自动驾驶规划中使用 OSQP 进行二次规划代码原理详细解读

1 问题描述

什么是稀疏矩阵 CSC 形式

QP Path Planning 问题

1. Cost function

1.1 The first term:

1.2 The second term:

1.3 The thrid term:

1.4 The forth term:

对 Qx''' 矩阵公式的验证

整体 Q 矩阵（就是 P 矩阵，二次项的权重矩阵）

整体 P 矩阵的形式如下：

目标函数中的线性项部分，即 q 矩阵的构建

计算 q 矩阵的代码块如下：

2. Constraints

2.1 不等式约束

2.2 连续性约束

Equality constraints

不等式约束的上下边界条件为：

上下边界条件是如何计算的？

二阶导边界极值的计算：

三阶导边界极值的计算

最后，A 矩阵为：

仿射矩阵 A

1 问题描述

典型的优化问题可以用以下的数学表达式来描述：

其中，P 是一个 n x n 的半正定矩阵， x 为 n 维向量，q 为 m x n 的矩阵。

需要注意的是，二次规划只在代价函数为凸函数的时候能够收敛到最优解，因此这需要 P 矩阵为半正定矩阵，这是非常重要的一个条件。这反映在 Apollo 中的规划算法则为需要进行求解的空间为凸空间，这样二次规划才能收敛到一条最优 Path。

上面的表述源自：Apollo 二次规划算法（piecewise jerk path optimizer）解析

什么是半正定矩阵？什么是正定矩阵？

设 A 为实对称矩阵，若对于每个非零实向量 X，都有 X'AX ≥ 0，则称 A 为半正定矩阵，称 X'AX 为半正定二次型。（其中，X'表示 X 的转置。）

注：

在 OSQP 中，对上述的数据用结构体 OSQPData 进行封装，其定义如下：

// the location of file: /usr/local/include/osqp/types.h

typedef struct {

c_int n; ///< number of variables n

c_int m; ///< number of constraints m

csc *P; ///< the upper triangular part of the quadratic cost matrix P

csc *A; ///< linear constraints matrix A in csc format (size m x n)

c_float *q; ///< dense array for linear part of cost function (size n)

c_float *l; ///< dense array for lower bound (size m)

c_float *u; ///< dense array for upper bound (size m)

} OSQPData;

其中，P 和 A 都是以稀疏矩阵 CSC 的形式进行存储的。

什么是稀疏矩阵 CSC 形式

CSC - Compressed sparse column (CSC or CCS)

稀疏矩阵和稠密矩阵 - 看矩阵中非零元素占所有元素的比例

在矩阵中，若数值为 0 的元素数目远远多于非 0 元素的数目，并且非 0 元素分布没有规律时，则称该矩阵为稀疏矩阵；与之相反，若非 0 元素数目占大多数时，则称该矩阵为稠密矩阵。定义非零元素的总数比上矩阵所有元素的总数为矩阵的稠密度。

稀疏矩阵的常规方式

下面是最常见的一种，也很好理解，(row，col) 指向矩阵非零元素的索引，data 里为该元素的值。

稀疏矩阵的 CSC 形式 - csc_matrix

按列压缩 Compressed sparse column，顾名思义将每一列出现的非零元素的个数统计后放好。

如何保证规划算法求解的空间为凸空间？

QP Path Planning 问题

QP 问题的标准形式（下面是常见的两种表示方法）：

1. Cost function

论文中的 cost 函数实际上是如下的形式：

优化变量的形式是：

Cost function 也可以写成下面这种形式：

我们注意到第一项和第二项的内容似乎相同，但其实是有所区别的。我们通过下图来解释。

可以看到，我们要规划的离散点曲线是在 SL 坐标系下进行的。所以第一项惩罚的横向偏移也就是偏移 s 的法向的距离，可以理解为关于车道中心线的偏移。而第四项关于参考线的偏移，则是考虑了静态和低速障碍物生成的一条参考线，第四项所计算的偏移其实是关于参考线的偏移。我们可以这样理解这两项：我们规划的最优轨迹要尽量贴合原来的车道中心线，同时还要尽量贴合能够避障的参考线。

1.1 The first term:

一共有 n 个点：

假如有四个点需要优化，为 x0, x1, ... x3，则矩阵为：

1.2 The second term:

1.3 The thrid term:

1.4 The forth term:

对 Qx''' 矩阵公式的验证

假设有四个点，x1, x2... x3，则：

使用上面的 matrix form：

说明上述的 Qx''' 的公式是正确的。

整体 Q 矩阵（就是 P 矩阵，二次项的权重矩阵）

所以，cost function 的 Q 矩阵为：

整体 P 矩阵的形式如下：

注意：代码中 Apollo 中的 Q 矩阵（代码中是 P 矩阵）形式与上述推导有一定的差异：

Apollo 6.0 代码中的 P 矩阵形式如下：

参见这篇文章：

https://zhuanlan.zhihu.com/p/480298921

目标函数的形式如下：

下面就是代码中的 P 矩阵的实际形式：

构建 P 矩阵的函数：

void PiecewiseJerkPathProblem::CalculateKernel(std::vector<c_float>* P_data,

std::vector<c_int>* P_indices,

std::vector<c_int>* P_indptr)

P 矩阵的零阶导数（蓝色）部分对应的代码块：

// x(i)^2 * (w_x + w_x_ref[i]), w_x_ref might be a uniform value for all x(i)

// or piecewise values for different x(i)

// P 矩阵的零阶导数部分

for (int i = 0; i < n - 1; ++i) {

columns[i].emplace_back(i, (weight_x_ + weight_x_ref_vec_[i]) /

(scale_factor_[0] * scale_factor_[0])); // scale_factor - 缩放系数

++value_index;

}

// x(n-1)^2 * (w_x + w_x_ref[n-1] + w_end_x) - 最后一个节点增加了一个末状态的权重 w_end_x

columns[n - 1].emplace_back(

n - 1, (weight_x_ + weight_x_ref_vec_[n - 1] + weight_end_state_[0]) /

(scale_factor_[0] * scale_factor_[0]));

++value_index;

P 矩阵的一阶导数（粉色）部分对应的代码块：

// x(i)'^2 * w_dx - P 矩阵的一阶导数部分

for (int i = 0; i < n - 1; ++i) {

columns[n + i].emplace_back(

n + i, weight_dx_ / (scale_factor_[1] * scale_factor_[1]));

++value_index;

}

// x(n-1)'^2 * (w_dx + w_end_dx)

columns[2 * n - 1].emplace_back(2 * n - 1,

(weight_dx_ + weight_end_state_[1]) /

(scale_factor_[1] * scale_factor_[1]));

++value_index;

P 矩阵的二阶导数（绿色）部分对应的代码块：

auto delta_s_square = delta_s_ * delta_s_;

// P 矩阵的二阶导数部分的第一个对角线元素

// x(i)''^2 * (w_ddx + 2 * w_dddx / delta_s^2)

columns[2 * n].emplace_back(2 * n,

(weight_ddx_ + weight_dddx_ / delta_s_square) /

(scale_factor_[2] * scale_factor_[2]));

++value_index;

// P 矩阵的二阶导数部分的对角线元素（除了对角线上的第一个元素和最后一个元素）

for (int i = 1; i < n - 1; ++i) {

columns[2 * n + i].emplace_back(

2 * n + i, (weight_ddx_ + 2.0 * weight_dddx_ / delta_s_square) /

(scale_factor_[2] * scale_factor_[2]));

++value_index;

}

// P 矩阵的二阶导数部分的最后一个对角线元素

columns[3 * n - 1].emplace_back(

3 * n - 1,

(weight_ddx_ + weight_dddx_ / delta_s_square + weight_end_state_[2]) /

(scale_factor_[2] * scale_factor_[2]));

++value_index;

// P 矩阵的二阶导数部分的次对角线上的元素

// -2 * w_dddx / delta_s^2 * x(i)'' * x(i + 1)''

for (int i = 0; i < n - 1; ++i) {

columns[2 * n + i].emplace_back(2 * n + i + 1,

(-2.0 * weight_dddx_ / delta_s_square) /

(scale_factor_[2] * scale_factor_[2]));

++value_index;

目标函数中的线性项部分，即 q 矩阵的构建

这部分代码在 PiecewiseJerkPathProblem::CalculateOffset 这个函数

void PiecewiseJerkPathProblem::CalculateOffset(std::vector<c_float>* q)

q 矩阵形式如下：

计算 q 矩阵的代码块如下：

if (has_x_ref_) {

for (int i = 0; i < n; ++i) {

q->at(i) += -2.0 * weight_x_ref_vec_.at(i) * x_ref_[i] / scale_factor_[0];

}

}

//

if (has_end_state_ref_) {

q->at(n - 1) +=

-2.0 * weight_end_state_[0] * end_state_ref_[0] / scale_factor_[0];

q->at(2 * n - 1) +=

-2.0 * weight_end_state_[1] * end_state_ref_[1] / scale_factor_[1];

q->at(3 * n - 1) +=

-2.0 * weight_end_state_[2] * end_state_ref_[2] / scale_factor_[2];

}

2. Constraints

2.1 不等式约束

2.2 连续性约束

用每个轨迹点处在 l 方向的 jerk 相等作为连续性约束。

上面的推导和下面的推导是一致的：

将 piecewise jerk 的条件带入：

得：

Now we generate constraints in matrix form.

For constrains a - lateral offset - 0 阶导数

For constrains b - lateral velocity - 一阶导数

For constrains c - lateral acceleration - 二阶导

For constraints d - lateral jerk - 三阶导数

这里有一些问题，对于 jerk 的不等式约束，应该是下面的形式：

For constraints e - 连续性约束

下图是有四个点的时候仿射矩阵的具体形式：

For Constraints f:

约束可以写成：

具体形式：

Equality constraints

不等式约束的上下边界条件为：

上下边界条件是如何计算的？

关于边界约束的详细介绍参见这篇文章：https://zhuanlan.zhihu.com/p/481835121

二阶导边界极值的计算：

对应代码如下：

const double lat_acc_bound =

std::tan(veh_param.max_steer_angle() / veh_param.steer_ratio()) /

veh_param.wheel_base();

std::vector<std::pair<double, double>> ddl_bounds;

for (size_t i = 0; i < path_boundary_size; ++i) {

double s = static_cast<double>(i) * path_boundary.delta_s() +

path_boundary.start_s();

double kappa = reference_line.GetNearestReferencePoint(s).kappa();

ddl_bounds.emplace_back(-lat_acc_bound - kappa, lat_acc_bound - kappa);

}