一、轨迹规划概述

大家好，我是老张。今天咱们聊聊轨迹规划这个事儿。

说实话，我做了十几年机器人运动规划，见过太多因为轨迹没规划好而出的事故。有一次在仓库里，一台AGV直接怼上了货架，那场面...嗯，不提了。所以这第一课，咱们先把基础打牢。

1.1 什么是轨迹规划

轨迹规划，说白了就是让机器人从A点走到B点，同时还要考虑怎么走、走多快、姿态怎么变。你想想看，如果只是简单地说「去那里」，机器人可能直接撞墙。

我个人习惯把轨迹规划拆成两个层面：

• 路径规划：找一条不撞障碍物的几何路径。比如从起点到终点，中间绕开桌子、椅子。
• 速度规划：在这条路径上，什么时候加速、什么时候减速、拐弯处要不要慢下来。

举个例子，你开车去公司，导航给你规划了一条路——这是路径规划。但具体什么时候踩油门、什么时候刹车、转弯时打多少方向盘——这就是轨迹规划干的事。

1.2 为什么需要避障

这个问题听起来有点傻，对吧？但我在项目中遇到过不少新手，他们觉得「反正传感器能检测到障碍物，到时候停下来不就行了？」

嗯，这里要注意：停下来只是最基础的避障方式。真正的避障，是在不停止任务的前提下，主动绕开障碍物。

为什么要避障？三个原因：

1. 安全第一：撞到人、撞坏设备，都是不可接受的。我曾经见过一台机械臂因为没检测到旁边新放的料箱，直接扫过去，把价值十几万的夹具打飞了。
2. 任务连续性：如果每次遇到障碍就停下来，那效率太低了。真正的生产环境，障碍物是动态出现的——人走过、叉车经过、新物料堆放在过道上。
3. 精度要求：有些场景下，机器人需要在避障的同时保持末端执行器的精度。比如机械臂在焊接时，突然有人靠近，你不能直接急停——焊缝会废掉。

1.3 应用场景

轨迹避障不是理论游戏，它每天都在真实世界里跑着。我挑三个典型场景说说。

仓储机器人

仓库里的AGV（自动导引车）是最典型的应用。你想想看，几百台机器人在同一个仓库里跑来跑去，货架之间只有1.2米宽的通道，还要避让人和叉车。

我参与过一个项目，仓库面积3万平米，高峰期同时运行80台AGV。轨迹规划的核心挑战是：

• 通道狭窄，会车时需要精确避让
• 人随时可能从货架间走出来
• 多台机器人不能互相阻塞

场景	避障策略	我踩过的坑
窄通道会车	优先级协商 + 临时等待区	一开始用固定优先级，结果低优先级车永远过不去
人突然出现	预测轨迹 + 减速绕行	急停会导致货物倾倒，必须平滑减速
多机死锁	交通管制 + 死锁检测	曾经四台车在十字路口互相等待，死锁了半小时

无人机

无人机避障比地面机器人难得多。为什么？因为它是三维空间运动的，而且动力学特性更复杂。

我记得有个项目是做电力巡检无人机，需要在高压线塔之间飞行。障碍物包括：

• 高压线（细、难检测）
• 其他无人机（同空域作业）
• 鸟类（突然闯入）
• 建筑物（楼宇间穿行）

这里有个关键点：无人机不能像AGV那样「停下来等」。悬停会消耗大量电量，而且风大的时候根本稳不住。所以无人机的避障必须是连续的、平滑的轨迹重规划。

机械臂

机械臂的避障，核心挑战是「高自由度」和「狭小空间」。一个六轴机械臂有6个关节，每个关节的运动都会影响末端位置。而且机械臂通常工作在狭小的工位里，周围全是夹具、料盘、其他设备。

我做过一个汽车焊接产线的项目，机械臂需要在车门内板里焊接。那个空间有多小？机械臂的肘关节距离车门只有3厘米。稍微规划不好，就会撞上。

机械臂避障的几个关键点：

1. 自碰撞检测：机械臂自己的各个连杆不能互相碰撞。这个很多人会忽略。
2. 奇异点规避：某些关节角度下，机械臂会失去自由度，这时候避障算法容易失效。
3. 实时性要求：产线节拍通常是几十秒一个循环，轨迹规划必须在毫秒级完成。

知识体系框架

下面这张图是我自己整理的轨迹规划知识体系，你可以把它当作整个课程的地图：

这张图把轨迹规划拆成了路径规划和速度规划两条主线，然后汇入避障策略，最后落到三个典型应用场景。后面的课程，我们会沿着这个结构一步步深入。

好了，这一章就到这里。记住一句话：好的轨迹规划，让机器人看起来像老司机；差的轨迹规划，让机器人看起来像新手司机。 我见过太多后者了，希望你不要成为其中之一。