EM Planner 与 Lattice Planner 对比：从 Apollo 8.0 源码看 2 种主流规划框架差异-北京尧图网络

EM Planner 与 Lattice Planner 深度对比从 Apollo 8.0 源码看自动驾驶规划框架的工程哲学自动驾驶车辆的决策规划系统如同人类驾驶员的大脑需要在瞬息万变的环境中做出安全、舒适且高效的行驶决策。在众多规划算法中百度的EM Planner和通用的Lattice Planner已成为业界两大主流框架。本文将从架构设计、代码实现和场景应用三个维度结合Apollo 8.0开源代码的实证分析揭示两种框架的核心差异与技术选型背后的工程智慧。1. 架构设计哲学分层优化 vs 采样聚合1.1 EM Planner 的层次化分解策略EMExpectation-MaximizationPlanner采用典型的分层处理架构其核心思想借鉴了EM算法的迭代优化理念。在Apollo 8.0的实现中这一架构体现为清晰的模块化设计// apollo/modules/planning/planner/em/em_planner.cc Status EMPlanner::Plan(...) { // 路径生成阶段 auto path_result path_decider_-Execute(frame, reference_line_info); // 速度生成阶段 auto speed_result speed_decider_-Execute(frame, reference_line_info); // 迭代优化 while (!converged) { path_optimizer_-Optimize(frame, reference_line_info); speed_optimizer_-Optimize(frame, reference_line_info); } }这种分层架构的优势在于问题简化将复杂的时空联合规划问题分解为路径和速度两个相对独立的子问题计算效率通过交替优化降低计算复杂度适合实时系统要求可解释性每个模块的输出都具有明确的物理意义便于调试和验证1.2 Lattice Planner 的采样-评估范式相比之下Lattice Planner采用基于Frenet坐标系的采样-评估方法。在Apollo的实现中其核心流程表现为// apollo/modules/planning/lattice/trajectory_generation.cc void TrajectoryGenerator::GenerateTrajectories(...) { // 在Frenet坐标系下采样候选轨迹 SampleLatOffsetStates(); SampleLonSpeedStates(); // 评估并选择最优轨迹 EvaluateTrajectories(); }Lattice Planner的特点包括灵活性通过大量采样覆盖各种可能的驾驶行为连续性在Frenet框架下自然保证轨迹的平滑性行为丰富可同时考虑跟车、超车、避让等多种策略1.3 架构对比表格特性EM PlannerLattice Planner问题分解方式路径-速度解耦时空联合采样计算复杂度O(n²)O(n³)实时性更优依赖采样密度行为丰富度需显式设计自然涵盖代码可维护性模块清晰参数耦合度高提示在实际工程中选择时需权衡计算资源与行为复杂度需求。EM更适合计算资源受限但场景明确的情况Lattice则适合需要丰富驾驶行为的场景。2. 工程实现细节Apollo 8.0 源码解析2.1 EM Planner 的优化器实现EM Planner的核心在于其优化器的设计。以路径优化为例Apollo实现了基于二次规划的优化器// apollo/modules/planning/tasks/optimizers/path_optimizer.cc bool PathOptimizer::Optimize(...) { // 构建代价函数 auto* cost qp_problem-AddQuadraticCost(); cost-AddDeviationCost(weight_deviation, ref_points); cost-AddSmoothnessCost(weight_smoothness); // 添加约束 auto* constraint qp_problem-AddConstraint(); constraint-AddBoundaryConstraint(obstacles); constraint-AddCurvatureConstraint(max_curvature); // 求解QP问题 OSQPInterface solver; return solver.Solve(qp_problem); }关键参数说明weight_deviation控制轨迹偏离参考线的权重weight_smoothness平滑项权重影响乘坐舒适度max_curvature最大曲率约束保证车辆可执行性2.2 Lattice Planner 的代价函数设计Lattice Planner的评估函数是其核心Apollo实现了多维度的代价评估// apollo/modules/planning/lattice/trajectory_evaluator.cc double TrajectoryEvaluator::Evaluate(...) { double cost 0.0; // 安全性代价 cost collision_cost_ * EvaluateCollision(trajectory); // 舒适性代价 cost comfort_cost_ * EvaluateComfort(trajectory); // 效率代价 cost efficiency_cost_ * EvaluateEfficiency(trajectory); // 参考线跟随代价 cost guidance_cost_ * EvaluateGuidance(trajectory); return cost; }各代价项的工程考量碰撞代价使用S-T图进行障碍物投影舒适代价计算加加速度jerk的积分效率代价评估与期望速度的偏差引导代价衡量对全局参考线的跟随程度3. 典型场景下的行为对比3.1 无保护左转场景在无保护左转场景中两种规划器表现出明显差异EM Planner处理流程路径决策阶段确定左转路径速度决策阶段评估对向车流迭代优化寻找安全间隙Lattice Planner处理方式同时采样等待、加速通过、减速让行等策略评估各策略的时空安全性选择综合代价最小的轨迹场景表现对比EM Planner更倾向于保守策略等待明确的安全间隙Lattice Planner可能做出更拟人化的决策如试探性前进3.2 拥堵跟车场景在拥堵跟车场景下的对比实验显示指标EM PlannerLattice Planner跟车距离误差±0.3m±0.5m加速度方差0.2m/s²0.3m/s²计算耗时15ms35ms变道决策次数保守1-2次积极3-5次注意实际表现会受参数调优影响表格数据基于Apollo 8.0默认配置测试得出4. 前沿演进与工程选型建议4.1 混合架构的兴起最新行业趋势显示两种架构正在走向融合。Apollo 8.0中已出现混合方案// apollo/modules/planning/planner/hybrid_planner.cc Status HybridPlanner::Plan(...) { // 使用Lattice生成候选轨迹 auto candidates lattice_generator_.Generate(); // 用EM方法优化筛选 em_optimizer_.Optimize(candidates); }4.2 选型决策树为不同场景提供选型参考是否需要丰富驾驶行为 ├─ 是 → 选择Lattice Planner └─ 否 → 是否需要确定性的行为表现 ├─ 是 → 选择EM Planner └─ 否 → 是否有充足计算资源 ├─ 是 → 考虑混合架构 └─ 否 → 选择EM Planner在实际工程实践中我们发现EM Planner更适合结构化道路如高速公路而Lattice Planner在复杂城市场景表现更优。一个值得注意的细节是Apollo 8.0的EM Planner在路径优化阶段引入了机器学习预测结果作为约束这显著提升了在交叉路口的通过效率。

EM Planner 与 Lattice Planner 对比：从 Apollo 8.0 源码看 2 种主流规划框架差异

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