @param q1    - a configuration specified as an array of x, y, theta
+ * @param rho   - turning radius of the vehicle (forward velocity divided by maximum angular velocity)
+ * @return      - non-zero on error
+ */
+int dubins_shortest_path(DubinsPath* path, double q0[3], double q1[3], double rho);
+
+/**
+ * Generate a path with a specified word from an initial configuration to
+ * a target configuration, with a specified turning radius
+ *
+ * @param path     - the resultant path
+ * @param q0       - a configuration specified as an array of x, y, theta
+ * @param q1       - a configuration specified as an array of x, y, theta
+ * @param rho      - turning radius of the vehicle (forward velocity divided by maximum angular velocity)
+ * @param pathType - the specific path type to use
+ * @return         - non-zero on error
+ */
+int dubins_path(DubinsPath* path, double q0[3], double q1[3], double rho, DubinsPathType pathType);
+
+/**
+ * Calculate the length of an initialised path
+ *
+ * @param path - the path to find the length of
+ */
+double dubins_path_length(DubinsPath* path);
+
+/**
+ * Return the length of a specific segment in an initialized path
+ *
+ * @param path - the path to find the length of
+ * @param i    - the segment you to get the length of (0-2)
+ */
+double dubins_segment_length(DubinsPath* path, int i);
+
+/**
+ * Return the normalized length of a specific segment in an initialized path
+ *
+ * @param path - the path to find the length of
+ * @param i    - the segment you to get the length of (0-2)
+ */
+double dubins_segment_length_normalized( DubinsPath* path, int i );
+
+/**
+ * Extract an integer that represents which path type was used
+ *
+ * @param path    - an initialised path
+ * @return        - one of LSL, LSR, RSL, RSR, RLR or LRL
+ */
+DubinsPathType dubins_path_type(DubinsPath* path);
+
+/**
+ * Calculate the configuration along the path, using the parameter t
+ *
+ * @param path - an initialised path
+ * @param t    - a length measure, where 0 <= t < dubins_path_length(path)
+ * @param q    - the configuration result
+ * @returns    - non-zero if 't' is not in the correct range
+ */
+int dubins_path_sample(DubinsPath* path, double t, double q[3]);
+
+/**
+ * Walk along the path at a fixed sampling interval, calling the
+ * callback function at each interval
+ *
+ * The sampling process continues until the whole path is sampled, or the callback returns a non-zero value
+ *
+ * @param path      - the path to sample
+ * @param stepSize  - the distance along the path for subsequent samples
+ * @param cb        - the callback function to call for each sample
+ * @param user_data - optional information to pass on to the callback
+ *
+ * @returns - zero on successful completion, or the result of the callback
+ */
+int dubins_path_sample_many(DubinsPath* path,
+                            double stepSize,
+                            DubinsPathSamplingCallback cb,
+                            void* user_data);
+
+/**
+ * Convenience function to identify the endpoint of a path
+ *
+ * @param path - an initialised path
+ * @param q    - the configuration result
+ */
+int dubins_path_endpoint(DubinsPath* path, double q[3]);
+
+/**
+ * Convenience function to extract a subset of a path
+ *
+ * @param path    - an initialised path
+ * @param t       - a length measure, where 0 < t < dubins_path_length(path)
+ * @param newpath - the resultant path
+ */
+int dubins_extract_subpath(DubinsPath* path, double t, DubinsPath* newpath);
+
+
+#endif /* DUBINS_H */
+
diff --git a/vehicle_platform/dubins.cc b/vehicle_platform/dubins.cc
new file mode 100644 (file)
index 0000000..20813d0
--- /dev/null
@@ -0,0 +1,439 @@
+/*
+ * Copyright (c) 2008-2018, Andrew Walker
+ *
+ * Permission is hereby granted, free of charge, to any person obtaining a copy
+ * of this software and associated documentation files (the "Software"), to deal
+ * in the Software without restriction, including without limitation the rights
+ * to use, copy, modify, merge, publish, distribute, sublicense, and/or sell
+ * copies of the Software, and to permit persons to whom the Software is
+ * furnished to do so, subject to the following conditions:
+ *
+ * The above copyright notice and this permission notice shall be included in
+ * all copies or substantial portions of the Software.
+ *
+ * THE SOFTWARE IS PROVIDED "AS IS", WITHOUT WARRANTY OF ANY KIND, EXPRESS OR
+ * IMPLIED, INCLUDING BUT NOT LIMITED TO THE WARRANTIES OF MERCHANTABILITY,
+ * FITNESS FOR A PARTICULAR PURPOSE AND NONINFRINGEMENT. IN NO EVENT SHALL THE
+ * AUTHORS OR COPYRIGHT HOLDERS BE LIABLE FOR ANY CLAIM, DAMAGES OR OTHER
+ * LIABILITY, WHETHER IN AN ACTION OF CONTRACT, TORT OR OTHERWISE, ARISING FROM,
+ * OUT OF OR IN CONNECTION WITH THE SOFTWARE OR THE USE OR OTHER DEALINGS IN
+ * THE SOFTWARE.
+ */
+#ifdef WIN32
+#define _USE_MATH_DEFINES
+#endif
+#include <math.h>
+#include "dubins.h"
+
+#define EPSILON (10e-10)
+
+typedef enum
+{
+    L_SEG = 0,
+    S_SEG = 1,
+    R_SEG = 2
+} SegmentType;
+
+/* The segment types for each of the Path types */
+const SegmentType DIRDATA[][3] = {
+    { L_SEG, S_SEG, L_SEG },
+    { L_SEG, S_SEG, R_SEG },
+    { R_SEG, S_SEG, L_SEG },
+    { R_SEG, S_SEG, R_SEG },
+    { R_SEG, L_SEG, R_SEG },
+    { L_SEG, R_SEG, L_SEG }
+};
+
+typedef struct
+{
+    double alpha;
+    double beta;
+    double d;
+    double sa;
+    double sb;
+    double ca;
+    double cb;
+    double c_ab;
+    double d_sq;
+} DubinsIntermediateResults;
+
+
+int dubins_word(DubinsIntermediateResults* in, DubinsPathType pathType, double out[3]);
+int dubins_intermediate_results(DubinsIntermediateResults* in, double q0[3], double q1[3], double rho);
+
+/**
+ * Floating point modulus suitable for rings
+ *
+ * fmod doesn't behave correctly for angular quantities, this function does
+ */
+double fmodr( double x, double y)
+{
+    return x - y*floor(x/y);
+}
+
+double mod2pi( double theta )
+{
+    return fmodr( theta, 2 * M_PI );
+}
+
+int dubins_shortest_path(DubinsPath* path, double q0[3], double q1[3], double rho)
+{
+    int i, errcode;
+    DubinsIntermediateResults in;
+    double params[3];
+    double cost;
+    double best_cost = INFINITY;
+    int best_word = -1;
+    errcode = dubins_intermediate_results(&in, q0, q1, rho);
+    if(errcode != EDUBOK) {
+        return errcode;
+    }
+
+
+    path->qi[0] = q0[0];
+    path->qi[1] = q0[1];
+    path->qi[2] = q0[2];
+    path->rho = rho;
+
+    for( i = 0; i < 6; i++ ) {
+        DubinsPathType pathType = (DubinsPathType)i;
+        errcode = dubins_word(&in, pathType, params);
+        if(errcode == EDUBOK) {
+            cost = params[0] + params[1] + params[2];
+            if(cost < best_cost) {
+                best_word = i;
+                best_cost = cost;
+                path->param[0] = params[0];
+                path->param[1] = params[1];
+                path->param[2] = params[2];
+                path->type = pathType;
+            }
+        }
+    }
+    if(best_word == -1) {
+        return EDUBNOPATH;
+    }
+    return EDUBOK;
+}
+
+int dubins_path(DubinsPath* path, double q0[3], double q1[3], double rho, DubinsPathType pathType)
+{
+    int errcode;
+    DubinsIntermediateResults in;
+    errcode = dubins_intermediate_results(&in, q0, q1, rho);
+    if(errcode == EDUBOK) {
+        double params[3];
+        errcode = dubins_word(&in, pathType, params);
+        if(errcode == EDUBOK) {
+            path->param[0] = params[0];
+            path->param[1] = params[1];
+            path->param[2] = params[2];
+            path->qi[0] = q0[0];
+            path->qi[1] = q0[1];
+            path->qi[2] = q0[2];
+            path->rho = rho;
+            path->type = pathType;
+        }
+    }
+    return errcode;
+}
+
+double dubins_path_length( DubinsPath* path )
+{
+    double length = 0.;
+    length += path->param[0];
+    length += path->param[1];
+    length += path->param[2];
+    length = length * path->rho;
+    return length;
+}
+
+double dubins_segment_length( DubinsPath* path, int i )
+{
+    if( (i < 0) || (i > 2) )
+    {
+        return INFINITY;
+    }
+    return path->param[i] * path->rho;
+}
+
+double dubins_segment_length_normalized( DubinsPath* path, int i )
+{
+    if( (i < 0) || (i > 2) )
+    {
+        return INFINITY;
+    }
+    return path->param[i];
+}
+
+DubinsPathType dubins_path_type( DubinsPath* path )
+{
+    return path->type;
+}
+
+void dubins_segment( double t, double qi[3], double qt[3], SegmentType type)
+{
+    double st = sin(qi[2]);
+    double ct = cos(qi[2]);
+    if( type == L_SEG ) {
+        qt[0] = +sin(qi[2]+t) - st;
+        qt[1] = -cos(qi[2]+t) + ct;
+        qt[2] = t;
+    }
+    else if( type == R_SEG ) {
+        qt[0] = -sin(qi[2]-t) + st;
+        qt[1] = +cos(qi[2]-t) - ct;
+        qt[2] = -t;
+    }
+    else if( type == S_SEG ) {
+        qt[0] = ct * t;
+        qt[1] = st * t;
+        qt[2] = 0.0;
+    }
+    qt[0] += qi[0];
+    qt[1] += qi[1];
+    qt[2] += qi[2];
+}
+
+int dubins_path_sample( DubinsPath* path, double t, double q[3] )
+{
+    /* tprime is the normalised variant of the parameter t */
+    double tprime = t / path->rho;
+    double qi[3]; /* The translated initial configuration */
+    double q1[3]; /* end-of segment 1 */
+    double q2[3]; /* end-of segment 2 */
+    const SegmentType* types = DIRDATA[path->type];
+    double p1, p2;
+
+    if( t < 0 || t > dubins_path_length(path) ) {
+        return EDUBPARAM;
+    }
+
+    /* initial configuration */
+    qi[0] = 0.0;
+    qi[1] = 0.0;
+    qi[2] = path->qi[2];
+
+    /* generate the target configuration */
+    p1 = path->param[0];
+    p2 = path->param[1];
+    dubins_segment( p1,      qi,    q1, types[0] );
+    dubins_segment( p2,      q1,    q2, types[1] );
+    if( tprime < p1 ) {
+        dubins_segment( tprime, qi, q, types[0] );
+    }
+    else if( tprime < (p1+p2) ) {
+        dubins_segment( tprime-p1, q1, q,  types[1] );
+    }
+    else {
+        dubins_segment( tprime-p1-p2, q2, q,  types[2] );
+    }
+
+    /* scale the target configuration, translate back to the original starting point */
+    q[0] = q[0] * path->rho + path->qi[0];
+    q[1] = q[1] * path->rho + path->qi[1];
+    q[2] = mod2pi(q[2]);
+
+    return EDUBOK;
+}
+
+int dubins_path_sample_many(DubinsPath* path, double stepSize,
+                            DubinsPathSamplingCallback cb, void* user_data)
+{
+    int retcode;
+    double q[3];
+    double x = 0.0;
+    double length = dubins_path_length(path);
+    while( x <  length ) {
+        dubins_path_sample( path, x, q );
+        retcode = cb(q, x, user_data);
+        if( retcode != 0 ) {
+            return retcode;
+        }
+        x += stepSize;
+    }
+    return 0;
+}
+
+int dubins_path_endpoint( DubinsPath* path, double q[3] )
+{
+    return dubins_path_sample( path, dubins_path_length(path) - EPSILON, q );
+}
+
+int dubins_extract_subpath( DubinsPath* path, double t, DubinsPath* newpath )
+{
+    /* calculate the true parameter */
+    double tprime = t / path->rho;
+
+    if((t < 0) || (t > dubins_path_length(path)))
+    {
+        return EDUBPARAM;
+    }
+
+    /* copy most of the data */
+    newpath->qi[0] = path->qi[0];
+    newpath->qi[1] = path->qi[1];
+    newpath->qi[2] = path->qi[2];
+    newpath->rho   = path->rho;
+    newpath->type  = path->type;
+
+    /* fix the parameters */
+    newpath->param[0] = fmin( path->param[0], tprime );
+    newpath->param[1] = fmin( path->param[1], tprime - newpath->param[0]);
+    newpath->param[2] = fmin( path->param[2], tprime - newpath->param[0] - newpath->param[1]);
+    return 0;
+}
+
+int dubins_intermediate_results(DubinsIntermediateResults* in, double q0[3], double q1[3], double rho)
+{
+    double dx, dy, D, d, theta, alpha, beta;
+    if( rho <= 0.0 ) {
+        return EDUBBADRHO;
+    }
+
+    dx = q1[0] - q0[0];
+    dy = q1[1] - q0[1];
+    D = sqrt( dx * dx + dy * dy );
+    d = D / rho;
+    theta = 0;
+
+    /* test required to prevent domain errors if dx=0 and dy=0 */
+    if(d > 0) {
+        theta = mod2pi(atan2( dy, dx ));
+    }
+    alpha = mod2pi(q0[2] - theta);
+    beta  = mod2pi(q1[2] - theta);
+
+    in->alpha = alpha;
+    in->beta  = beta;
+    in->d     = d;
+    in->sa    = sin(alpha);
+    in->sb    = sin(beta);
+    in->ca    = cos(alpha);
+    in->cb    = cos(beta);
+    in->c_ab  = cos(alpha - beta);
+    in->d_sq  = d * d;
+
+    return EDUBOK;
+}
+
+int dubins_LSL(DubinsIntermediateResults* in, double out[3])
+{
+    double tmp0, tmp1, p_sq;
+
+    tmp0 = in->d + in->sa - in->sb;
+    p_sq = 2 + in->d_sq - (2*in->c_ab) + (2 * in->d * (in->sa - in->sb));
+
+    if(p_sq >= 0) {
+        tmp1 = atan2( (in->cb - in->ca), tmp0 );
+        out[0] = mod2pi(tmp1 - in->alpha);
+        out[1] = sqrt(p_sq);
+        out[2] = mod2pi(in->beta - tmp1);
+        return EDUBOK;
+    }
+    return EDUBNOPATH;
+}
+
+
+int dubins_RSR(DubinsIntermediateResults* in, double out[3])
+{
+    double tmp0 = in->d - in->sa + in->sb;
+    double p_sq = 2 + in->d_sq - (2 * in->c_ab) + (2 * in->d * (in->sb - in->sa));
+    if( p_sq >= 0 ) {
+        double tmp1 = atan2( (in->ca - in->cb), tmp0 );
+        out[0] = mod2pi(in->alpha - tmp1);
+        out[1] = sqrt(p_sq);
+        out[2] = mod2pi(tmp1 -in->beta);
+        return EDUBOK;
+    }
+    return EDUBNOPATH;
+}
+
+int dubins_LSR(DubinsIntermediateResults* in, double out[3])
+{
+    double p_sq = -2 + (in->d_sq) + (2 * in->c_ab) + (2 * in->d * (in->sa + in->sb));
+    if( p_sq >= 0 ) {
+        double p    = sqrt(p_sq);
+        double tmp0 = atan2( (-in->ca - in->cb), (in->d + in->sa + in->sb) ) - atan2(-2.0, p);
+        out[0] = mod2pi(tmp0 - in->alpha);
+        out[1] = p;
+        out[2] = mod2pi(tmp0 - mod2pi(in->beta));
+        return EDUBOK;
+    }
+    return EDUBNOPATH;
+}
+
+int dubins_RSL(DubinsIntermediateResults* in, double out[3])
+{
+    double p_sq = -2 + in->d_sq + (2 * in->c_ab) - (2 * in->d * (in->sa + in->sb));
+    if( p_sq >= 0 ) {
+        double p    = sqrt(p_sq);
+        double tmp0 = atan2( (in->ca + in->cb), (in->d - in->sa - in->sb) ) - atan2(2.0, p);
+        out[0] = mod2pi(in->alpha - tmp0);
+        out[1] = p;
+        out[2] = mod2pi(in->beta - tmp0);
+        return EDUBOK;
+    }
+    return EDUBNOPATH;
+}
+
+int dubins_RLR(DubinsIntermediateResults* in, double out[3])
+{
+    double tmp0 = (6. - in->d_sq + 2*in->c_ab + 2*in->d*(in->sa - in->sb)) / 8.;
+    double phi  = atan2( in->ca - in->cb, in->d - in->sa + in->sb );
+    if( fabs(tmp0) <= 1) {
+        double p = mod2pi((2*M_PI) - acos(tmp0) );
+        double t = mod2pi(in->alpha - phi + mod2pi(p/2.));
+        out[0] = t;
+        out[1] = p;
+        out[2] = mod2pi(in->alpha - in->beta - t + mod2pi(p));
+        return EDUBOK;
+    }
+    return EDUBNOPATH;
+}
+
+int dubins_LRL(DubinsIntermediateResults* in, double out[3])
+{
+    double tmp0 = (6. - in->d_sq + 2*in->c_ab + 2*in->d*(in->sb - in->sa)) / 8.;
+    double phi = atan2( in->ca - in->cb, in->d + in->sa - in->sb );
+    if( fabs(tmp0) <= 1) {
+        double p = mod2pi( 2*M_PI - acos( tmp0) );
+        double t = mod2pi(-in->alpha - phi + p/2.);
+        out[0] = t;
+        out[1] = p;
+        out[2] = mod2pi(mod2pi(in->beta) - in->alpha -t + mod2pi(p));
+        return EDUBOK;
+    }
+    return EDUBNOPATH;
+}
+
+int dubins_word(DubinsIntermediateResults* in, DubinsPathType pathType, double out[3])
+{
+    int result;
+    switch(pathType)
+    {
+    case LSL:
+        result = dubins_LSL(in, out);
+        break;
+    case RSL:
+        result = dubins_RSL(in, out);
+        break;
+    case LSR:
+        result = dubins_LSR(in, out);
+        break;
+    case RSR:
+        result = dubins_RSR(in, out);
+        break;
+    case LRL:
+        result = dubins_LRL(in, out);
+        break;
+    case RLR:
+        result = dubins_RLR(in, out);
+        break;
+    default:
+        result = EDUBNOPATH;
+    }
+    return result;
+}
+
+