Trajectory optimization offers mature tools for motion planning in high-dimensional spaces under dynamic constraints. However, when facing complex configuration spaces, cluttered with obstacles, roboticists typically fall back to sampling-based planners that struggle in very high dimensions and with continuous differential constraints. Indeed, obstacles are the source of many textbook examples of problematic nonconvexities in the trajectory-optimization problem. Here we show that convex optimization can, in fact, be used to reliably plan trajectories around obstacles. Specifically, we consider planning problems with collision-avoidance constraints, as well as cost penalties and hard constraints on the shape, the duration, and the velocity of the trajectory. Combining the properties of B\'ezier curves with a recently-proposed framework for finding shortest paths in Graphs of Convex Sets (GCS), we formulate the planning problem as a compact mixed-integer optimization. In stark contrast with existing mixed-integer planners, the convex relaxation of our programs is very tight, and a cheap rounding of its solution is typically sufficient to design globally-optimal trajectories. This reduces the mixed-integer program back to a simple convex optimization, and automatically provides optimality bounds for the planned trajectories. We name the proposed planner GCS, after its underlying optimization framework. We demonstrate GCS in simulation on a variety of robotic platforms, including a quadrotor flying through buildings and a dual-arm manipulator (with fourteen degrees of freedom) moving in a confined space. Using numerical experiments on a seven-degree-of-freedom manipulator, we show that GCS can outperform widely-used sampling-based planners by finding higher-quality trajectories in less time.


翻译:轨迹优化为在动态限制下在高空空间进行运动规划提供了成熟的工具。然而,当面临复杂的配置空间,充满障碍,机器人学家通常会返回到在非常高的尺寸和持续的差异制约下挣扎的基于抽样的规划者手中。事实上,障碍是轨迹优化问题中许多有问题的非混杂性教科书范例的来源。在这里,我们显示,onvex优化事实上可以用来可靠地规划障碍周围的轨迹。具体地说,我们考虑规划碰撞-避免制约的问题,以及成本处罚和形状、期限和轨迹速度的硬约束。将B\'ezier曲线的特性与最近提出的在Convex Set(GCS)的图形中寻找最短路径的框架结合起来,我们把规划问题设计成一个精密的混凝固的混合元素优化。与现有的混混凝土规划器相比,我们的程序的软化过程非常紧,而其精密的周期流流流的周期化方法通常足以设计出全球-opyal-role 直径的轨道平台、持续和直径直径直径直径的轨道轨道的轨道。S- 将一个混合的螺旋图解显示一个最短的螺旋。

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