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C++實作雙向RRT演算法

2022-10-03 07:04:35 其他

C++實作雙向RRT演算法

背景介紹

RRT(Rapidly-exploring Random Trees)是Steven M. LaValle和James J. Kuffner Jr.提出的一種通過所及構建空間搜索樹實作對非凸高維空間快速搜索演算法,該演算法可以很容易的處理包含障礙和差分運動約束的場景,因此被廣泛應用在各種機器人、無人車的運動規劃場景中,

雙向RRT演算法

為了加快隨機搜索樹規劃路徑的速度,因此提出了一種新的搜索思路,即從起點和終點同時開始構建隨機搜索樹,并每次進行判斷產生的節點是否滿足連接的條件,并在連接條件上添加了轉角約束和動態步長策略,

轉角約束是用來限制路線的轉折角度,避免超過無人車的最大轉彎角度,動態步長策略是在產生新節點時用于判斷距離障礙物的趨勢,動態的調整步長,能夠使規劃出的路徑更加平滑,同時也可加快收斂速度,

C++代碼實作如下:

具體代碼

頭檔案
//
// Created by cntia on 2022-10-01.
//

#ifndef RRT_C_RRT_H
#define RRT_C_RRT_H
#include <cmath>
#include <iostream>

using namespace std;
const int RAND_X = 21;
const int RAND_Y = 89;
const double EPS = 1e-6;

struct ListPoint{
    double x;
    double y;
    ListPoint *parent;
    ListPoint *next;
    ListPoint(): x(0), y(0), parent(nullptr),next(nullptr){}
    ListPoint(double x, double y): x(x), y(y), parent(nullptr), next(nullptr){}
};
struct ListObstacle {
    double x;
    double y;
    double r;
    ListObstacle *next;
    ListObstacle():x(),y(), r(), next(nullptr){}
    ListObstacle(double x, double y, double r):x(x),y(y), r(r), next(nullptr){}
};
struct Vector {
    double x;
    double y;
};
class RT {
private:
    ListPoint *one;
    ListPoint *two;
    ListObstacle *obstacle;

    ListPoint *start;
    ListPoint *goal;
    ListPoint *safe;
    ListPoint *recover;

    double angle;
    double step;
    double dist;
    /**
 * 生成隨機點
 * @return
 */
    static ListPoint* randomPoint();
    /**
     * 計算向量夾角
     * @param vector1
     * @param vector2
     * @return
     */
    double getAngle(Vector vector1, Vector vector2);
    /**
     * 向搜索樹插入實際新節點
     * @param t
     * @param point
     */
    void pushBack(int t,ListPoint *point);
    /**
     * 查詢最近節點
     * @param list
     * @param point
     * @return
     */
    ListPoint *getNearestIndexPoint(ListPoint *list, ListPoint *point);
    /**
     * 查詢最近障礙物
     * @param point
     * @return
     */
    ListObstacle *getNearestIndexObstacle(ListPoint *point);
    /**
     * 計算動態步長
     * @param n_point
     * @param a_point
     * @return
     */
    double dynamicStep(ListPoint *n_point, ListPoint * a_point);
    /**
     * 碰撞檢測
     * @param t
     * @param newPoint
     * @return
     */
    bool collisionCheck(int t,const ListPoint *newPoint);
    /**
     * 轉角約束檢測
     * @param newPoint
     * @param parentPoint
     * @param ancestorPoint
     * @return
     */
    bool angleCheck(const ListPoint *newPoint, const ListPoint *parentPoint, const ListPoint *ancestorPoint);
    /**
     * 節點檢測
     * @param t
     * @param newPoint
     * @return
     */
    bool conditionCheck(int t,const ListPoint *newPoint);
    /**
     * 平滑連接判斷
     * @param onePoint
     * @param twoPoint
     * @return
     */
    bool perfectConnect(const ListPoint *onePoint, const ListPoint *twoPoint);
    /**
     * 實際坐標計算
     * @param t
     * @param rnd
     * @return
     */
    ListPoint *coordinate(int t, ListPoint *rnd);
public:
    RT(ListPoint *start,ListPoint *goal,ListPoint *safe,ListPoint *recover, double angle,
       double step, double dist, ListObstacle *obstacle) : start(start), goal(goal), safe(safe), recover(recover),
       angle(angle), step(step),dist(dist),obstacle(obstacle) {
        ListPoint *headOne = start;
        headOne->next = safe;
        safe->parent = headOne;
        this->one = headOne;

        ListPoint *headTwo = goal;
        headTwo->next = recover;
        recover->parent = headTwo;
        this->two = headTwo;
    };
    /**
     * 路徑規劃
     */
    void planning();
};
#endif //RRT_C_RRT_H

源檔案
//
// Created by cntia on 2022-10-01.
//

#include "../headers/RRT.h"

ListPoint *RT::randomPoint() {
    double x = (rand() % (RAND_Y - RAND_X + 1)) + RAND_X;
    double y = (rand() % (RAND_Y - RAND_X + 1)) + RAND_X;
    auto *point = new ListPoint(x, y);
    return point;
}


double RT::getAngle(const Vector vector1, const Vector vector2) {
    double PI = 3.141592653;
    double t = (vector1.x * vector2.x + vector1.y * vector2.y) / (sqrt(pow(vector1.x, 2) + pow(vector1.y, 2)) * sqrt(pow(vector2.x, 2) + pow(vector2.y, 2)));
    double angle = acos(t) * (180 / PI);
    return angle;
}


void RT::pushBack(int t, ListPoint *point) {
    ListPoint *last;
    if(t == 1){
        last = this->one;
    } else {
        last = this->two;
    }
    point->next = nullptr;
    while(last->next != nullptr){
        last = last->next;
    }
    last->next = point;
    point->parent = last;
}


ListPoint *RT::getNearestIndexPoint(ListPoint *list, ListPoint *point) {
    auto *minIndex = new ListPoint;
    auto *head = list;
    double minD = 1.79769e+308;
    double d = 0;
    while(head){
        d = pow((point->x - head->x), 2) + pow((point->y - head->y), 2);
        if(d + EPS < minD){
            minD = d;
            minIndex = head;
        }
        head = head->next;
    }
    return minIndex;
}


ListObstacle *RT::getNearestIndexObstacle(ListPoint *point) {
    auto *minIndex = new ListObstacle;
    auto *head = this->obstacle;
    double minD = 1.79769e+308;
    double d = 0;
    while(head){
        d = sqrt(pow(head->x - point->x, 2) + pow((head->y - point->y), 2)) - head->r;
        if(d+EPS<minD){
            minD = d;
            minIndex = head;
        }
        head = head->next;
    }
    return minIndex;
}


double RT::dynamicStep(ListPoint *n_point, ListPoint *a_point) {
    double theta = atan2(a_point->y - n_point->y, a_point->x - n_point->x);
    a_point->x += cos(theta) * (this->dist + this->step) / 2;
    a_point->y += sin(theta) * (this->dist + this->step) / 2;

    auto * obstacle = getNearestIndexObstacle(a_point);

    double l_n = sqrt(pow(n_point->x-obstacle->x, 2)+pow(n_point->y - obstacle->y, 2)) - obstacle->r;
    double dynamic = this->step / (1 + (this->step / this->dist - 1) * exp( -3 * l_n / this->step));
    return dynamic;
}


bool RT::collisionCheck(int t,const ListPoint *newPoint) {
    bool flag = true;
    ListObstacle *head = this->obstacle;
    while(head != nullptr){
        double dx = head->x - newPoint->x;
        double dy = head->y - newPoint->y;
        double d = sqrt(pow(dx, 2) + pow(dy, 2));

        ListPoint *parentPoint = newPoint->parent;

        Vector vector_p_n = {newPoint->x - parentPoint->x, newPoint->y - parentPoint->y};
        Vector vector_p_o = {head->x - parentPoint->x, head->y - parentPoint->y};
        double d_p_n = abs(sqrt(pow(vector_p_o.x, 2) + pow(vector_p_o.y, 2)) * sin(getAngle(vector_p_n, vector_p_o)));
        if(d + EPS < head->r || d_p_n + EPS < head ->r){
            flag = false;
            break;
        }
        head = head->next;
    }
    return flag;
}


bool RT::angleCheck(const ListPoint *newPoint, const ListPoint *parentPoint, const ListPoint *ancestorPoint) {
    Vector vector_p_n = {newPoint->x - parentPoint->x, newPoint->y - parentPoint->y};

    Vector vector_a_p = {parentPoint->x - ancestorPoint->x, parentPoint->y - ancestorPoint->y};

    double angle = getAngle(vector_a_p, vector_p_n);
    if(angle+EPS <= this->angle){
        return true;
    } else{
        return false;
    }
}


bool RT::conditionCheck(int t,const ListPoint *newPoint) {
    if(collisionCheck(t, newPoint)){
        ListPoint *parentPoint = newPoint->parent;
        if(parentPoint->parent == nullptr){
            return false;
        }
        ListPoint *ancestorPoint = parentPoint->parent;
        if(angleCheck(newPoint, parentPoint, ancestorPoint)){
            return true;
        } else {
            return false;
        }
    } else {
        return false;
    }
}


bool RT::perfectConnect(const ListPoint *onePoint, const ListPoint *twoPoint) {
    ListPoint *oneParent = onePoint->parent;
    ListPoint *twoParent = twoPoint->parent;

    Vector vector_n_w = {onePoint->x - oneParent->x, onePoint->y - oneParent->y};

    Vector vector_w_x = {twoPoint->x - onePoint->x, twoPoint->y - onePoint->y};

    Vector vector_x_j = {twoParent->x - twoPoint->x, twoParent->y - twoPoint->x};

    double angle_one = getAngle(vector_n_w, vector_w_x);
    double angle_two = getAngle(vector_w_x, vector_x_j);
    if(angle_one <= this->angle - EPS){
        if(fabs(angle_two - 180.0) < EPS || fabs(angle_one - 0.0) < EPS){
            return false;
        }else{
            return true;
        }
    }else{
        return false;
    }
}


ListPoint *RT::coordinate(int t, ListPoint *rnd) {
    // 尋找最近節點
    auto *nearestPoint = new ListPoint;
    if(t==1) {
        nearestPoint = getNearestIndexPoint(this->one, rnd);
    } else {
        nearestPoint = getNearestIndexPoint(this->two, rnd);
    }
    // 按照原始步長計算虛坐標
    double theta = atan2(rnd->y - nearestPoint->y, rnd->x - nearestPoint->x);
    auto *newPoint = new ListPoint(nearestPoint->x + cos(theta) * this->step, nearestPoint->y + sin(theta) * this->step);
    // 使用動態步長計算實際坐標
    double actualStep = dynamicStep(nearestPoint, newPoint);
    newPoint->x = nearestPoint->x + cos(theta) * actualStep;
    newPoint->y = nearestPoint->y + sin(theta) * actualStep;
    newPoint->parent = nearestPoint;
    return newPoint;
}


void RT::planning() {
    while(true){
        ListPoint *rnd = randomPoint();
        ListPoint *newPoint=coordinate(1, rnd);

        if(!conditionCheck(1, newPoint)){
            continue;
        }
        pushBack(1, newPoint);

        ListPoint *newPointTwo = coordinate(2, newPoint);
        if(!conditionCheck(2, newPointTwo)){
            continue;
        }
        pushBack(2, newPointTwo);

        double dx = newPoint->x - newPointTwo->x;
        double dy = newPoint->y - newPointTwo->y;
        double d = sqrt(pow(dx, 2)+ pow(dy, 2));

        if(this-> dist+ EPS < d && d + EPS <this->step){
            if(perfectConnect(newPoint, newPointTwo)){
                break;
            }
            else{
                continue;
            }
        }else{
            continue;
        }
    }
    ListPoint *tempOne = this->one;
    while(tempOne!= nullptr){
        cout<<tempOne->x<<"  "<<tempOne->y<<endl;
        tempOne = tempOne->next;
    }
    ListPoint *tempTwo = this->two;
    while(tempTwo != nullptr){
        cout<<tempTwo->x<<"  "<<tempTwo->y<<endl;
        tempTwo = tempTwo->next;
    }
}
主程式
#include "headers//RRT.h"
using namespace std;

const double ANGLE = 60.0;
const double STEP = 10.0;
const double DISTANCE = 5.0;

int main() {
    double obstacle_x[]= {50, 50, 50};
    double obstacle_y[]= {50, 13, 87};
    double obstacle_r[]= {15, 12, 11};
    auto * obstacle = new ListObstacle(50, 50, 15);
    for(int i = 1; i<3; i++){
        auto *node = new ListObstacle;
        node->x = obstacle_x[i];
        node->y = obstacle_y[i];
        node->r = obstacle_r[i];

        node->next = obstacle->next;
        obstacle->next = node;
    }
    auto *start = new ListPoint(0, 0);
    auto *goal = new ListPoint(100, 100);
    auto *safe = new ListPoint(20, 20);
    auto *recover = new ListPoint(90, 90);
    RT rrt = RT(start, goal, safe, recover, ANGLE, STEP, DISTANCE, obstacle);
    rrt.planning();
}

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    隨著前端技術的不斷發展和應用程式的日益復雜,前端自動化測驗也在不斷演進。隨著 Web 應用程式變得越來越復雜,自動化測驗的需求也越來越高。如今,自動化測驗已經成為 Web 應用程式開發程序中不可或缺的一部分,它們可以幫助開發人員更快地發現和修復錯誤,提高應用程式的性能和可靠性。 ......

    uj5u.com 2023-04-20 07:43:16 more
  • CANN開發實踐:4個DVPP記憶體問題的典型案例解讀

    摘要:由于DVPP媒體資料處理功能對存放輸入、輸出資料的記憶體有更高的要求(例如,記憶體首地址128位元組對齊),因此需呼叫專用的記憶體申請介面,那么本期就分享幾個關于DVPP記憶體問題的典型案例,并給出原因分析及解決方法。 本文分享自華為云社區《FAQ_DVPP記憶體問題案例》,作者:昇騰CANN。 DVPP ......

    uj5u.com 2023-04-20 07:43:03 more
  • msf學習

    msf學習 以kali自帶的msf為例 一、msf核心模塊與功能 msf模塊都放在/usr/share/metasploit-framework/modules目錄下 1、auxiliary 輔助模塊,輔助滲透(埠掃描、登錄密碼爆破、漏洞驗證等) 2、encoders 編碼器模塊,主要包含各種編碼 ......

    uj5u.com 2023-04-20 07:42:59 more
  • Halcon軟體安裝與界面簡介

    1. 下載Halcon17版本到到本地 2. 雙擊安裝包后 3. 步驟如下 1.2 Halcon軟體安裝 界面分為四大塊 1. Halcon的五個助手 1) 影像采集助手:與相機連接,設定相機引數,采集影像 2) 標定助手:九點標定或是其它的標定,生成標定檔案及內參外參,可以將像素單位轉換為長度單位 ......

    uj5u.com 2023-04-20 07:42:17 more
  • 在MacOS下使用Unity3D開發游戲

    第一次發博客,先發一下我的游戲開發環境吧。 去年2月份買了一臺MacBookPro2021 M1pro(以下簡稱mbp),這一年來一直在用mbp開發游戲。我大致分享一下我的開發工具以及使用體驗。 1、Unity 官網鏈接: https://unity.cn/releases 我一般使用的Apple ......

    uj5u.com 2023-04-20 07:40:19 more