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Frenét 坐标与五次多项式采样

Frenét Frame / Quintic Polynomial Sampling · 也叫 Frenet 坐标 / SL 坐标

沿参考线拆成纵向 s 和横向 l,采一批终止状态、每个配一条五次多项式、挑代价最低的——横纵解耦只在高速近似成立。

会上可能听到:“横纵我们是在 Frenét 坐标下分开采样的。——低速的时候也这么拆吗?”

它到底是什么意思

Frenét 坐标沿参考线展开,把运动拆成纵向位移 s 和横向偏移 l。高速时横向幅度比纵向小得多,「沿路开」近似成两个独立的一维问题;低速时两者幅度相当,硬拆会丢掉运动学约束,要把横向偏移写成 s 的函数,再沿 s 采样。

撑起这个流派的是一条定理:让 jerk 平方积分最小的最优轨迹是五次多项式。无穷维的优化于是降成「采终点、配多项式、逐条算代价」,可枚举、可并行,每条自带平滑性。

机制图解

  1. 01换坐标沿参考线拆成纵向 s、横向 l
  2. 02采终止状态纵向按跟车、变道、停车定目标,横向采偏移
  3. 03配五次多项式每个终点一条,jerk 平方积分最小
  4. 04横纵组合两两组合成候选轨迹
  5. 05检查并选优碰撞或速度、加速度、曲率超限就丢,挑联合代价最低的
可枚举、可并行、每条自带平滑性。缝在第四步:横纵分开采,合成后的曲率不一定符合车辆约束,只能事后筛。

容易搞混的地方

常见误解

用了 Frenét 坐标,横纵就能独立规划

正确理解

近似解耦的前提是高速;低速时横纵幅度相当,要把横向写成 s 的函数再采样

常见误解

每条候选都是五次多项式,组合出来就一定开得了

正确理解

横纵分开采,合成后的曲率不一定符合车辆约束;超限就丢,是事后筛,不是事前保证

看懂之后可以追问

  1. 低速、路口或掉头时,我们还是按时间把横纵分开采样吗?近似解耦只在高速成立。低速硬拆会丢掉运动学约束,算出来的轨迹车未必做得到。
  2. 组合后因曲率超限被丢掉的候选多吗?弯道上会不会一条都不剩?曲率只能事后筛。丢得越多,采样越浪费;一条不剩时,规划器得有退路。

对比着看

  • Hybrid A*——在栅格上搜路,但节点按车辆运动学扩展,搜出来的每一步车都开得到——擅长停车场、掉头、窄空间这类非结构化场景。
  • DP + QP:EM Planner——路径和速度分开规划,每边先 DP 后 QP:DP 在非凸空间里做离散决策、圈出凸的可行走廊,QP 在走廊里求平滑解。

接着看

  • 多模态轨迹——未来不是一个确定的点,而是一个分布:可以跟车、变道、让行、绕行,模型输出多条候选来表达这种不确定性。