最佳路径优先搜索算法

news2024/11/24 14:29:03

本来想直接写A* 的,不过看完最佳路径优先搜索算法后觉得还是要先理解一下这个算法后才能更好的理解A* 算法,所以把这篇文章放到A* 前面。

基本概念

最佳优先搜索算法(Best-first-searching)是一种启发式搜索算法(Heuristic Algorithm),其基于广度优先搜索算法,不同点是其依赖于估价函数对将要遍历的节点进行估价,选择代价小的节点进行遍历,直到找到目标点为止。BFS算法不能保证找到的路径是一条最短路径,但是其计算过程相对于Dijkstra算法会快很多。

BFS算法的启发估价函数公式为:

f ( n ) = h ( n ) f(n) = h(n) f(n)=h(n)

n表示当前的点,g(n)为从起始点到点n的实际代价,h(n)为从点n到目标点的估价。

从上述公式我们可以看出,BFS的搜索方式非常简单粗暴,直接从起点开始连接终点,对线上的点进行搜索,遇到障碍物时向四周展开。在没有障碍物的场景下,BFS是一种快速有效的路径搜索方式:
在这里插入图片描述
但是在大部分情况下,我们的场景中肯定会存在不同的障碍物,此时它的搜索路径就不再是最优的了:
在这里插入图片描述

代码实现

import os
import sys
from collections import deque
import matplotlib.pyplot as plt

import math
import heapq

class BFS:
    """BFS add the new visited node in the end of the openset
    """
    def __init__(self, s_start, s_goal, heuristic_type,xI, xG):
        self.s_start = s_start
        self.s_goal = s_goal
        self.heuristic_type = heuristic_type

        self.u_set = [(-1, 0), (-1, 1), (0, 1), (1, 1),
                        (1, 0), (1, -1), (0, -1), (-1, -1)]  # feasible input set
        self.obs = self.obs_map()  # position of obstacles

        self.OPEN = []  # priority queue / OPEN set
        self.CLOSED = []  # CLOSED set / VISITED order
        self.PARENT = dict()  # recorded parent
        self.g = dict()  # cost to come
        self.x_range = 51  # size of background
        self.y_range = 31
        
        self.xI, self.xG = xI, xG
        self.obs = self.obs_map()

    def update_obs(self, obs):
        self.obs = obs

    def obs_map(self):
        """
        Initialize obstacles' positions
        :return: map of obstacles
        """

        x = 51
        y = 31
        obs = set()

        for i in range(x):
            obs.add((i, 0))
        for i in range(x):
            obs.add((i, y - 1))

        for i in range(y):
            obs.add((0, i))
        for i in range(y):
            obs.add((x - 1, i))

        for i in range(10, 21):
            obs.add((i, 15))
        for i in range(15):
            obs.add((20, i))

        for i in range(15, 30):
            obs.add((30, i))
        for i in range(16):
            obs.add((40, i))

        return obs
        
    def update_obs(self, obs):
        self.obs = obs

    def animation(self, path, visited, name):
        self.plot_grid(name)
        self.plot_visited(visited)
        self.plot_path(path)
        plt.show()


    def plot_grid(self, name):
        obs_x = [x[0] for x in self.obs]
        obs_y = [x[1] for x in self.obs]

        plt.plot(self.xI[0], self.xI[1], "bs")
        plt.plot(self.xG[0], self.xG[1], "gs")
        plt.plot(obs_x, obs_y, "sk")
        plt.title(name)
        plt.axis("equal")

    def plot_visited(self, visited, cl='gray'):
        if self.xI in visited:
            visited.remove(self.xI)

        if self.xG in visited:
            visited.remove(self.xG)

        count = 0

        for x in visited:
            count += 1
            plt.plot(x[0], x[1], color=cl, marker='o')
            plt.gcf().canvas.mpl_connect('key_release_event',
                                         lambda event: [exit(0) if event.key == 'escape' else None])

            if count < len(visited) / 3:
                length = 20
            elif count < len(visited) * 2 / 3:
                length = 30
            else:
                length = 40
            #
            # length = 15

            if count % length == 0:
                plt.pause(0.001)
        plt.pause(0.01)

    def plot_path(self, path, cl='r', flag=False):
        path_x = [path[i][0] for i in range(len(path))]
        path_y = [path[i][1] for i in range(len(path))]

        if not flag:
            plt.plot(path_x, path_y, linewidth='3', color='r')
        else:
            plt.plot(path_x, path_y, linewidth='3', color=cl)

        plt.plot(self.xI[0], self.xI[1], "bs")
        plt.plot(self.xG[0], self.xG[1], "gs")

        plt.pause(0.01)

        
    def searching(self):
        """
        Breadth-first Searching.
        :return: path, visited order
        """

        self.PARENT[self.s_start] = self.s_start
        self.g[self.s_start] = 0
        self.g[self.s_goal] = math.inf
        heapq.heappush(self.OPEN,
                       (self.heuristic(self.s_start), self.s_start))

        while self.OPEN:
            _, s = heapq.heappop(self.OPEN)
            self.CLOSED.append(s)

            if s == self.s_goal:
                break

            for s_n in self.get_neighbor(s):
                new_cost = self.g[s] + self.cost(s, s_n)

                if s_n not in self.g:
                    self.g[s_n] = math.inf

                if new_cost < self.g[s_n]:  # conditions for updating Cost
                    self.g[s_n] = new_cost
                    self.PARENT[s_n] = s

                    # best first set the heuristics as the priority 
                    heapq.heappush(self.OPEN, (self.heuristic(s_n), s_n))

        return self.extract_path(self.PARENT), self.CLOSED
    def get_neighbor(self, s):
        """
        find neighbors of state s that not in obstacles.
        :param s: state
        :return: neighbors
        """

        return [(s[0] + u[0], s[1] + u[1]) for u in self.u_set]

    def cost(self, s_start, s_goal):
        """
        Calculate Cost for this motion
        :param s_start: starting node
        :param s_goal: end node
        :return:  Cost for this motion
        :note: Cost function could be more complicate!
        """

        if self.is_collision(s_start, s_goal):
            return math.inf

        return math.hypot(s_goal[0] - s_start[0], s_goal[1] - s_start[1])

    def is_collision(self, s_start, s_end):
        """
        check if the line segment (s_start, s_end) is collision.
        :param s_start: start node
        :param s_end: end node
        :return: True: is collision / False: not collision
        """

        if s_start in self.obs or s_end in self.obs:
            return True

        if s_start[0] != s_end[0] and s_start[1] != s_end[1]:
            if s_end[0] - s_start[0] == s_start[1] - s_end[1]:
                s1 = (min(s_start[0], s_end[0]), min(s_start[1], s_end[1]))
                s2 = (max(s_start[0], s_end[0]), max(s_start[1], s_end[1]))
            else:
                s1 = (min(s_start[0], s_end[0]), max(s_start[1], s_end[1]))
                s2 = (max(s_start[0], s_end[0]), min(s_start[1], s_end[1]))

            if s1 in self.obs or s2 in self.obs:
                return True

        return False

    def extract_path(self, PARENT):
        """
        Extract the path based on the PARENT set.
        :return: The planning path
        """

        path = [self.s_goal]
        s = self.s_goal

        while True:
            s = PARENT[s]
            path.append(s)

            if s == self.s_start:
                break

        return list(path)

    def heuristic(self, s):
        """
        Calculate heuristic.
        :param s: current node (state)
        :return: heuristic function value
        """

        heuristic_type = self.heuristic_type  # heuristic type
        goal = self.s_goal  # goal node

        if heuristic_type == "manhattan":
            return abs(goal[0] - s[0]) + abs(goal[1] - s[1])
        else:#sqrt(x^2+y^2)
            return math.hypot(goal[0] - s[0], goal[1] - s[1])



def main():
    s_start = (5, 5)
    s_goal = (45, 25)
    bfs = BFS(s_start, s_goal, 'None',s_start,s_goal)
    path, visited = bfs.searching()
    bfs.animation(path, visited, "Breadth-first Searching (BFS)")


if __name__ == '__main__':
    main()

简单讲解一下原理(跟A*那篇类似):
简单解析一下:

在获取起点后,算法维护了两个字典:

        self.PARENT[self.s_start] = self.s_start
        self.g[self.s_start] = 0
        self.g[self.s_goal] = math.inf

PARENT字典中存取的是这个点由哪个点延伸出来的,即它的上一个节点是谁,用于最后的路径的返回;g这个字典中存储的是每个坐标的代价值,即g[s]。

然后,算法通过堆栈的概念维护了一个堆栈:

        heapq.heappush(self.OPEN,(self.heuristic(self.s_start), self.s_start))

将初始值的f[s]存储在这里,然后进行while循环:

首先从堆栈中取出栈顶元素:

_, s = heapq.heappop(self.OPEN)

注意到这里使用的heapq堆栈功能中的两个函数heapq.heappop与heapq.heappush。heappop会取出栈顶元素并将原始数据从堆栈中删除,而heappush则是对插入的数据按大小排序并存储在堆栈中。所以每一个遍历的点都会按照它的代价值放入堆栈中,同时每次取出的都是代价值最小的那个。

然后判断出栈顶元素是否为目标点,如果为目标点,则退出:

            if s == self.s_goal:  # stop condition
                break

如果不是,则更新该点附近点的代价值:

            for s_n in self.get_neighbor(s):
                new_cost = self.g[s] + self.cost(s, s_n)

                if s_n not in self.g:
                    self.g[s_n] = math.inf

                if new_cost < self.g[s_n]:  # conditions for updating Cost
                    self.g[s_n] = new_cost
                    self.PARENT[s_n] = s

                    # best first set the heuristics as the priority 
                    heapq.heappush(self.OPEN, (self.heuristic(s_n), s_n))

get_neighbor为获取该点周围的点的坐标。heappush入栈时需要存储的该点的代价值的计算方式为:

     def heuristic(self, s):
        """
        Calculate heuristic.
        :param s: current node (state)
        :return: heuristic function value
        """

        heuristic_type = self.heuristic_type  # heuristic type
        goal = self.s_goal  # goal node

        if heuristic_type == "manhattan":
            return abs(goal[0] - s[0]) + abs(goal[1] - s[1])
        else:#sqrt(x^2+y^2)
            return math.hypot(goal[0] - s[0], goal[1] - s[1])

这里计算了一个启发函数的代价值h(n),h的计算可以根据实际情况进行选择,例如在栅格地图中,计算h的方式一般可以分为两种:曼哈顿距离与欧几里德距离。

另外这里注意一个非常巧妙的问题,对于同一个点,如果它在计算其左边的点的时候会将其添加到堆栈中,计算其本身时会出栈,再计算其右边时是否还需要重新入栈呢?

这个是不一定的,是否重新入栈的关键取决于该点在右边的点的计算代价值是否小于左边:

if new_cost < self.g[s_n]:

如果代价值比原来的小,则会重新入栈,否则,这个点就不需要重新计算,这样子就避免了大量的重复计算以及死循环的问题。

最后得到结果如下:
在这里插入图片描述
从结果可以看出,虽然最佳路径优先搜索算法得到的结果不是最优的,但是在搜索过程中确实效率还是非常高的。

参考:

1、最佳优先搜索和A*搜索算法

2、路径规划算法

本文来自互联网用户投稿,该文观点仅代表作者本人,不代表本站立场。本站仅提供信息存储空间服务,不拥有所有权,不承担相关法律责任。如若转载,请注明出处:http://www.coloradmin.cn/o/841605.html

如若内容造成侵权/违法违规/事实不符,请联系多彩编程网进行投诉反馈,一经查实,立即删除!

相关文章

element vue2 动态添加 select+tree

难点在 1 添加一组一组的渲染 是往数组里push对象 循环的&#xff1b;但是要注意对象的结构! 因为这涉及到编辑完成后&#xff0c;表单提交时候的 校验&#xff01; 是校验每一个select tree里边 是否勾选 2 是在后期做编辑回显的时候 保证后端返回的值 是渲染到 select中的tr…

Markdown系列之Flowchat流程图

一.欢迎来到我的酒馆 介绍Markdown的Flowchart流程图语法。 目录 一.欢迎来到我的酒馆二.什么是Flowchart三.更进一步 二.什么是Flowchart 2.1 Flowchart是一款基于javascript的工具&#xff0c;使用它可以用代码创建简单的流程图。具体信息可以查看flowchart官网&#xff1a;…

vscode 设置滑条颜色

1. 默认的滑条是灰黑色的&#xff0c;很难看的清 2. 左下角&#xff0c;打开VS Code 设置功能 3. 输入命令 workbench color&#xff0c;回车 4. 找到工作台&#xff1a;自定义颜色设置&#xff0c;打开设置文件 setting.json 5. 打开配置文件 6. 添加颜色配置 "workben…

【C++】开源:事件驱动网络库libevent配置使用

&#x1f60f;★,:.☆(&#xffe3;▽&#xffe3;)/$:.★ &#x1f60f; 这篇文章主要介绍事件驱动库libevent配置使用。 无专精则不能成&#xff0c;无涉猎则不能通。——梁启超 欢迎来到我的博客&#xff0c;一起学习&#xff0c;共同进步。 喜欢的朋友可以关注一下&#xf…

C++——STL容器【priority_queue】模拟实现

本章代码&#xff1a;优先级队列模拟实现、priority_queue文档 文章目录 &#x1f408;1. priority_queue介绍&#x1f984;2. priority_queue模拟实现&#x1f427;2.1 构造函数&#x1f427;2.2 建堆向下调整向上调整 &#x1f427;2.3 仿函数&#x1f427;2.4 push & po…

通向架构师的道路之漫谈使用ThreadLocal改进你的层次的划分

一、什么是ThreadLocal 早在JDK 1.2的版本中就提供java.lang.ThreadLocal&#xff0c;ThreadLocal为解决多线程程序的并发问题提供了一种新的思路。使用这个工具类可以很简洁地编写出优美的多线程程序。 ThreadLocal很容易让人望文生义&#xff0c;想当然地认为是一个“本地线…

MapTR论文笔记

MAPTR: STRUCTURED MODELING AND LEARNING FOR ONLINE VECTORIZED HD MAP CONSTRUCTION 目的 传统高精地图 通过一些离线的基于 SLAM 的方法生成&#xff0c;需要复杂的流程以及高昂的维护费用。基于 bev 分割的建图方法&#xff0c;缺少向量化 实例级的信息&#xff0c;比如…

SPM(Swift Package Manager)开发及常见事项

SPM怎么使用的不再赘述&#xff0c;其优点是Cocoapods这样的远古产物难以望其项背的&#xff0c;而且最重要的是可二进制化、对xcproj项目无侵入&#xff0c;除了网络之外简直就是为团队开发的项目库依赖最好的管理工具&#xff0c;是时候抛弃繁杂低下的cocoapods了。 一&…

如何使用 ChatGPT 规划家居装修

你正在计划家庭装修项目&#xff0c;但不确定从哪里开始&#xff1f;ChatGPT 随时为你提供帮助。从集思广益的设计理念到估算成本&#xff0c;ChatGPT 可以简化你的家居装修规划流程。在本文中&#xff0c;我们将讨论如何使用 ChatGPT 有效地规划家居装修&#xff0c;以便你的项…

vue diff 前后缀+最长递增子序列算法

文章目录 查找相同前后缀通过前后缀位置信息新增节点通过前后缀位置信息删除节点 中间部份 diff判断节点是否需要移动删除节点删除未查找到的节点删除多余节点 移动和新增节点最长递增子序列 求解最长递增子序列位置信息 查找相同前后缀 如上图所示&#xff0c;新旧 children 拥…

SCT82A30DHKR_5.5V-100V Vin同步降压控制器

SCT82A30是一款100V电压模式控制同步降压控制器&#xff0c;具有线路前馈。40ns受控高压侧MOSFET的最小导通时间支持高转换比&#xff0c;实现从48V输入到低压轨的直接降压转换&#xff0c;降低了系统复杂性和解决方案成本。如果需要&#xff0c;在低至6V的输入电压下降期间&am…

Photoshop 2023 25.0beta「Mac」

Photoshop 2023是一款专业图像处理软件&#xff0c;它主要用于图像编辑、合成和设计等方面。 Photoshop beta创新式填充的功能特色包括&#xff1a; 自动识别和删除对象&#xff1a;该功能可以自动识别图像中的对象&#xff0c;并用周围的图像填充空白部分&#xff0c;使图像看…

window系统下 tinymce富文本编辑器在搜狗输入法下placeholder不消失现象

window 搜狗输入法下编辑器占位符和内容重叠问题 这种情况是&#xff0c;tinymce插件库存在一些兼容BUG&#xff0c;需要我们自行手写样式或者js替换掉placeholder&#xff0c;代码如下&#xff1a; // 获取富文本框的内容const handleChange (editorContent) > {// cons…

C++11 新特性 ---- final 和 override

一、final C中增加了final关键字&#xff0c;作用如下&#xff1a; ① 限制某个类不能被继承② 或者某个虚函数不能被重写 ① 限制某个类不能被继承 // ① 限制某个类不能被继承,也就是说这个类不能有派生类 class Base{ public:virtual void print() {cout<<"Ba…

电商数据获取:网络爬虫还是付费数据接口?

随着电商行业的迅速发展&#xff0c;对电商数据的需求也越来越大。在获取电商数据时&#xff0c;常常面临一个选择&#xff1a;是自己编写网络爬虫进行数据爬取&#xff0c;还是使用现有的付费数据接口呢&#xff1f;本文将从成本、可靠性、数据质量等多个角度进行分析&#xf…

【css】组合器

组合器是解释选择器之间关系的某种机制。在简单选择器器之间&#xff0c;可以包含一个组合器&#xff0c;从而实现简单选择器难以达到的效果。 CSS 中有四种组合器&#xff1a; 后代选择器 (空格)&#xff1a;匹配属于指定元素后代的所有元素&#xff0c;示例&#xff1a;div …

element-ui表格数据为空,图片占位提示

当表格的绑定数据为空时常需要显示暂无数据等字样&#xff0c;这时候就用到了empty-text <el-table:data"tableData"stripeborderempty-text"暂无数据"> 但&#xff0c;当数据为空&#xff0c;想用图片展示呢&#xff0c;如下图 方法一&#xff1a…

java.lang.UnsupportedClassVersionError TestCase

JavaFramework-JDK6.jar 放到JDK17运行没有问题 JavaFramework源码放到JDK17环境下编译出来的JavaFramework-JDK17.jar JavaFramework-JDK17.jar 放到JDK17运行没有问题 JavaFramework-JDK17.jar 放到JDK8运行没有问题&#xff0c;这个好像不对啊&#xff0c;可能之前编译设置…

day39反转字符串总结

反转字符串原理其实就是交换位置&#xff0c;以中间为分隔点&#xff1b; 基本套路&#xff1a;遍历前一般字符&#xff0c;互换位置&#xff1b; for循环模板 void reverseString(char* s, int sSize){char temp;for (int i 0, j sSize - 1; i < sSize/2; i, j--) {temp…

【无公网IP】本地电脑搭建个人博客网站(并发布公网访问 )和web服务器

【无公网IP】本地电脑搭建个人博客网站&#xff08;并发布公网访问 &#xff09;和web服务器 文章目录 【无公网IP】本地电脑搭建个人博客网站&#xff08;并发布公网访问 &#xff09;和web服务器前言1. 安装套件软件2. 创建网页运行环境 指定网页输出的端口号3. 让WordPress在…