用c++写一个扫地机适用的DWA算法

DWA算法（Dynamic Window Approach）是一种基于动态窗口的移动机器人路径规划算法，适用于扫地机器人等移动机器人的路径规划问题。下面是一个用C++实现的基本的DWA算法示例：

#include <iostream>
#include <math.h>
#include <vector>

using namespace std;

//定义机器人状态
struct RobotState
{
    double x; //机器人x位置
    double y; //机器人y位置
    double v; //机器人速度
    double w; //机器人角速度
};

//定义机器人控制指令
struct RobotControl
{
    double v; //机器人线速度
    double w; //机器人角速度
};

//定义机器人运动模型
class RobotModel
{
public:
    RobotModel(double max_v, double max_w, double dt) : max_v_(max_v), max_w_(max_w), dt_(dt) {}

    //根据机器人状态和控制指令，计算机器人下一步状态
    RobotState motion(RobotState state, RobotControl control)
    {
        state.x += control.v * cos(state.w) * dt_;
        state.y += control.v * sin(state.w) * dt_;
        state.v = control.v;
        state.w = control.w;

        return state;
    }

    //获取机器人最大速度
    double getMaxV() const
    {
        return max_v_;
    }

    //获取机器人最大角速度
    double getMaxW() const
    {
        return max_w_;
    }

    //获取时间间隔
    double getDt() const
    {
        return dt_;
    }

private:
    double max_v_; //机器人最大速度
    double max_w_; //机器人最大角速度
    double dt_;    //时间间隔
};

//定义DWA算法类
class DWA
{
public:
    DWA(RobotModel robot_model, double max_v, double max_w, double max_accel_v, double max_accel_w, double dt, double predict_time, double goal_dis) : robot_model_(robot_model), max_v_(max_v), max_w_(max_w), max_accel_v_(max_accel_v), max_accel_w_(max_accel_w), dt_(dt), predict_time_(predict_time), goal_dis_(goal_dis)
    {
        //初始化控制指令集合
        for (double v = -max_v_; v <= max_v_; v += max_accel_v_ * dt_)
        {
            for (double w = -max_w_; w <= max_w_; w += max_accel_w_ * dt_)
            {
                controls_.push_back({v, w});
            }
        }
    }

    //根据机器人当前状态、目标点和障碍物信息，计算机器人的下一步控制指令
    RobotControl planning(RobotState state, RobotState goal, vector<RobotState> obstacles)
    {
        //初始化最优控制指令和最小代价
        RobotControl best_control = {0.0, 0.0};
        double min_cost = 1e9;

        //遍历控制指令集合
        for (auto control : controls_)
        {
            //计算机器人的下一步状态
            RobotState next_state = robot_model_.motion(state, control);

            //计算代价函数
            double cost = calc_cost(next_state, goal, obstacles);

            //更新最优控制指令和最小代价
            if (cost < min_cost)
            {
                min_cost = cost;
                best_control = control;
            }
        }

        return best_control;
    }

private:
    //计算代价函数
    double calc_cost(RobotState state, RobotState goal, vector<RobotState> obstacles)
    {
        //计算目标距离代价
        double goal_cost = sqrt(pow((state.x - goal.x), 2) + pow((state.y - goal.y), 2)) / goal_dis_;

        //计算障碍物代价
        double obstacle_cost = 0;
        for (auto obstacle : obstacles)
        {
            double distance = sqrt(pow((state.x - obstacle.x), 2) + pow((state.y - obstacle.y), 2));
            if (distance < 2)
            {
                obstacle_cost += 1.0 / distance;
            }
        }

        //返回总代价
        return goal_cost + obstacle_cost;
    }

    RobotModel robot_model_;                //机器人运动模型
    double max_v_;                          //机器人最大速度
    double max_w_;                          //机器人最大角速度
    double max_accel_v_;                    //机器人最大加速度
    double max_accel_w_;                    //机器人最大角加速度
    double dt_;                             //时间间隔
    double predict_time_;                   //预测时间
    double goal_dis_;                       //目标距离
    vector<RobotControl> controls_;         //控制指令集合
};

int main()
{
    //初始化机器人状态和目标点
    RobotState robot_state = {0.0, 0.0, 0.0, 0.0};
    RobotState goal = {5.0, 5.0, 0.0, 0.0};

    //初始化障碍物
    vector<RobotState> obstacles = {{2.0, 2.0, 0.0, 0.0}, {3.0, 3.0, 0.0, 0.0}, {4.0, 4.0, 0.0, 0.0}};

    //初始化机器人运动模型
    RobotModel robot_model(1.0, M_PI / 2, 0.1);

    //初始化DWA算法
    DWA dwa(robot_model, 1.0, M_PI / 2, 0.1, M_PI / 4, 0.1, 1.0, 0.5);

    //循环执行DWA算法
    while (true)
    {
        //计算控制指令
        RobotControl control = dwa.planning(robot_state, goal, obstacles);

        //更新机器人状态
        robot_state = robot_model.motion(robot_state, control);

        //打印机器人状态
        cout << "Robot State: (" << robot_state.x << ", " << robot_state.y << ", " << robot_state.v << ", " << robot_state.w << ")" << endl;

        //判断是否到达目标点
        if (sqrt(pow((robot_state.x - goal.x), 2) + pow((robot_state.y - goal.y), 2)) < 0.1)
        {
            cout << "Robot Arrive Goal!" << endl;
            break;
        }
    }

    return 0;
}

上述代码实现了一个简单的DWA算法，其中机器人状态包括位置和速度，机器人控制指令包括线速度和角速度，机器人运动模型假设机器人是一个理想的点，机器人的加速度和角加速度都是固定的，机器人的运动模型是简单的前进运动。在DWA算法中，我们根据机器人当前状态、目标点和障碍物信息计算机器人的下一步控制指令。具体地，我们首先初始化一个控制指令集合，然后遍历集合中的每一个控制指令，计算机器人的下一步状态和代价函数值，最后选择代价函数最小的控制指令作为机器人的下一步控制指令。在代价函数中，我们考虑了目标距离代价和障碍物代价，其中障碍物代价是指机器人与障碍物的距离，当距离越小时，代价越大。最后，我们循环执行DWA算法，直到机器人到达目标点。