【机器人路径规划】基于A星栅格路径规划matlab源码

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我们尝试解决的问题是把一个游戏对象(game object)从出发点移动到目的地。路径搜索(Pathfinding)的目标是找到一条好的路径——避免障碍物、敌人,并把代价(燃料,时间,距离,装备,金钱等)最小化。运动(Movement)的目标是找到一条路径并且沿着它行进。把关注的焦点仅集中于其中的一种方法是可能的。一种极端情况是,当游戏对象开始移动时,一个老练的路径搜索器(pathfinder)外加一个琐细的运动算法(movement algorithm)可以找到一条路径,游戏对象将会沿着该路径移动而忽略其它的一切。另一种极端情况是,一个单纯的运动系统(movement-only system)将不会搜索一条路径(最初的“路径”将被一条直线取代),取而代之的是在每一个结点处仅采取一个步骤,同时考虑周围的环境。同时使用路径搜索(Pathfinding)和运动算法(movement algorithm)将会得到最好的效果。

 

 

 

1 导言

  移动一个简单的物体(object)看起来是容易的。而路径搜索是复杂的。为什么涉及到路径搜索就产生麻烦了?考虑以下情况:

 

  物体(unit)最初位于地图的底端并且尝试向顶部移动。物体扫描的区域中(粉红色部分)没有任何东西显示它不能向上移动,因此它持续向上移动。在靠近顶部时,它探测到一个障碍物然后改变移动方向。然后它沿着U形障碍物找到它的红色的路径。相反的,一个路径搜索器(pathfinder)将会扫描一个更大的区域(淡蓝色部分),但是它能做到不让物体(unit)走向凹形障碍物而找到一条更短的路径(蓝色路径)。

  然而你可以扩展一个运动算法,用于对付上图所示的障碍物。或者避免制造凹形障碍,或者把凹形出口标识为危险的(只有当目的地在里面时才进去):

 

  比起一直等到最后一刻才发现问题,路径搜索器让你提前作出计划。不带路径搜索的运动(movement)可以在很多种情形下工作,同时可以扩展到更多的情形,但是路径搜索是一种更常用的解决更多问题的方法。

1.1 算法

  计算机科学教材中的路径搜索算法在数学视角的图上工作——由边联结起来的结点的集合。一个基于图块(tile)拼接的游戏地图可以看成是一个图,每个图块(tile)是一个结点,并在每个图块之间画一条边:

 

  目前,我会假设我们使用二维网格(grid)。稍后我将讨论如何在你的游戏之外建立其他类型的图。

  许多AI领域或算法研究领域中的路径搜索算法是基于任意(arbitrary)的图设计的,而不是基于网格(grid-based)的图。我们可以找到一些能使用网格地图的特性的东西。有一些我们认为是常识,而算法并不理解。例如,我们知道一些和方向有关的东西:一般而言,如果两个物体距离越远,那么把其中一个物体向另一个移动将花越多的时间;并且我们知道地图中没有任何秘密通道可以从一个地点通向另一个地点。(我假设没有,如果有的话,将会很难找到一条好的路径,因为你并不知道要从何处开始。)

1.2 Dijkstra算法与最佳优先搜索

  Dijkstra算法从物体所在的初始点开始,访问图中的结点。它迭代检查待检查结点集中的结点,并把和该结点最靠近的尚未检查的结点加入待检查结点集。该结点集从初始结点向外扩展,直到到达目标结点。Dijkstra算法保证能找到一条从初始点到目标点的最短路径,只要所有的边都有一个非负的代价值。(我说“最短路径”是因为经常会出现许多差不多短的路径。)在下图中,粉红色的结点是初始结点,蓝色的是目标点,而类菱形的有色区域(注:原文是teal areas)则是Dijkstra算法扫描过的区域。颜色最淡的区域是那些离初始点最远的,因而形成探测过程(exploration)的边境(frontier):

 

  最佳优先搜索(BFS)算法按照类似的流程运行,不同的是它能够评估(称为启发式的)任意结点到目标点的代价。与选择离初始结点最近的结点不同的是,它选择离目标最近的结点。BFS不能保证找到一条最短路径。然而,它比Dijkstra算法快的多,因为它用了一个启发式函数(heuristic function)快速地导向目标结点。例如,如果目标位于出发点的南方,BFS将趋向于导向南方的路径。在下面的图中,越黄的结点代表越高的启发式值(移动到目标的代价高),而越黑的结点代表越低的启发式值(移动到目标的代价低)。这表明了与Dijkstra 算法相比,BFS运行得更快。

 

  然而,这两个例子都仅仅是最简单的情况——地图中没有障碍物,最短路径是直线的。现在我们来考虑前边描述的凹型障碍物。Dijkstra算法运行得较慢,但确实能保证找到一条最短路径:

 

  另一方面,BFS运行得较快,但是它找到的路径明显不是一条好的路径:

 

  问题在于BFS是基于贪心策略的,它试图向目标移动尽管这不是正确的路径。由于它仅仅考虑到达目标的代价,而忽略了当前已花费的代价,于是尽管路径变得很长,它仍然继续走下去。

  结合两者的优点不是更好吗?1968年发明的A*算法就是把启发式方法(heuristic approaches)如BFS,和常规方法如Dijsktra算法结合在一起的算法。有点不同的是,类似BFS的启发式方法经常给出一个近似解而不是保证最佳解。然而,尽管A*基于无法保证最佳解的启发式方法,A*却能保证找到一条最短路径。

1.3 A*算法

  我将集中讨论A*算法。A*是路径搜索中最受欢迎的选择,因为它相当灵活,并且能用于多种多样的情形之中。

  和其它的图搜索算法一样,A*潜在地搜索图中一个很大的区域。和Dijkstra一样,A*能用于搜索最短路径。和BFS一样,A*能用启发式函数(注:原文为heuristic)引导它自己。在简单的情况中,它和BFS一样快。

 

  在凹型障碍物的例子中,A*找到一条和Dijkstra算法一样好的路径:

 

  成功的秘决在于,它把Dijkstra算法(靠近初始点的结点)和BFS算法(靠近目标点的结点)的信息块结合起来。在讨论A*的标准术语中,g(n)表示从初始结点到任意结点n的代价,h(n)表示从结点n到目标点的启发式评估代价(heuristic estimated cost)。在上图中,yellow(h)表示远离目标的结点而teal(g)表示远离初始点的结点。当从初始点向目标点移动时,A*权衡这两者。每次进行主循环时,它检查f(n)最小的结点n,其中f(n) = g(n) + h(n)。

2 启发式算法

  启发式函数h(n)告诉A*从任意结点n到目标结点的最小代价评估值。选择一个好的启发式函数是重要的。

2.1 A*对启发式函数的使用

  启发式函数可以控制A*的行为:

  • 一种极端情况,如果h(n)是0,则只有g(n)起作用,此时A*演变成Dijkstra算法,这保证能找到最短路径。
  • 如果h(n)经常都比从n移动到目标的实际代价小(或者相等),则A*保证能找到一条最短路径。h(n)越小,A*扩展的结点越多,运行就得越慢。
  • 如果h(n)精确地等于从n移动到目标的代价,则A*将会仅仅寻找最佳路径而不扩展别的任何结点,这会运行得非常快。尽管这不可能在所有情况下发生,你仍可以在一些特殊情况下让它们精确地相等(译者:指让h(n)精确地等于实际值)。只要提供完美的信息,A*会运行得很完美,认识这一点很好。
  • 如果h(n)有时比从n移动到目标的实际代价高,则A*不能保证找到一条最短路径,但它运行得更快。
  • 另一种极端情况,如果h(n)比g(n)大很多,则只有h(n)起作用,A*演变成BFS算法。

  所以我们得到一个很有趣的情况,那就是我们可以决定我们想要从A*中获得什么。理想情况下(注:原文为At exactly the right point),我们想最快地得到最短路径。如果我们的目标太低,我们仍会得到最短路径,不过速度变慢了;如果我们的目标太高,那我们就放弃了最短路径,但A*运行得更快。

在游戏中,A*的这个特性非常有用。例如,你会发现在某些情况下,你希望得到一条好的路径("good" path)而不是一条完美的路径("perfect" path)。为了权衡g(n)和h(n),你可以修改任意一个。

注:在学术上,如果启发式函数值是对实际代价的低估,A*算法被称为简单的A算法(原文为simply A)。然而,我继续称之为A*,因为在实现上是一样的,并且在游戏编程领域并不区别A和A*。

2.2 速度还是精确度?

  A*改变它自己行为的能力基于启发式代价函数,启发式函数在游戏中非常有用。在速度和精确度之间取得折衷将会让你的游戏运行得更快。在很多游戏中,你并不真正需要得到最好的路径,仅需要近似的就足够了。而你需要什么则取决于游戏中发生着什么,或者运行游戏的机器有多快。

  假设你的游戏有两种地形,平原和山地,在平原中的移动代价是1而在山地则是3。A* is going to search three times as far along flat land as it does along mountainous land. 这是因为有可能有一条沿着平原到山地的路径。把两个邻接点之间的评估距离设为1.5可以加速A*的搜索过程。然后A*会将3和1.5比较,这并不比把3和1比较差。It is not as dissatisfied with mountainous terrain, so it won't spend as much time trying to find a way around it. Alternatively, you can speed up up A*'s search by decreasing the amount it searches for paths around mountains―just tell A* that the movement cost on mountains is 2 instead of 3. Now it will search only twice as far along the flat terrain as along mountainous terrain. Either approach gives up ideal paths to get something quicker.

速度和精确度之间的选择前不是静态的。你可以基于CPU的速度、用于路径搜索的时间片数、地图上物体(units)的数量、物体的重要性、组(group)的大小、难度或者其他任何因素来进行动态的选择。取得动态的折衷的一个方法是,建立一个启发式函数用于假定通过一个网格空间的最小代价是1,然后建立一个代价函数(cost function)用于测量(scales):

g’(n) = 1 + alpha * ( g(n) – 1 )

  如果alpha是0,则改进后的代价函数的值总是1。这种情况下,地形代价被完全忽略,A*工作变成简单地判断一个网格可否通过。如果alpha是1,则最初的代价函数将起作用,然后你得到了A*的所有优点。你可以设置alpha的值为0到1的任意值。

  你也可以考虑对启发式函数的返回值做选择:绝对最小代价或者期望最小代价。例如,如果你的地图大部分地形是代价为2的草地,其它一些地方是代价为1的道路,那么你可以考虑让启发式函数不考虑道路,而只返回2*距离。

  速度和精确度之间的选择并不是全局的。在地图上的某些区域,精确度是重要的,你可以基于此进行动态选择。例如,假设我们可能在某点停止重新计算路径或者改变方向,则在接近当前位置的地方,选择一条好的路径则是更重要的,因此为何要对后续路径的精确度感到厌烦?或者,对于在地图上的一个安全区域,最短路径也许并不十分重要,但是当从一个敌人的村庄逃跑时,安全和速度是最重要的。(译者注:译者认为这里指的是,在安全区域,可以考虑不寻找精确的最短路径而取近似路径,因此寻路快;但在危险区域,逃跑的安全性和逃跑速度是重要的,即路径的精确度是重要的,因此可以多花点时间用于寻找精确路径。)

2.3 衡量单位

 A*计算f(n) = g(n) + h(n)。为了对这两个值进行相加,这两个值必须使用相同的衡量单位。如果g(n)用小时来衡量而h(n)用米来衡量,那么A*将会认为g或者h太大或者太小,因而你将不能得到正确的路径,同时你的A*算法将运行得更慢。

2.4 精确的启发式函数

  如果你的启发式函数精确地等于实际最佳路径(optimal path),如下一部分的图中所示,你会看到此时A*扩展的结点将非常少。A*算法内部发生的事情是:在每一结点它都计算f(n) = g(n) + h(n)。当h(n)精确地和g(n)匹配(译者注:原文为match)时,f(n)的值在沿着该路径时将不会改变。不在正确路径(right path)上的所有结点的f值均大于正确路径上的f值(译者注:正确路径在这里应该是指最短路径)。如果已经有较低f值的结点,A*将不考虑f值较高的结点,因此它肯定不会偏离最短路径。

2.4.1 预计算的精确启发式函数

  构造精确启发函数的一种方法是预先计算任意一对结点之间最短路径的长度。在许多游戏的地图中这并不可行。然后,有几种方法可以近似模拟这种启发函数:

  • Fit a coarse grid on top of the fine grid. Precompute the shortest path between any pair of coarse grid locations.
  • Precompute the shortest path between any pair of waypoints. This is a generalization of the coarse grid approach.

  (译者:此处不好翻译,暂时保留原文)

然后添加一个启发函数h’用于评估从任意位置到达邻近导航点(waypoints)的代价。(如果愿意,后者也可以通过预计算得到。)最终的启发式函数可以是:

h(n) = h'(n, w1) + distance(w1, w2), h'(w2, goal)

或者如果你希望一个更好但是更昂贵的启发式函数,则分别用靠近结点和目标的所有的w1,w2对对上式进行求值。(译者注:原文为or if you want a better but more expensive heuristic, evaluate the above with all pairs w1, w2 that are close to the node and the goal, respectively.)

2.4.2 线性精确启发式算法

  在特殊情况下,你可以不通过预计算而让启发式函数很精确。如果你有一个不存在障碍物和slow地形,那么从初始点到目标的最短路径应该是一条直线。

  如果你正使用简单的启发式函数(我们不知道地图上的障碍物),则它应该和精确的启发式函数相符合(译者注:原文为match)。如果不是这样,则你会遇到衡量单位的问题,或者你所选择的启发函数类型的问题。

2.5 网格地图中的启发式算法

  在网格地图中,有一些众所周知的启发式函数。

2.5.1 曼哈顿距离

标准的启发式函数是曼哈顿距离(Manhattan distance)。考虑你的代价函数并找到从一个位置移动到邻近位置的最小代价D。因此,我的游戏中的启发式函数应该是曼哈顿距离的D倍:

       H(n) = D * (abs ( n.x – goal.x ) + abs ( n.y – goal.y ) )

你应该使用符合你的代价函数的衡量单位。

 

(Note: the above image has a tie-breaker added to the heuristic.}

(译者注:曼哈顿距离——两点在南北方向上的距离加上在东西方向上的距离,即D(I,J)=|XI-XJ|+|YI-YJ|。对于一个具有正南正北、正东正西方向规则布局的城镇街道,从一点到达另一点的距离正是在南北方向上旅行的距离加上在东西方向上旅行的距离因此曼哈顿距离又称为出租车距离,曼哈顿距离不是距离不变量,当坐标轴变动时,点间的距离就会不同——百度知道)

2.5.2 对角线距离

如果在你的地图中你允许对角运动那么你需要一个不同的启发函数。(4 east, 4 north)的曼哈顿距离将变成8*D。然而,你可以简单地移动(4 northeast)代替,所以启发函数应该是4*D。这个函数使用对角线,假设直线和对角线的代价都是D:

h(n) = D * max(abs(n.x - goal.x), abs(n.y - goal.y))

 

如果对角线运动的代价不是D,但类似于D2 = sqrt(2) * D,则上面的启发函数不准确。你需要一些更准确(原文为sophisticated)的东西:

h_diagonal(n) = min(abs(n.x - goal.x), abs(n.y - goal.y))

h_straight(n) = (abs(n.x - goal.x) + abs(n.y - goal.y))

h(n) = D2 * h_diagonal(n) + D * (h_straight(n) - 2*h_diagonal(n)))

这里,我们计算h_diagonal(n):沿着斜线可以移动的步数;h_straight(n):曼哈顿距离;然后合并这两项,让所有的斜线步都乘以D2,剩下的所有直线步(注意这里是曼哈顿距离的步数减去2倍的斜线步数)都乘以D。

2.5.3 欧几里得距离

如果你的单位可以沿着任意角度移动(而不是网格方向),那么你也许应该使用直线距离:

h(n) = D * sqrt((n.x-goal.x)^2 + (n.y-goal.y)^2)

然而,如果是这样的话,直接使用A*时将会遇到麻烦,因为代价函数g不会match启发函数h。因为欧几里得距离比曼哈顿距离和对角线距离都短,你仍可以得到最短路径,不过A*将运行得更久一些:

 

2.5.4 平方后的欧几里得距离

我曾经看到一些A*的网页,其中提到让你通过使用距离的平方而避免欧几里得距离中昂贵的平方根运算:

h(n) = D * ((n.x-goal.x)^2 + (n.y-goal.y)^2)

不要这样做!这明显地导致衡量单位的问题。当A*计算f(n) = g(n) + h(n),距离的平方将比g的代价大很多,并且你会因为启发式函数评估值过高而停止。对于更长的距离,这样做会靠近g(n)的极端情况而不再计算任何东西,A*退化成BFS:

 

2.5.5 Breaking ties Breaking ties

导致低性能的一个原因来自于启发函数的ties(注:这个词实在不知道应该翻译为什么)。当某些路径具有相同的f值的时候,它们都会被搜索(explored),尽管我们只需要搜索其中的一条:


Ties in f values.

为了解决这个问题,我们可以为启发函数添加一个附加值(译者注:原文为small tie breaker)。附加值对于结点必须是确定性的(也就是说,不能是随机的数),而且它必须让f值体现区别。因为A*对f值排序,让f值不同意味着只有一个"equivalent"的f值会被检测。

一种添加附加值的方式是稍微改变(译者注:原文为nudge)h的衡量单位。如果我们减少衡量单位(译者注:原文为scale it downwards),那么当我们朝着目标移动的时候f将逐渐增加。很不幸,这意味着A*倾向于扩展到靠近初始点的结点,而不是靠近目标的结点。我们可以增加衡量单位(译者注:原文为scale it downwards scale h upwards slightly)(甚至是0.1%),A*就会倾向于扩展到靠近目标的结点。

heuristic *= (1.0 + p)

选择因子p使得p < 移动一步(step)的最小代价 / 期望的最长路径长度。假设你不希望你的路径超过1000步(step),你可以使p = 1 / 1000。添加这个附加值的结果是,A*比以前搜索的结点更少了。


Tie-breaking scaling added to heuristic.

当存在障碍物时,当然仍要在它们周围寻找路径,但要意识到,当绕过障碍物以后,A*搜索的区域非常少:


Tie-breaking scaling added to heuristic, works nicely with obstacles.

Steven van Dijk建议,一个更直截了当的方法是把h传递到比较函数(comparison function)。当f值相等时,比较函数检查h,然后添加附加值。

一个不同的添加附加值的方法是,倾向于从初始点到目标点的连线(直线):

dx1 = current.x - goal.x

dy1 = current.y - goal.y

dx2 = start.x - goal.x

dy2 = start.y - goal.y

cross = abs(dx1*dy2 - dx2*dy1)

heuristic += cross*0.001

这段代码计算初始-目标向量(start to goal vector)和当前-目标向量(current point to goal vector)的向量叉积(vector cross-product)。When these vectors don't line up, the cross product will be larger.结果是,这段代码选择的路径稍微倾向于从初始点到目标点的直线。当没有障碍物时,A*不仅搜索很少的区域,而且它找到的路径看起来非常棒:


Tie-breaking cross-product added to heuristic, produces pretty paths.

然而,因为这种附加值倾向于从初始点到目标点的直线路径,当出现障碍物时将会出现奇怪的结果(注意这条路径仍是最佳的,只是看起来很奇怪):


Tie-breaking cross-product added to heuristic, less pretty with obstacles.

为了交互地研究这种附加值方法的改进,请参考James Macgill的A*确applet(www.ccg.leeds.ac.uk/james/aStar… A*”方法,你会看到附加值的效果。当你使用“Fudge”方法,你会看到上面给启发函数添加叉积后的效果。

然而另一种添加附加值的方法是,小心地构造你的A*优先队列,使新插入的具有特殊f值的结点总是比那些以前插入的具有相同f值的旧结点要好一些。

你也许也想看看能够更灵活地(译者注:原文为sophisticated)添加附加值的AlphA*算法(home1.stofanet.dk/breese/pape…

2.5.6 区域搜索

  如果你想搜索邻近目标的任意不确定结点,而不是某个特定的结点,你应该建立一个启发函数h’(x),使得h’(x)为h1(x), h2(x), h3(x)。。。的最小值,而这些h1, h2, h3是邻近结点的启发函数。然而,一种更快的方法是让A*仅搜索目标区域的中心。一旦你从OPEN集合中取得任意一个邻近目标的结点,你就可以停止搜索并建立一条路径了。

3 Implementation notes

3.1 概略

  如果不考虑具体实现代码,A*算法是相当简单的。有两个集合,OPEN集和CLOSED集。其中OPEN集保存待考查的结点。开始时,OPEN集只包含一个元素:初始结点。CLOSED集保存已考查过的结点。开始时,CLOSED集是空的。如果绘成图,OPEN集就是被访问区域的边境(frontier)而CLOSED集则是被访问区域的内部(interior)。每个结点同时保存其父结点的指针因此我们可以知道它是如何被找到的。

  在主循环中重复地从OPEN集中取出最好的结点n(f值最小的结点)并检查之。如果n是目标结点,则我们的任务完成了。否则,结点n被从OPEN集中删除并加入CLOSED集。然后检查它的邻居n’。如果邻居n’在CLOSED集中,那么它是已经被检查过的,所以我们不需要考虑它*;如果n’在OPEN集中,那么它是以后肯定会被检查的,所以我们现在不考虑它*。否则,把它加入OPEN集,把它的父结点设为n。到达n’的路径的代价g(n’),设定为g(n) + movementcost(n, n’)。

clear;
G= [0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0;
     0 0 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0;
     0 0 1 0 0 0 1 1 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0;
     0 0 0 0 0 0 1 1 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0;
     0 0 0 0 0 0 1 1 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0;
     0 1 1 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0;
     0 1 1 1 0 0 1 1 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0;
     0 0 0 0 0 0 1 1 1 0 1 0 1 1 0 0 0 0 0 0;
     0 1 1 1 0 0 0 0 0 0 1 0 1 1 0 0 0 0 0 0;
     0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0;
     0 0 0 0 0 0 0 1 1 0 1 1 1 1 0 0 0 0 0 0;
     0 0 0 0 0 0 0 1 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0;
     0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 1 1 0 1 1 1 1 0;
     0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0;
     0 0 1 1 0 0 0 0 0 0 1 1 1 1 1 1 1 1 1 0;
     0 0 1 1 0 0 1 1 1 0 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0;
     0 0 0 0 0 0 1 1 1 0 1 0 0 0 0 0 0 1 1 0; 
     0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 1 1 0;
     0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0;
     0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0];
ditu.qishi=[1,1];
ditu.mubiao=[20,20];
ditu.daxiao=20;
zhangai=[];
for i=1:ditu.daxiao
    for j=1:ditu.daxiao
        if (G(i,j)==1)
            zhangai=[zhangai;j,i];
        end
    end
end
path=Astar(zhangai,ditu);
b = G;
b(end+1,end+1) = 0;
figure(4);
colormap([1 1 1;0 0 0]);  % 创建颜色
pcolor(0.5:size(G,2) + 0.5, 0.5:size(G,1) + 0.5, b); % 赋予栅格颜色
set(gca, 'XTick', 1:size(G,1), 'YTick', 1:size(G,2));  % 设置坐标
axis image xy;  % 沿每个坐标轴使用相同的数据单位,保持一致
hold on;
plot(path(:,1),path(:,2),'-m','linewidth',2);
a=path(1,3);
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