Python实现改进后的Bi-RRT算法实例
Python实现改进后的Bi-RRT算法实例
1.背景说明
以下代码是参照上海交通大学海洋工程国家重点实验室《基于改进双向RRT的无人艇局部路径规划算法研究》的算法思想实现的。
2.算法流程
- 产生随机节点pi
- 寻找T1中距离p1最近的节点pn
- 以pn为父节点按原始步长向pi延伸得到虚新节点pa
- 确定距离pi最近的障碍物
- 使用动态步长策略计算实际步长sf
- 按照实际sf延伸得到实际节点新pw
- 障碍物检测 通过则进入步骤8 否则重回步骤1
- 转角约束检测 通过则进入步骤9 否则重回步骤1
- 将pw加入T1
- 在T2中寻找距离pw最近的节点pj
- 以pj为父节点按原始步长向pw延伸得到虚新节点pb
- 确定距离pb最近的障碍物
- 使用动态步长策略计算实际步长sf
- 按照实际sf延伸得到实际新节点px
- 障碍物检测 通过则进入步骤16 否则重回步骤1
- 转角约束检测 通过则进入步骤17 否则重回步骤1
- 将pw加入T2
- 检测是否满足相遇条件 是则进入步骤20 否则继续步骤1
- 检测是否满足平滑连接 是则结束搜索 否则继续步骤1
- 路径回溯
3.实际代码
"""
基于改进双向RRT算法的路径规划
"""
import matplotlib.pyplot as plt
from matplotlib.pyplot import MultipleLocator
import numpy as np
import math
import random
import copy
class Point(object):
"""
路径节点
"""
def __init__(self, x, y):
self.x = x
self.y = y
self.parent = None
class BiRRT(object):
"""
双向RRT算法实现
"""
def __init__(self, start, goal, angle, step, distance, obstacle_list, rand_area, safe, recover):
"""
初始化
:param start: 起点 [x,y]
:param goal: 终点 [x,y]
:param angle: 转向角 60
:param step: 基础步长 10
:param obstacle_list: 障碍物列表 [[x,y,radius]...]
:param rand_area: 区域大小
:param safe: 安全航迹结束点
:param recover: 安全航迹恢复点
"""
self.start = Point(start[0], start[1])
self.goal = Point(goal[0], goal[1])
self.angle = angle
self.step = step
self.distance = distance
self.obstacle_list = obstacle_list
self.min_rand = rand_area[0]
self.max_rand = rand_area[1]
self.goalSampleRate = 0.05
self.safe = Point(safe[0], safe[1])
self.recover = Point(recover[0], recover[1])
# 从起点开始搜索
self.point_list_from_start = [self.start]
begin = copy.deepcopy(self.safe)
begin.parent = 0
self.point_list_from_start.append(begin)
# 从终点开始搜索
self.point_list_from_goal = [self.goal]
begin = copy.deepcopy(self.recover)
begin.parent = 0
self.point_list_from_goal.append(begin)
def random_point(self):
"""
产生随机节点
:return:
"""
point_x = random.uniform(self.safe.x, self.recover.y)
point_y = random.uniform(self.safe.x, self.recover.y)
point = [point_x, point_y]
return point
@staticmethod
def get_nearest_list_index(point_list, rnd):
"""
在节点列表中找到距离目标节点中最近的点
:param point_list: 节点列表 T1 or obstacle_list
:param rnd: 目标节点
:return: 最近节点的位置
"""
d_list = [(point.x - rnd[0]) ** 2 + (point.y - rnd[1]) ** 2 for point in point_list]
min_index = d_list.index(min(d_list))
return min_index
def get_nearest_obstacle_index(self, point):
"""
找到距离point最近的障碍物
:param point: 节点
:return: 最近的障碍物
"""
d_list = [(math.sqrt((point.x - x) ** 2 + (point.y - y) ** 2)) - r for (x, y, r) in self.obstacle_list]
min_index = d_list.index(min(d_list))
return min_index
def collision_check(self, t, new_point, obstacle_list):
"""
检查新的节点是否会碰撞或穿越到障碍物
:param t: 树
:param new_point: 实际新节点
:param obstacle_list: 障碍物列表
:return:
"""
flag = 1
for (ox, oy, radius) in obstacle_list:
# 点到障碍物中心的距离
dx = ox - new_point.x
dy = oy - new_point.y
d = math.sqrt(dx * dx + dy * dy)
# 判断是否穿过障碍物
if t == 1:
parent_point = self.point_list_from_start[new_point.parent]
else:
parent_point = self.point_list_from_goal[new_point.parent]
vector_o = np.array([ox, oy])
vector_p = np.array([parent_point.x, parent_point.y])
vector_n = np.array([new_point.x, new_point.y])
d_p_n = np.abs(np.cross(vector_p - vector_o, vector_n - vector_o)) / np.linalg.norm(vector_p - vector_n)
# 如果点落在或穿过障碍物
if d < radius or d_p_n < radius:
flag = 0
return flag
return flag
def angle_check(self, new_point, parent_point, ancestor_point):
"""
转角约束
:param new_point: 新节点 w
:param parent_point: n节点(新节点的父级节点)
:param ancestor_point: f祖先节点
:return:
"""
vector_p_n = np.array([new_point.x - parent_point.x, new_point.y - parent_point.y])
vector_a_p = np.array([parent_point.x - ancestor_point.x, parent_point.y - ancestor_point.y])
angle = get_angle(vector_a_p, vector_p_n)
if angle <= self.angle:
return True
else:
return False
def dynamic_step(self, n_point, a_point):
"""
计算动态步长
:param n_point: 父节点
:param a_point: 虚新节点
:return: Sf 动态步长
"""
tan = math.atan2(a_point.y - n_point.y, a_point.x - n_point.x)
a_point.x += math.cos(tan) * (self.distance + self.step) / 2
a_point.y += math.sin(tan) * (self.distance + self.step) / 2
# 距离最近的障碍物
obstacle_min = self.obstacle_list[self.get_nearest_obstacle_index(a_point)]
# 虚拟节点a_point至障碍物边缘的距离l_a
l_a = math.sqrt((a_point.x - obstacle_min[0]) ** 2 + (a_point.y - obstacle_min[1]) ** 2) - obstacle_min[2]
# 生长点n_point至障碍物边缘的距离l_n
l_n = math.sqrt(np.square(n_point.x - obstacle_min[0]) + np.square(n_point.y - obstacle_min[1])) - obstacle_min[
2]
dynamic = self.step / (1 + (self.step / self.distance - 1) * math.exp(-3 * l_n / self.step))
return dynamic
def coordinate(self, t, rnd):
"""
实际坐标计算
:param t: 搜索树编号 1 2
:param rnd: 虚新节点
:return: 实际新节点
"""
# 在搜索树中找到距离rnd最近的节点
if t == 1:
min_index = self.get_nearest_list_index(self.point_list_from_start, rnd)
nearest_point = self.point_list_from_start[min_index]
elif t == 2:
min_index = self.get_nearest_list_index(self.point_list_from_goal, rnd)
nearest_point = self.point_list_from_goal[min_index]
# 按照原始步长计算坐标
theta = math.atan2(rnd[1] - nearest_point.y, rnd[0] - nearest_point.x)
new_point = copy.deepcopy(nearest_point)
new_point.x += math.cos(theta) * self.step
new_point.y += math.sin(theta) * self.step
new_point.parent = min_index
# 使用动态步长策略计算实际坐标
actual_step = self.dynamic_step(nearest_point, new_point)
new_point.x = nearest_point.x + math.cos(theta) * actual_step
new_point.y = nearest_point.y + math.sin(theta) * actual_step
return new_point, actual_step
def condition_check(self, t, new_point):
"""
限制条件检测
1.碰撞检测
2.转交约束检测
:param t: 搜索树
:param new_point: 实际新节点
:return: Boolean
"""
# 碰撞检测
if self.collision_check(t, new_point, self.obstacle_list):
if t == 1: # 搜索树1的转角约束检测
n_point = self.point_list_from_start[new_point.parent]
if n_point.parent is None:
return False
f_point = self.point_list_from_start[n_point.parent]
if self.angle_check(new_point, n_point, f_point):
return True
else:
return False
else: # 搜索树2的转角约束检测
n_point = self.point_list_from_goal[new_point.parent]
if n_point.parent is None:
return False
f_point = self.point_list_from_goal[n_point.parent]
if self.angle_check(new_point, n_point, f_point):
return True
else:
return False
else:
return False
def perfect_connect(self, one_point, two_point):
"""
计算是否满足平滑连接
:param one_point: 1号树的节点 w
:param two_point: 2号树的节点 x
:return:
"""
one_parent = self.point_list_from_start[one_point.parent] # n
two_parent = self.point_list_from_goal[two_point.parent] # j
vector_n_w = np.array([one_point.x - one_parent.x, one_point.y - one_parent.y])
vector_w_x = np.array([two_point.x - one_point.x, two_point.y - one_point.y])
vector_x_j = np.array([two_parent.x - two_point.x, two_parent.y - two_point.y])
angle_one = get_angle(vector_n_w, vector_w_x)
angle_two = get_angle(vector_w_x, vector_x_j)
if angle_one <= self.angle:
if angle_two == 180.0 or angle_one == 0.0:
return False
else:
print("phi: {0}, delta: {1}".format(angle_one, angle_two))
return True
else:
return False
def generate_path_list(self):
"""
路径回溯
:return: list
"""
path = []
path_1 = []
path_2 = []
last_index = len(self.point_list_from_start) - 1
while self.point_list_from_start[last_index].parent is not None:
point = self.point_list_from_start[last_index]
path.append([point.x, point.y])
path_1.append([point.x, point.y])
last_index = point.parent
path.append([self.start.x, self.start.y])
path_1.append([self.start.x, self.start.y])
path = path[::-1]
last_index = len(self.point_list_from_goal) - 1
while self.point_list_from_goal[last_index].parent is not None:
point = self.point_list_from_goal[last_index]
path.append([point.x, point.y])
path_2.append([point.x, point.y])
last_index = point.parent
path.append([self.goal.x, self.goal.y])
path_2.append([self.goal.x, self.goal.y])
print("最终规划路径:", path)
print("搜索树1:", path_1)
print("搜索树2:", path_2)
return path, path_1, path_2
def planning(self):
"""
路径规划算法的具体实现
流程:
1.产生随机节点pi
2.寻找T1中距离p1最近的节点pn
3.以pn为父节点按原始步长向pi延伸得到虚新节点pa
4.确定距离pi最近的障碍物
5.使用动态步长策略计算实际步长sf
6.按照实际sf延伸得到实际节点新pw
7.障碍物检测 通过则进入步骤8 否则重回步骤1
8.转角约束检测 通过则进入步骤9 否则重回步骤1
9.将pw加入T1
10.在T2中寻找距离pw最近的节点pj
11.以pj为父节点按原始步长向pw延伸得到虚新节点pb
12.确定距离pb最近的障碍物
13.使用动态步长策略计算实际步长sf
14.按照实际sf延伸得到实际新节点px
15.障碍物检测 通过则进入步骤16 否则重回步骤1
16.转角约束检测 通过则进入步骤17 否则重回步骤1
18.将pw加入T2
19.检测是否满足相遇条件 是则进入步骤20 否则继续步骤1
20.检测是否满足平滑连接 是则结束搜索 否则继续步骤1
21.路径回溯
:return: [[x, y]]
"""
# 路径搜索
while True:
"""
搜索树1的实现
"""
# T1产生随机节点
if random.random() > self.goalSampleRate:
rnd = self.random_point()
else:
rnd = [self.goal.x, self.goal.y]
# 计算后的实际新节点和动态步长
new_point, actual_step = self.coordinate(1, rnd)
# 限制条件检测
if not self.condition_check(1, new_point):
continue
# 实际新节点通过检测 加入T1
self.point_list_from_start.append(new_point)
"""
搜索树2的实现
"""
# 实际新节点
new_point_two, actual_step = self.coordinate(2, [new_point.x, new_point.y])
# 限制条件检测
if not self.condition_check(2, new_point_two):
continue
# 实际新节点加入 T2
self.point_list_from_goal.append(new_point_two)
"""
判断是否达到目标点
"""
# 判断是否满足相遇条件
dx = new_point.x - new_point_two.x
dy = new_point.y - new_point_two.y
d = math.sqrt(dx * dx + dy * dy)
if self.distance < d < self.step:
if self.perfect_connect(new_point, new_point_two):
break
else:
continue
else:
continue
return self.generate_path_list()
def draw_statistic(self, path):
"""
绘制静态图像
:param path: 规划完成的路径
:return:
"""
plt.clf()
# 绘制区域
# x轴刻度区间
x_major_location = MultipleLocator(10)
# y轴刻度区间
y_major_location = MultipleLocator(10)
# 坐标轴实例
ax = plt.gca()
ax.xaxis.set_major_locator(x_major_location)
ax.yaxis.set_major_locator(y_major_location)
plt.axis([self.min_rand, self.max_rand, self.min_rand, self.max_rand])
# 绘制障碍物
for (ox, oy, radius) in self.obstacle_list:
circle = plt.Circle(xy=(ox, oy), radius=radius, color="r")
ax.add_patch(circle)
# 绘制起点
plt.plot(self.start.x, self.start.y, "^g")
# 绘制终点
plt.plot(self.goal.x, self.goal.y, "^b")
# 绘制规划的路径
plt.plot([data[0] for data in path], [data[1] for data in path], "-y")
for (x, y) in path:
plt.scatter(x, y, marker='o', c='b', edgecolors='b')
ax.set_aspect('equal', adjustable='datalim')
ax.plot()
plt.grid(True)
plt.show()
def get_angle(a, b):
"""
向量夹角计算
:param a:
:param b:
:return:
"""
a_norm = np.sqrt(np.sum(a * a))
b_norm = np.sqrt(np.sum(b * b))
cos_value = float(np.dot(a, b) / (a_norm * b_norm))
eps = 1e-6
if 1.0 < cos_value < 1.0 + eps:
cos_value = 1.0
elif -1.0 - eps < cos_value < -1.0:
cos_value = -1.0
arc_value = np.arccos(cos_value)
angle_value = arc_value * (180 / np.pi)
return angle_value
def get_total_distance(path):
"""
计算路径总长度
:param path:
:return:
"""
total_distance = 0
for index in range(2, len(path)-1):
one = path[index-1]
two = path[index]
total_distance += np.sqrt(np.square(two[0] - one[0]) + np.square(two[1] - one[0]))
print(total_distance)
def main():
print("============================Start planning your path============================")
rand_area = [0, 100] # 区域大小
step = 10 # 基础步长
angle = 60 # 最大转向角
distance = 5 # 最小航行距离
start = [0, 0] # 起点
goal = [100, 100] # 终点
safe = [20, 20]
recover = [90, 90]
# 障碍物
obstacle_list = [
(50, 50, 15),
(62, 13, 12),
(50, 87, 11)
]
bi_rrt = BiRRT(start=start, goal=goal, angle=angle, step=step, distance=distance, obstacle_list=obstacle_list,
rand_area=rand_area, safe=safe, recover=recover)
path, path_1, path_2 = bi_rrt.planning()
bi_rrt.draw_statistic(path)
get_total_distance(path)
print("==========================End of planned path==========================")
if __name__ == '__main__':
main()
4. 效果图
Python实现改进后的Bi-RRT算法实例的更多相关文章
- 机器学习经典算法具体解释及Python实现--线性回归(Linear Regression)算法
(一)认识回归 回归是统计学中最有力的工具之中的一个. 机器学习监督学习算法分为分类算法和回归算法两种,事实上就是依据类别标签分布类型为离散型.连续性而定义的. 顾名思义.分类算法用于离散型分布预測, ...
- python安装完毕后,提示找不到ssl模块的解决步骤
转载自 醇酒醉影 python安装完毕后,提示找不到ssl模块: [root@localhost ~]# python2.7.5 Python 2.7.5 (default, Jun 3 2013, ...
- python安装完毕后,提示找不到ssl模块的解决方示
python安装完毕后,提示找不到ssl模块: [root@localhost ~]# python2.7.5 Python 2.7.5 (default, Jun 3 2013, 11:08:43) ...
- python插入记录后获取最后一条数据的id
python插入记录后取得主键id的方法(cursor.lastrowid和conn.insert_id()) 参考:https://blog.csdn.net/qq_37788558/article ...
- jenkins结合supervisor进行python程序发布后的自动重启
jenkins结合supervisor进行python程序发布后的自动重启 项目背景: 通过jenkins发布kvaccount.chinasoft.com站点的python服务端程序,业务部门同事需 ...
- python执行系统命令后获取返回值的几种方式集合
python执行系统命令后获取返回值的几种方式集合 今天小编就为大家分享一篇python执行系统命令后获取返回值的几种方式集合,具有很好的参考价值,希望对大家有所帮助.一起跟随小编过来看看吧 第一种情 ...
- Python实现的计算马氏距离算法示例
Python实现的计算马氏距离算法示例 本文实例讲述了Python实现的计算马氏距离算法.分享给大家供大家参考,具体如下: 我给写成函数调用了 python实现马氏距离源代码: # encod ...
- python安装OpenCV后import cv2报错解决办法
现在python安装完成后,运行pip install opencv-python安装成功后,import cv2时会失败 看到有人给出下载https://www.lfd.uci.edu/~gohlk ...
- Python环境搭建后,多种方式的使用进行程序的执行。
Python环境搭建后,可以使用多种方式进行程序的执行. 第一种: 进入CMD命令提示符 输入python 进入python环境(可以使用Ctrl+C退出) 输入print("hello&q ...
随机推荐
- CentOS7添加swap分区
买了个云主机,只有1G内存,跑爬虫经常内存不足,于是只能添加swap来缓解: 1.官方推荐的swap大小定义 2.使用dd命令在根下创建swapfile dd if=/dev/zero of=/swa ...
- 第十四天python3 面向对象
1.面向对象 是对现实世界中的事物进行抽象的方式: 一切皆对象: 对象是数据和操作的封装: 对象之间相互独立,但也可以相互作用: 三要素: 封装: 数据与方法的集合: 提供一个或者多个接口来访问:隐藏 ...
- DateFormat类的format方法和parse方法
/** * 使用DateFormat类中的方法format,把日期格式化为文本 * String format(Date date) 按照指定的模式把Date日期格式化为符合模式的字符串 * 使用步骤 ...
- 开源MyBatisGenerator组件源码分析
开源MyBatisGenerator组件源码分析 看源码前,先了解Generator能做什么? MyBatisGenerator是用来生成mybatis的Mapper接口和xml文件的工具,提供多种启 ...
- 为你的网站加上live2d的动态小挂件,博君一晒
原文转载自「刘悦的技术博客」https://v3u.cn/a_id_122 喜欢二次元的朋友一定对大名鼎鼎的live2d技术并不陌生,live2D是一种应用于电子游戏的绘图渲染技术,技术由日本Cybe ...
- 模态框➕穿梭框。demo (jq项目)
1 <!DOCTYPE html> 2 <html lang="en"> 3 4 <head> 5 <meta charset=" ...
- 从零开始Blazor Server(8)--增加菜单以及调整位置
这篇干啥 这篇文章主要是把前面的一些东西稍微调整一下,使其更适合后面的内容. 主要是两个事,一个是把原来的PermissionEntity直接变成MenuEntity,直接让最后一级是菜单,这样后面就 ...
- Educational Codeforces Round 132 (Rated for Div. 2)
Educational Codeforces Round 132 (Rated for Div. 2) A. Three Doors 简述 题意: 有三扇门(1~3), 其中两扇门后面有对应标号门的钥 ...
- Apache DolphinScheduler 1.2.0 task 任务存储结构说明
本文章经授权转载 Table of Contents 任务总体存储 Shell节点 SQL节点 存储过程节点 SPARK节点 MapReduce(MR)节点 Python节点 Flink节点 HTTP ...
- PerfView专题 (第九篇):洞察 C# 中的 LOH 内存碎片化
一:背景 在 内存泄漏 的系列问题中,有一类问题是 内存碎片化 导致的,而且这种更容易发生在 LOH 上,因为它默认不开启 对象压缩,一般遇到这种情况,优先让朋友执行下面的代码应急. GCSettin ...