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python中怎么實現A*尋路算法

發布時間:2021-06-12 16:34:54 來源:億速云 閱讀:251 作者:Leah 欄目:開發技術

本篇文章為大家展示了python中怎么實現A*尋路算法,內容簡明扼要并且容易理解,絕對能使你眼前一亮,通過這篇文章的詳細介紹希望你能有所收獲。

A* 算法簡介

A* 算法需要維護兩個數據結構:OPEN 集和 CLOSED 集。OPEN 集包含所有已搜索到的待檢測節點。初始狀態,OPEN集僅包含一個元素:開始節點。CLOSED集包含已檢測的節點。初始狀態,CLOSED集為空。每個節點還包含一個指向父節點的指針,以確定追蹤關系。

A* 算法會給每個搜索到的節點計算一個G+H 的和值F:

  • F = G + H

  • G:是從開始節點到當前節點的移動量。假設開始節點到相鄰節點的移動量為1,該值會隨著離開始點越來越遠而增大。

  • H:是從當前節點到目標節點的移動量估算值。

    • 如果允許向4鄰域的移動,使用曼哈頓距離。

    • 如果允許向8鄰域的移動,使用對角線距離。

算法有一個主循環,重復下面步驟直到到達目標節點:
1 每次從OPEN集中取一個最優節點n(即F值最小的節點)來檢測。
2 將節點n從OPEN集中移除,然后添加到CLOSED集中。
3 如果n是目標節點,那么算法結束。
4 否則嘗試添加節點n的所有鄰節點n'。

  • 鄰節點在CLOSED集中,表示它已被檢測過,則無需再添加。

  • 鄰節點在OPEN集中:

    • 如果重新計算的G值比鄰節點保存的G值更小,則需要更新這個鄰節點的G值和F值,以及父節點;

    • 否則不做操作

  • 否則將該鄰節點加入OPEN集,設置其父節點為n,并設置它的G值和F值。

有一點需要注意,如果開始節點到目標節點實際是不連通的,即無法從開始節點移動到目標節點,那算法在第1步判斷獲取到的節點n為空,就會退出

關鍵代碼介紹

保存基本信息的地圖類

地圖類用于隨機生成一個供尋路算法工作的基礎地圖信息

先創建一個map類, 初始化參數設置地圖的長度和寬度,并設置保存地圖信息的二維數據map的值為0, 值為0表示能移動到該節點。

class Map():
	def __init__(self, width, height):
		self.width = width
		self.height = height
		self.map = [[0 for x in range(self.width)] for y in range(self.height)]

在map類中添加一個創建不能通過節點的函數,節點值為1表示不能移動到該節點。

	def createBlock(self, block_num):
		for i in range(block_num):
			x, y = (randint(0, self.width-1), randint(0, self.height-1))
			self.map[y][x] = 1

在map類中添加一個顯示地圖的函數,可以看到,這邊只是簡單的打印出所有節點的值,值為0或1的意思上面已經說明,在后面顯示尋路算法結果時,會使用到值2,表示一條從開始節點到目標節點的路徑。

	def showMap(self):
		print("+" * (3 * self.width + 2))
		for row in self.map:
			s = '+'
			for entry in row:
				s += ' ' + str(entry) + ' '
			s += '+'
			print(s)
		print("+" * (3 * self.width + 2))

添加一個隨機獲取可移動節點的函數

	def generatePos(self, rangeX, rangeY):
		x, y = (randint(rangeX[0], rangeX[1]), randint(rangeY[0], rangeY[1]))
		while self.map[y][x] == 1:
			x, y = (randint(rangeX[0], rangeX[1]), randint(rangeY[0], rangeY[1]))
		return (x , y)

搜索到的節點類

每一個搜索到將到添加到OPEN集的節點,都會創建一個下面的節點類,保存有entry的位置信息(x,y),計算得到的G值和F值,和該節點的父節點(pre_entry)。

class SearchEntry():
	def __init__(self, x, y, g_cost, f_cost=0, pre_entry=None):
		self.x = x
		self.y = y
		# cost move form start entry to this entry
		self.g_cost = g_cost
		self.f_cost = f_cost
		self.pre_entry = pre_entry
	
	def getPos(self):
		return (self.x, self.y)

算法主函數介紹

下面就是上面算法主循環介紹的代碼實現,OPEN集和CLOSED集的數據結構使用了字典,在一般情況下,查找,添加和刪除節點的時間復雜度為O(1), 遍歷的時間復雜度為O(n), n為字典中對象數目。

def AStarSearch(map, source, dest):
	...
	openlist = {}
	closedlist = {}
	location = SearchEntry(source[0], source[1], 0.0)
	dest = SearchEntry(dest[0], dest[1], 0.0)
	openlist[source] = location
	while True:
		location = getFastPosition(openlist)
		if location is None:
			# not found valid path
			print("can't find valid path")
			break;
		
		if location.x == dest.x and location.y == dest.y:
			break
		
		closedlist[location.getPos()] = location
		openlist.pop(location.getPos())
		addAdjacentPositions(map, location, dest, openlist, closedlist)
	
	#mark the found path at the map
	while location is not None:
		map.map[location.y][location.x] = 2
		location = location.pre_entry

我們按照算法主循環的實現來一個個講解用到的函數。
下面函數就是從OPEN集中獲取一個F值最小的節點,如果OPEN集會空,則返回None。

	# find a least cost position in openlist, return None if openlist is empty
	def getFastPosition(openlist):
		fast = None
		for entry in openlist.values():
			if fast is None:
				fast = entry
			elif fast.f_cost > entry.f_cost:
				fast = entry
		return fast

addAdjacentPositions 函數對應算法主函數循環介紹中的嘗試添加節點n的所有鄰節點n'。

	# add available adjacent positions
	def addAdjacentPositions(map, location, dest, openlist, closedlist):
		poslist = getPositions(map, location)
		for pos in poslist:
			# if position is already in closedlist, do nothing
			if isInList(closedlist, pos) is None:
				findEntry = isInList(openlist, pos)
				h_cost = calHeuristic(pos, dest)
				g_cost = location.g_cost + getMoveCost(location, pos)
				if findEntry is None :
					# if position is not in openlist, add it to openlist
					openlist[pos] = SearchEntry(pos[0], pos[1], g_cost, g_cost+h_cost, location)
				elif findEntry.g_cost > g_cost:
					# if position is in openlist and cost is larger than current one,
					# then update cost and previous position
					findEntry.g_cost = g_cost
					findEntry.f_cost = g_cost + h_cost
					findEntry.pre_entry = location

getPositions 函數獲取到所有能夠移動的節點,這里提供了2種移動的方式:

  • 允許上,下,左,右 4鄰域的移動

  • 允許上,下,左,右,左上,右上,左下,右下 8鄰域的移動

	def getNewPosition(map, locatioin, offset):
		x,y = (location.x + offset[0], location.y + offset[1])
		if x < 0 or x >= map.width or y < 0 or y >= map.height or map.map[y][x] == 1:
			return None
		return (x, y)
		
	def getPositions(map, location):
		# use four ways or eight ways to move
		offsets = [(-1,0), (0, -1), (1, 0), (0, 1)]
		#offsets = [(-1,0), (0, -1), (1, 0), (0, 1), (-1,-1), (1, -1), (-1, 1), (1, 1)]
		poslist = []
		for offset in offsets:
			pos = getNewPosition(map, location, offset)
			if pos is not None:			
				poslist.append(pos)
		return poslist

isInList 函數判斷節點是否在OPEN集 或CLOSED集中

	# check if the position is in list
	def isInList(list, pos):
		if pos in list:
			return list[pos]
		return None

calHeuristic 函數簡單得使用了曼哈頓距離,這個后續可以進行優化。
getMoveCost 函數根據是否是斜向移動來計算消耗(斜向就是2的開根號,約等于1.4)

	# imporve the heuristic distance more precisely in future
	def calHeuristic(pos, dest):
		return abs(dest.x - pos[0]) + abs(dest.y - pos[1])
		
	def getMoveCost(location, pos):
		if location.x != pos[0] and location.y != pos[1]:
			return 1.4
		else:
			return 1

代碼的初始化

可以調整地圖的長度,寬度和不可移動節點的數目。
可以調整開始節點和目標節點的取值范圍。

WIDTH = 10
HEIGHT = 10
BLOCK_NUM = 15
map = Map(WIDTH, HEIGHT)
map.createBlock(BLOCK_NUM)
map.showMap()

source = map.generatePos((0,WIDTH//3),(0,HEIGHT//3))
dest = map.generatePos((WIDTH//2,WIDTH-1),(HEIGHT//2,HEIGHT-1))
print("source:", source)
print("dest:", dest)
AStarSearch(map, source, dest)
map.showMap()

執行的效果圖如下,第一個表示隨機生成的地圖,值為1的節點表示不能移動到該節點。
第二個圖中值為2的節點表示找到的路徑。

python中怎么實現A*尋路算法

完整代碼

使用python3.7編譯

from random import randint

class SearchEntry():
	def __init__(self, x, y, g_cost, f_cost=0, pre_entry=None):
		self.x = x
		self.y = y
		# cost move form start entry to this entry
		self.g_cost = g_cost
		self.f_cost = f_cost
		self.pre_entry = pre_entry
	
	def getPos(self):
		return (self.x, self.y)

class Map():
	def __init__(self, width, height):
		self.width = width
		self.height = height
		self.map = [[0 for x in range(self.width)] for y in range(self.height)]
	
	def createBlock(self, block_num):
		for i in range(block_num):
			x, y = (randint(0, self.width-1), randint(0, self.height-1))
			self.map[y][x] = 1
	
	def generatePos(self, rangeX, rangeY):
		x, y = (randint(rangeX[0], rangeX[1]), randint(rangeY[0], rangeY[1]))
		while self.map[y][x] == 1:
			x, y = (randint(rangeX[0], rangeX[1]), randint(rangeY[0], rangeY[1]))
		return (x , y)

	def showMap(self):
		print("+" * (3 * self.width + 2))

		for row in self.map:
			s = '+'
			for entry in row:
				s += ' ' + str(entry) + ' '
			s += '+'
			print(s)

		print("+" * (3 * self.width + 2))
	

def AStarSearch(map, source, dest):
	def getNewPosition(map, locatioin, offset):
		x,y = (location.x + offset[0], location.y + offset[1])
		if x < 0 or x >= map.width or y < 0 or y >= map.height or map.map[y][x] == 1:
			return None
		return (x, y)
		
	def getPositions(map, location):
		# use four ways or eight ways to move
		offsets = [(-1,0), (0, -1), (1, 0), (0, 1)]
		#offsets = [(-1,0), (0, -1), (1, 0), (0, 1), (-1,-1), (1, -1), (-1, 1), (1, 1)]
		poslist = []
		for offset in offsets:
			pos = getNewPosition(map, location, offset)
			if pos is not None:			
				poslist.append(pos)
		return poslist
	
	# imporve the heuristic distance more precisely in future
	def calHeuristic(pos, dest):
		return abs(dest.x - pos[0]) + abs(dest.y - pos[1])
		
	def getMoveCost(location, pos):
		if location.x != pos[0] and location.y != pos[1]:
			return 1.4
		else:
			return 1

	# check if the position is in list
	def isInList(list, pos):
		if pos in list:
			return list[pos]
		return None
	
	# add available adjacent positions
	def addAdjacentPositions(map, location, dest, openlist, closedlist):
		poslist = getPositions(map, location)
		for pos in poslist:
			# if position is already in closedlist, do nothing
			if isInList(closedlist, pos) is None:
				findEntry = isInList(openlist, pos)
				h_cost = calHeuristic(pos, dest)
				g_cost = location.g_cost + getMoveCost(location, pos)
				if findEntry is None :
					# if position is not in openlist, add it to openlist
					openlist[pos] = SearchEntry(pos[0], pos[1], g_cost, g_cost+h_cost, location)
				elif findEntry.g_cost > g_cost:
					# if position is in openlist and cost is larger than current one,
					# then update cost and previous position
					findEntry.g_cost = g_cost
					findEntry.f_cost = g_cost + h_cost
					findEntry.pre_entry = location
	
	# find a least cost position in openlist, return None if openlist is empty
	def getFastPosition(openlist):
		fast = None
		for entry in openlist.values():
			if fast is None:
				fast = entry
			elif fast.f_cost > entry.f_cost:
				fast = entry
		return fast

	openlist = {}
	closedlist = {}
	location = SearchEntry(source[0], source[1], 0.0)
	dest = SearchEntry(dest[0], dest[1], 0.0)
	openlist[source] = location
	while True:
		location = getFastPosition(openlist)
		if location is None:
			# not found valid path
			print("can't find valid path")
			break;
		
		if location.x == dest.x and location.y == dest.y:
			break
		
		closedlist[location.getPos()] = location
		openlist.pop(location.getPos())
		addAdjacentPositions(map, location, dest, openlist, closedlist)
		
	#mark the found path at the map
	while location is not None:
		map.map[location.y][location.x] = 2
		location = location.pre_entry	

	
WIDTH = 10
HEIGHT = 10
BLOCK_NUM = 15
map = Map(WIDTH, HEIGHT)
map.createBlock(BLOCK_NUM)
map.showMap()

source = map.generatePos((0,WIDTH//3),(0,HEIGHT//3))
dest = map.generatePos((WIDTH//2,WIDTH-1),(HEIGHT//2,HEIGHT-1))
print("source:", source)
print("dest:", dest)
AStarSearch(map, source, dest)
map.showMap()

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