【Python】PythonRobotics：机器人算法的 Python 实现

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在机器人技术的研究和开发中，理解和实现各种机器人算法是至关重要的。PythonRobotics 是一个开源项目，它提供了大量机器人算法的 Python 实现，这些算法覆盖了机器人科学的多个领域，包括定位、建图、导航、路径规划等。

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⭕️宇宙起点

- 📢 什么是 PythonRobotics？
- 🔨 PythonRobotics 的核心特性
- - 1. 广泛的算法覆盖
  - 2. 易于阅读和理解
  - 3. 最小化依赖
- 📦 安装和使用 PythonRobotics
- - 安装步骤
- ♨️ 示例代码
- - 示例 1: A* 路径规划算法
  - 示例 2: 粒子滤波器定位
- 📥 下载地址
- 💬 结语
- 📒 参考文献

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📢 什么是 PythonRobotics？

PythonRobotics 是由 Atsushi Sakai 维护的一个项目，旨在提供易于理解和使用的机器人算法的 Python 代码。这些代码不仅有助于学术研究，也适用于实际的机器人项目开发。

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🔨 PythonRobotics 的核心特性

1. 广泛的算法覆盖

PythonRobotics 涵盖了从基础到高级的多种机器人算法，包括但不限于：

定位（Localization）：如扩展卡尔曼滤波器、粒子滤波器等。
建图（Mapping）：如高斯网格地图、射线投射网格地图等。
SLAM（Simultaneous Localization and Mapping）：如 ICP 匹配、FastSLAM 等。
路径规划（Path Planning）：如动态窗口方法、A* 算法、RRT 等。
路径跟踪（Path Tracking）：如斯坦利控制、LQR 控制等。

2. 易于阅读和理解

代码结构清晰，注释详细，便于开发者理解算法的基本原理和实现方式。

3. 最小化依赖

项目尽量保持对外部库的最小依赖，主要依赖于 Python 标准库和一些广泛使用的科学计算库，如 NumPy 和 Matplotlib。

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📦 安装和使用 PythonRobotics

安装步骤

克隆仓库：

git clone https://github.com/AtsushiSakai/PythonRobotics.git

安装依赖：

使用 conda：

conda env create -f requirements/environment.yml

使用 pip：

pip install -r requirements/requirements.txt

运行脚本：
执行各个目录中的 Python 脚本以测试算法。

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♨️ 示例代码

以下示例代码展示了如何在 PythonRobotics 中实现简单的路径规划和定位算法。

示例 1: A* 路径规划算法

A* 算法是一种常用的路径规划算法，它能有效找到从起点到终点的最短路径。以下是如何在 PythonRobotics 中使用 A* 算法的示例代码：

import numpy as np
import matplotlib.pyplot as plt
from python_robotics.models import SE2
from python_robotics.pathPlanning import AStar2D
from python_robotics.utils import plot_se2_pose, plot_path# 定义地图和障碍物
map_size = (100, 100)
obstacles = [((20, 20), 5),((40, 40), 10),((60, 60), 10),
]# 创建 A* 路径规划对象
planner = AStar2D(SE2.Rotation2D(np.deg2rad(0)))# 定义起点和终点
start = np.array([10, 10, 0])
goal = np.array([90, 90, 0])# 规划路径
path = planner.plan(start, goal, map_size, obstacles)# 可视化路径
fig, ax = plt.subplots()
plot_se2_pose(ax, start[:2], start[2], 'go', 'Start')
plot_se2_pose(ax, goal[:2], goal[2], 'ro', 'Goal')
plot_path(ax, path, 'b--', 'Path')
plt.xlim(0, map_size[0])
plt.ylim(0, map_size[1])
plt.grid(True)
plt.show()

示例 2: 粒子滤波器定位

粒子滤波器是一种用于非线性系统状态估计的概率方法，常用于机器人定位。以下是如何在 PythonRobotics 中实现粒子滤波器的示例代码：

import numpy as np
import matplotlib.pyplot as plt
from python_robotics.models import SE2
from python_robotics.localization import ParticleFilterLocalization
from python_robotics.utils import plot_se2_pose# 真实状态和测量
true_state = SE2(0.1, 0.1, np.deg2rad(0))
measurements = [SE2(0.1, 0.1, np.deg2rad(0)) for _ in range(10)]  # 假设的测量值# 初始化粒子滤波器
pf = ParticleFilterLocalization(SE2.Rotation2D(np.deg2rad(0)), 1000, 0.5, 0.1)# 运行粒子滤波器
estimates = []
for measurement in measurements:pf.predict()pf.update([measurement])estimates.append(pf.get_estimated_pose())# 可视化结果
plt.figure()
for i, estimate in enumerate(estimates):plot_se2_pose(plt, estimate[:2], estimate[2], 'b.', 'Estimate {}'.format(i))
plot_se2_pose(plt, true_state[:2], true_state[2], 'ro', 'True State')
plt.grid(True)
plt.show()