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Add code for dubins paths
authorJiri Vlasak <jiri.vlasak.2@cvut.cz>
Mon, 15 Aug 2022 12:18:27 +0000 (14:18 +0200)
committerJiri Vlasak <jiri.vlasak.2@cvut.cz>
Mon, 15 Aug 2022 12:21:00 +0000 (14:21 +0200)
LICENSES/MIT.txt [new file with mode: 0644]
incl/dubins.h [new file with mode: 0644]
incl/rrtext.hh
src/dubins.c [new file with mode: 0644]

diff --git a/LICENSES/MIT.txt b/LICENSES/MIT.txt
new file mode 100644 (file)
index 0000000..2071b23
--- /dev/null
@@ -0,0 +1,9 @@
+MIT License
+
+Copyright (c) <year> <copyright holders>
+
+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.
diff --git a/incl/dubins.h b/incl/dubins.h
new file mode 100644 (file)
index 0000000..89c4bbe
--- /dev/null
@@ -0,0 +1,156 @@
+/*
+ * Copyright (c) 2008-2018, Andrew Walker
+ * SPDX-FileCopyrightText: 2008-2018 Andrew Walker
+ *
+ * SPDX-License-Identifier: MIT
+ */
+
+#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 */
+
index 3cee13bbf0219aeae311a8e07929b20dafefb606..4f20a7937897435e698b6b7a69e2d0753e6dcd2a 100644 (file)
 
 namespace rrts {
 
+/*! \brief Use Dubins paths-based steering procedure.
+ *
+ * \ingroup ext-steer
+ * \see https://github.com/AndrewWalker/Dubins-Curves
+ */
+class RRTExt19 : public virtual RRTS {
+};
+
 /*! \brief Finish when more than 1000 iterations.
  *
  * \ingroup ext-aux
diff --git a/src/dubins.c b/src/dubins.c
new file mode 100644 (file)
index 0000000..87ce93a
--- /dev/null
@@ -0,0 +1,422 @@
+/*
+ * SPDX-FileCopyrightText: 2008-2018 Andrew Walker
+ *
+ * SPDX-License-Identifier: MIT
+ */
+
+#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;
+}