matlab中三维A*算法

时间: 2023-12-04 09:00:45 浏览: 131
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A*算法Matlab实例实现

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A*算法是一种在图形搜索和路径规划中广泛应用的启发式搜索算法。它可以用于三维路径规划,但是需要对算法进行适当的修改。 在三维A*算法中,需要将搜索空间从平面扩展到立体空间。这可以通过将每个节点表示为三元组(x,y,z),其中x、y、z分别表示节点在三个轴上的坐标来实现。 在实现A*算法时,需要确定合适的启发式函数来估计从当前节点到目标节点的距离。在三维空间中,可以使用欧几里得距离或曼哈顿距离等距离函数作为启发式函数。 另外,还需要考虑如何表示障碍物。一种常见的方法是将三维空间划分为立方体网格,并将每个网格标记为障碍或非障碍。在搜索过程中,需要避开障碍物。 以下是一个简单的三维A*算法的示例代码: ``` function [path, cost] = astar3d(map, start, goal) % Three-dimensional A* algorithm % map: 3D occupancy grid (1: free, 0: occupied) % start: starting position (3D coordinate) % goal: goal position (3D coordinate) % Define heuristic function (Euclidean distance) heuristic = @(pos) norm(pos - goal); % Initialize open and closed lists open = PriorityQueue(); closed = containers.Map(); % Add starting node to open list g_score = 0; f_score = g_score + heuristic(start); open.insert(start, f_score); % Loop until goal is found or open list is empty while ~open.isempty() % Get node with lowest f-score from open list [current_pos, f_score] = open.pop(); % Check if current node is goal if isequal(current_pos, goal) % Reconstruct path and return path = reconstruct_path(closed, start, goal); cost = g_score; return; end % Add current node to closed list closed(num2str(current_pos)) = g_score; % Expand neighbors neighbors = get_neighbors(map, current_pos); for i = 1:size(neighbors, 1) neighbor_pos = neighbors(i, :); % Calculate tentative g-score for neighbor tentative_g_score = g_score + norm(current_pos - neighbor_pos); % Check if neighbor is already in closed list if isKey(closed, num2str(neighbor_pos)) % Skip neighbor if it has already been evaluated continue; end % Check if neighbor is in open list if open.ismember(neighbor_pos) % Check if tentative g-score is better than previous g-score if tentative_g_score < closed(num2str(neighbor_pos)) % Update neighbor's g-score and f-score closed(num2str(neighbor_pos)) = tentative_g_score; f_score = tentative_g_score + heuristic(neighbor_pos); open.update(neighbor_pos, f_score); end else % Add neighbor to open list closed(num2str(neighbor_pos)) = tentative_g_score; f_score = tentative_g_score + heuristic(neighbor_pos); open.insert(neighbor_pos, f_score); end end % Update g-score g_score = closed(num2str(current_pos)); end % No path found path = []; cost = inf; end function neighbors = get_neighbors(map, pos) % Get neighboring nodes that are free and within map bounds [x, y, z] = ind2sub(size(map), find(map)); neighbors = [x, y, z]; neighbors = neighbors(~ismember(neighbors, pos, 'rows'), :); distances = pdist2(pos, neighbors); neighbors(distances > sqrt(3)) = NaN; % limit to 1-neighborhood neighbors(any(isnan(neighbors), 2), :) = []; neighbors = neighbors(map(sub2ind(size(map), neighbors(:,1), neighbors(:,2), neighbors(:,3))) == 1, :); end function path = reconstruct_path(closed, start, goal) % Reconstruct path from closed list path = [goal]; while ~isequal(path(1,:), start) pos = path(1,:); for dx = -1:1 for dy = -1:1 for dz = -1:1 neighbor_pos = pos + [dx, dy, dz]; if isKey(closed, num2str(neighbor_pos)) && closed(num2str(neighbor_pos)) < closed(num2str(pos)) pos = neighbor_pos; end end end end path = [pos; path]; end end classdef PriorityQueue < handle % Priority queue implemented as binary heap properties (Access = private) heap; count; end methods function obj = PriorityQueue() obj.heap = {}; obj.count = 0; end function insert(obj, item, priority) % Add item with given priority to queue obj.count = obj.count + 1; obj.heap{obj.count} = {item, priority}; obj.sift_up(obj.count); end function [item, priority] = pop(obj) % Remove and return item with lowest priority from queue item = obj.heap{1}{1}; priority = obj.heap{1}{2}; obj.heap{1} = obj.heap{obj.count}; obj.count = obj.count - 1; obj.sift_down(1); end function update(obj, item, priority) % Update priority of given item in queue for i = 1:obj.count if isequal(obj.heap{i}{1}, item) obj.heap{i}{2} = priority; obj.sift_up(i); break; end end end function tf = isempty(obj) % Check if queue is empty tf = obj.count == 0; end function tf = ismember(obj, item) % Check if item is in queue tf = false; for i = 1:obj.count if isequal(obj.heap{i}{1}, item) tf = true; break; end end end end methods (Access = private) function sift_up(obj, index) % Move item up in heap until it satisfies heap property while index > 1 parent_index = floor(index / 2); if obj.heap{index}{2} < obj.heap{parent_index}{2} temp = obj.heap{index}; obj.heap{index} = obj.heap{parent_index}; obj.heap{parent_index} = temp; index = parent_index; else break; end end end function sift_down(obj, index) % Move item down in heap until it satisfies heap property while index * 2 <= obj.count child_index = index * 2; if child_index + 1 <= obj.count && obj.heap{child_index + 1}{2} < obj.heap{child_index}{2} child_index = child_index + 1; end if obj.heap{child_index}{2} < obj.heap{index}{2} temp = obj.heap{index}; obj.heap{index} = obj.heap{child_index}; obj.heap{child_index} = temp; index = child_index; else break; end end end end end ``` 该实现使用了一个基于二叉堆的优先队列来管理开放列表,并使用容器映射来管理关闭列表。搜索空间被划分为立方体网格,并使用三元组(x,y,z)表示每个节点的位置。启发式函数使用欧几里得距离,障碍物被标记为0,空闲区域被标记为1。在搜索过程中,只扩展空闲节点,并且避开障碍物。 请注意,该实现并不是最优的实现,因为它没有使用任何优化技巧,如跳跃点或平滑路径。但是,它可以作为三维A*算法的一个简单示例来帮助您开始。
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