在二维栅格环境中模拟搭载激光雷达的移动小车

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为什么要自己在二维栅格环境中进行激光雷达的仿真？

目前移动机器人的仿真环境已经非常成熟，可供选择的环境也非常多，应用较多多的有gazebo，Webots等，相关的技术支持论坛等也非常多。

但是这些仿真器第一通常对硬件有较高的需求，而且配置比较繁杂，在Linux/Windows上配置方法差异较大，程序也较难移植。

第二就是时间成本高。在强化学习中，我们一般都要将整个运动控制离散化为步(step)这个概念，在每一步开始接受环境的信息，利用信息进行决策，然后执行动作；如此往复。如果我们使用仿真器或者真实机器人来实现这个步的过程，一般是让机器人持续运动一段时间，例如以0.1m/s的速度，运动1s。这个过程至少需要1s，也就是每一步的时间至少为1s。而强化学习的训练中，几万步都是一个很短的训练过程，在一些复杂的环境中，十万步甚至更多都是有可能的。假设一个训练需要50000步，那这个训练时间大概要13小时，即使我们进行5到6倍的加速，也需要三个小时。这个时间成本还是比较巨大的。

第三就是实际的机器人的控制需要很多的平滑控制等工作。这些工作在实际机器人上是必要的，但是对于网格训练来说是可有可无的。所以前期工作还是把重心放在核心的训练工作上，确保能实现网络的收敛之后在进行落地工作比较合理。

在二维栅格环境中模拟搭载二维激光雷达的移动机器人

二维栅格环境可以使用任意的编程语言进行实现，这里我参考的是

DeepRL-Navigation

MehdiHmidi523 • Updated Dec 3, 2023

，整个代码使用opencv来实现仿真，代码非常简单，但是实现效果很好，代码的可读性也很高，这里我fork了一份，对于环境仿真部分进行了一点中文注释，想看中文注释的可以参考

DeepRL-Navigation

Zachary19980701 • Updated Feb 8, 2024

。

机器人本体仿真

在程序中，机器人的本体的模拟非常简单，是将机器人看作一个长方形。主要包含三个部分，即

机器人中心点参数

机器人几何参顺

机器人控制参数

机器人的中心点参数

机器人的中心点参数有三个，即坐标x,y和方向角theta。

机器人的几何参数

程序中将机器人的看作一个长方形，那么机器人的几何参数就是这个长方形的长和宽，在程序中需要计算机器人是否碰撞时，使用机器人的中心点参数和几何参数，就能得到机器人的边界点的坐标，判断是否碰撞。

机器人的控制参数

机器人控制参数主要是对速度进行限幅，避免角速度和线速度过大。

机器人本体仿真的代码实现

本体仿真代码实现主要是在agentKinematics.py中实现。

仿真主要的步骤为

激光雷达仿真

激光雷达的仿真在代码中不是很直观，但是原理还是较为简单的。首先在加载地图过程中进行了二值化，将障碍物的颜色转化为为黑色。然后计算得到每一条激光雷达线的坐标点，判断当前坐标点的颜色是否为黑色，如果是黑色，就认为是碰到了障碍物，计算当前坐标点到机器人坐标点的距离，就得到了激光雷达的距离信息。

这个步骤主要在Vision.py中实现，具体细节可以参考代码注释。其中有两个点比较关键，就是获取激光线的坐标点和判断坐标点到障碍物的距离。

计算当前激光线中的所有坐标点(Bresenham算法)

这里使用的Bresenham算法来计算坐标点。Bresenham算法是计算机图形学中广泛使用的一种画直线算法，非常适合栅格环境中的光线仿真。对于我们的这种简单的二维栅格环境，能够高效的实现激光雷达仿真。

具体的Bresenham算法的讲解可以参考下面的链接，这方面的资料很多。顺带一提，Bresenham不止在计算机图形学中应用，在数控机床的插补，机械臂的末端位姿控制中都有大量的应用。

C++模拟OpenGL库——图形光栅化理论及实现（二)：Brensenham直线算法-CSDN博客

文章浏览阅读794次。Brensenham直线算法_brensenham

https://blog.csdn.net/Jason6620/article/details/127835432

【OpenGL】计算机图形学实验六: 综合实验(Bresenham算法绘制直线和圆；纹理和光照的应用)_计算机图形学基础实验六-CSDN博客

文章浏览阅读1.9k次。(Bresenham算法绘制直线和圆；纹理和光照的应用)1、实验目的和要求2、实验设备PC机、CodeBlocks\VS系列\OpenGL安装包3、实验内容及原理题目1: 选择实验目的和要求中的2个以上要求。Bresenham法绘制直线、圆，完成一副图形。实现OpenGL中光照和纹理的应用。实验原理(基本知识):1. OpenGL纹理。1) 定义以下三个函数分别指定一维、二维和三维的纹理：void glTexImage1D(GLenum target,GLint level, GLint _计算机图形学基础实验六

https://blog.csdn.net/m0_52052747/article/details/125618908

Bresenham直线算法_bresenham算法-CSDN博客

文章浏览阅读3.8k次，点赞4次，收藏22次。Bresenham直线算法_bresenham算法

https://blog.csdn.net/YouWan797411/article/details/131347526

程序中的Bresenham是一种简化的方法，因为Bresenham通常是避免出现浮点数的，只使用整数型。在C/Cpp中，一般使用移位来高效的实现除2这个操作。这里简化了一些，无伤大雅。

判断当前坐标点是否为障碍物

通过上述步骤，我们就能成功的计算得到机器人的运动信息和激光雷达的深度信息，因为是采用直接计算机器人的位姿，而且物理环境的精度不高，需要计算物理量非常少。所以这个环境相比一般应用的仿真器，训练速度大大加快，在关闭可视化的情况下，我个人电脑速度大概能够达到2000 steps/s。这个速度可以说比Gazebo环境加速百倍不止！大大简化了强化学习的前期训练工作。