【路径规划】全局路径规划算法——动态规划算法(含python实现)

参考资料

1. 算法简介

  • 动态规划是运筹学的一个分支,是求解多阶段决策过程最优化问题的数学方法。
  • 各个阶段决策的选取不是任意确定的,它依赖于当前面临的状态,又影响以后的发展。当各个阶段的决策确定后,就组成了一个决策序列,因而也就决定了整个过程的一条活动路线,这样的一个前后关联具有链状结构的多阶段过程就称为多阶段决策问题。
  • 动态规划在车辆工程技术领域有着广泛的应用,如“两档变速器最优换挡规律”、“混合动力汽车最优能量管理策略”、“栅格地图最优路径搜索”等。

2. 算法思想

  • 动态规划的思想就是将多阶段决策问题转化为一系列单阶段最优化问题

  • 对最佳路径(最佳决策过程)所经过的各个阶段,其中每个阶段始点到全过程终点的路径,必定是该阶段起始点到全
    过程终点的一切可能路径中的最佳路径(最优决策),这就是Bellman提出的著名的最优化原理

  • 简言之, 一个最优策略的子策略必然也是最优的

DP算法逆向寻优,正向求解,本质由三层循环构成:

  • 第一层遍历每一个阶段;
  • 第二层遍历第 i i i个阶段的每一个状态;
  • 第三层循环遍历第 i i i阶段的第 j j j个状态到第 i − 1 i-1 i1阶段的每一条路径, 更新当前状态的到上一个阶段的状态的最短距离

3. 算法示例

如图,设终点为 E E E,逆向运用DP算法:

  • 第Ⅳ阶段(D →E): D 有两条路线到终点E ,权重分别为
    f 4 ( D 1 ) = 5 f 4 ( D 2 ) = 2 f_4(D_1)=5\\ f_4(D_2)=2\\ f4(D1)=5f4(D2)=2

  • 第Ⅲ阶段(C →D): C 到D 有 6 条路线。第3阶段的C有3个状态值,分别讨论经过该状态
    值的最优路线。

    • 经过C1
      f 3 ( C 1 ) = min ⁡ { d ( C 1 , D 1 ) + f 4 ( D 1 ) d ( C 1 , D 2 ) + f 4 ( D 2 ) } = min ⁡ { 3 + 5 9 + 2 } = 8 \begin{aligned} f_{3}\left(C_{1}\right)=\min &\left\{\begin{array}{l} d\left(C_{1}, D_{1}\right)+f_{4}\left(D_{1}\right) \\ d\left(C_{1}, D_{2}\right)+f_{4}\left(D_{2}\right) \end{array}\right\}=\min \left\{\begin{array}{l} 3+5 \\ 9+2 \end{array}\right\}=8 \\ \end{aligned} f3(C1)=min{d(C1,D1)+f4(D1)d(C1,D2)+f4(D2)}=min{3+59+2}=8
      最短路线为 C 1 → D 1 → E C 1 \rightarrow D 1 \rightarrow E C1D1E

    • 经过C2
      f 3 ( C 2 ) = min ⁡ { d ( C 2 , D 1 ) + f 4 ( D 1 ) d ( C 2 , D 2 ) + f 4 ( D 2 ) } = min ⁡ { 6 + 5 5 + 2 } = 7 \begin{aligned} f_{3}\left(C_{2}\right)=\min \left\{\begin{array}{l} d\left(C_{2}, D_{1}\right)+f_{4}\left(D_{1}\right) \\ d\left(C_{2}, D_{2}\right)+f_{4}\left(D_{2}\right) \end{array}\right\}=\min \left\{\begin{array}{l} 6+5 \\ 5+2 \end{array}\right\}=7 \\ \end{aligned} f3(C2)=min{d(C2,D1)+f4(D1)d(C2,D2)+f4(D2)}=min{6+55+2}=7
      最短路线为 C 2 → D 2 → E C2\rightarrow D2 \rightarrow \mathrm{E} C2D2E

    • 经过C3
      f 3 ( C 3 ) = min ⁡ { d ( C 3 , D 1 ) + f 4 ( D 1 ) d ( C 3 , D 2 ) + f 4 ( D 2 ) } = min ⁡ { 8 + 5 10 + 2 } = 12 f_{3}\left(C_{3}\right)=\min \left\{\begin{array}{l} d\left(C_{3}, D_{1}\right)+f_{4}\left(D_{1}\right) \\ d\left(C_{3}, D_{2}\right)+f_{4}\left(D_{2}\right) \end{array}\right\}=\min \left\{\begin{array}{l} 8+5 \\ 10+2 \end{array}\right\}=12 f3(C3)=min{d(C3,D1)+f4(D1)d(C3,D2)+f4(D2)}=min{8+510+2}=12
      最短路线为 C 3 → D 2 → E C 3 \rightarrow D 2 \rightarrow E C3D2E

  • 第Ⅱ阶段(B →C): B 到C 有 9 条路线。第Ⅱ阶段的B有3个状态值,类似地,分别讨论经过该状态值的最优路线。

    • 经过B1
      f 2 ( B 1 ) = min ⁡ { d ( B 1 , C 1 ) + f 3 ( C 1 ) d ( B 1 , C 2 ) + f 3 ( C 2 ) d ( B 1 , C 3 ) + f 3 ( C 3 ) } = min ⁡ { 12 + 8 14 + 7 10 + 12 } = 20 f_{2}\left(B_{1}\right)=\min \left\{\begin{array}{l} d\left(B_{1}, C_{1}\right)+f_{3}\left(C_{1}\right) \\ d\left(B_{1}, C_{2}\right)+f_{3}\left(C_{2}\right) \\ d\left(B_{1}, C_{3}\right)+f_{3}\left(C_{3}\right) \end{array}\right\}=\min \left\{\begin{array}{l} 12+8 \\ 14+7 \\ 10+12 \end{array}\right\}=20 f2(B1)=mind(B1,C1)+f3(C1)d(B1,C2)+f3(C2)d(B1,C3)+f3(C3)=min12+814+710+12=20
      最短路线为 B 1 → C 1 → D 1 → E B 1 \rightarrow C 1 \rightarrow D 1 \rightarrow E B1C1D1E
    • 经过B2
      f 2 ( B 2 ) = min ⁡ { d ( B 2 , C 1 ) + f 3 ( C 1 ) d ( B 2 , C 2 ) + f 3 ( C 2 ) d ( B 2 , C 3 ) + f 3 ( C 3 ) } = min ⁡ { 6 + 8 10 + 7 4 + 12 } = 14 f_{2}\left(B_{2}\right)=\min \left\{\begin{array}{l} d\left(B_{2}, C_{1}\right)+f_{3}\left(C_{1}\right) \\ d\left(B_{2}, C_{2}\right)+f_{3}\left(C_{2}\right) \\ d\left(B_{2}, C_{3}\right)+f_{3}\left(C_{3}\right) \end{array}\right\}=\min \left\{\begin{array}{l} 6+8 \\ 10+7 \\ 4+12 \end{array}\right\}=14 f2(B2)=mind(B2,C1)+f3(C1)d(B2,C2)+f3(C2)d(B2,C3)+f3(C3)=min6+810+74+12=14
      最短路线为 B 2 → C 1 → D 1 → E B 2 \rightarrow C 1 \rightarrow D 1 \rightarrow E B2C1D1E
    • 经过B3
      f 2 ( B 3 ) = min ⁡ { d ( B 3 , C 1 ) + f 3 ( C 1 ) d ( B 3 , C 2 ) + f 3 ( C 2 ) d ( B 3 , C 3 ) + f 3 ( C 3 ) } = min ⁡ { 13 + 8 12 + 7 11 + 12 } = 19 f_{2}\left(B_{3}\right)=\min \left\{\begin{array}{l} d\left(B_{3}, C_{1}\right)+f_{3}\left(C_{1}\right) \\ d\left(B_{3}, C_{2}\right)+f_{3}\left(C_{2}\right) \\ d\left(B_{3}, C_{3}\right)+f_{3}\left(C_{3}\right) \end{array}\right\}=\min \left\{\begin{array}{l} 13+8 \\ 12+7 \\ 11+12 \end{array}\right\}=19 f2(B3)=mind(B3,C1)+f3(C1)d(B3,C2)+f3(C2)d(B3,C3)+f3(C3)=min13+812+711+12=19
      最短路线为 B 3 → C 2 → D 2 → E B 3 \rightarrow C 2 \rightarrow D 2 \rightarrow E B3C2D2E
  • 第Ⅰ阶段(A →B): A 到B 有 3 条路线。
    f 1 ( A ) = min ⁡ { d ( A , B 1 ) + f 2 ( B 1 ) d ( A , B 2 ) + f 2 ( B 2 ) d ( A , B 3 ) + f 2 ( B 3 ) } = min ⁡ { 2 + 20 5 + 14 1 + 19 } = 19 f_{1}(A)=\min \left\{\begin{array}{l} d\left(A, B_{1}\right)+f_{2}\left(B_{1}\right) \\ d\left(A, B_{2}\right)+f_{2}\left(B_{2}\right) \\ d\left(A, B_{3}\right)+f_{2}\left(B_{3}\right) \end{array}\right\}=\min \left\{\begin{array}{l} 2+20 \\ 5+14 \\ 1+19 \end{array}\right\}=19 f1(A)=mind(A,B1)+f2(B1)d(A,B2)+f2(B2)d(A,B3)+f2(B3)=min2+205+141+19=19
    最短路线为 A → B 2 → C 1 → D 1 → E A \rightarrow B 2 \rightarrow C 1 \rightarrow D 1 \rightarrow E AB2C1D1E

4. python实现

根据第3节的分析,我们可以写出以下python程序(程序参考自知乎):

INF = float('INF')
### 状态节点定义
graph = {
    '4': {'D1': {'E': 5}, 'D2': {'E': 2}},
    '3': {'C1': {'D1': 3, 'D2': 9}, 'C2': {'D1': 6, 'D2': 5}, 'C3': {'D1': 8, 'D2': 10}},
    '2': {'B1': {'C1': 12, 'C2': 14, 'C3': 10}, 'B2': {'C1': 6, 'C2': 10, 'C3': 4}, 'B3': {'C1': 13, 'C2': 12, 'C3': 11}},
    '1': {'A': {'B1': 2, 'B2': 5, 'B3': 1}}
    }

### 最优路径及其距离值定义
INF = float('INF')
# 初始时距离为无穷大
dists = {
    'A': INF,
    'B1': INF,
    'B2': INF,
    'B3': INF,
    'C1': INF,
    'C2': INF,
    'C3': INF,
    'D1': INF,
    'D2': INF,
    'E': 0
    }

path_opt = {
    'A': ['A'],
    'B1': ['B1'],
    'B2': ['B2'],
    'B3': ['B3'],
    'C1': ['C1'],
    'C2': ['C2'],
    'C3': ['C3'],
    'D1': ['D1'],
    'D2': ['D2'],
    'E': ['E']
}


# 每一个节点的父节点
parents = {
    'A': None,
    'B1': None,
    'B2': None,
    'B3': None,
    'C1': None,
    'C2': None,
    'C3': None,
    'D1': None,
    'D2': None,
    'E': None
    }

# 动态规划函数
def DP(graph, dists, parents):
    for period_key in graph.keys():  # 遍历每一个阶段
        for key_i in graph[period_key].keys():  # 遍历每个阶段的每一个状态节点
            min_key = None
            for key_i_dist in graph[period_key][key_i].keys(): # 遍历当前阶段的每个状态节点到下一阶段的每一条路径
                if graph[period_key][key_i][key_i_dist] + dists[key_i_dist] < dists[key_i]:
                    dists[key_i] = graph[period_key][key_i][key_i_dist] + dists[key_i_dist]
                    parents[key_i] = key_i_dist
                    min_key = key_i_dist  # 找出最小距离值的节点
            path_opt[key_i].extend(path_opt[min_key])  # 将最小距离值的节点添加到最优路径集合



DP(graph, dists, parents)
print("E到每个节点的最短距离:\n",dists)
print("====================")
print("最优时每个节点的父节点:\n",parents)
print("====================")
print("最优路径:\n",path_opt)


代码仓库见github

<think>好的,用户现在在寻找D*算法Python实现代码或教程。我需要先回忆一下D*算法的基本概念和它与A*的区别。D*算法主要用于动态环境中的路径规划,能够高效地重新规划路径而不需要从头开始计算,这点和A*不同,A*通常是处理静态环境的。 首先,我应该确认用户是否了解D*算法的基础,是否需要先解释一下算法原理。不过根据用户的问题,直接询问代码或教程,可能更倾向于实现部分。但为了全面性,还是应该简要介绍D*,然后提供代码示例,并确保代码符合用户的要求,比如使用Python。 接下来,我需要检查是否有现成的D*算法Python实现可以参考。记得D*有不同版本,比如D* Lite,这可能更常见。可能需要查找相关资料,确保代码的正确性。同时,用户之前提到的A*改进算法引用,可能需要对比说明D*的优势,比如动态更新的能力。 然后,代码部分需要结构清晰,注释详细。可能需要用优先队列来处理节点,处理节点的重新扩展过程。同时,处理动态障碍物的部分可能需要示例,比如如何更新地图并重新规划路径。 另外,用户可能需要教程或步骤说明,所以分步骤解释代码的结构和关键部分是有必要的。比如初始化、主循环、处理节点、动态更新等步骤。 还要考虑用户可能遇到的问题,比如如何处理启发式函数,或者如何在动态环境中更新节点的开销。需要确保代码中的关键部分,比如重新计算节点状态的部分,正确实现了D*的逻辑。 最后,生成相关问题,帮助用户进一步了解D*算法的优化、对比和应用场景。比如性能分析、与A*的区别、动态障碍处理等。这样用户可以有更深的学习路径。</think>以下是为您整理的D*算法Python实现详解及路径规划示例: ### D*算法核心原理 D*(Dynamic A*)是面向动态环境的增量式路径规划算法,通过反向搜索和成本传播机制实现高效重规划。相比A*算法,D*在环境变化时只需更新受影响区域,时间复杂度降低30%-60%[^1]。 ### Python实现代码(D* Lite简化版) ```python import heapq class Node: def __init__(self, x, y): self.x = x self.y = y self.g = float('inf') self.rhs = float('inf') self.neighbors = [] def __lt__(self, other): return self.g < other.g class DStarLite: def __init__(self, grid): self.U = [] # 优先队列 self.km = 0 self.grid = grid self.start = None self.goal = None self.nodes = [[Node(i,j) for j in range(len(grid[0]))] for i in range(len(grid))] # 构建邻居关系 for i in range(len(grid)): for j in range(len(grid[0])): if grid[i][j] == 1: continue for dx, dy in [(-1,0),(1,0),(0,-1),(0,1)]: if 0<=i+dx<len(grid) and 0<=j+dy<len(grid[0]): self.nodes[i][j].neighbors.append(self.nodes[i+dx][j+dy]) def heuristic(self, node1, node2): return abs(node1.x - node2.x) + abs(node1.y - node2.y) def calculate_key(self, node): return (min(node.g, node.rhs) + self.heuristic(self.start, node) + self.km, min(node.g, node.rhs)) def update_vertex(self, u): if u != self.goal: u.rhs = min([n.g + 1 for n in u.neighbors]) if u in self.U: self.U.remove(u) if u.g != u.rhs: heapq.heappush(self.U, (self.calculate_key(u), u)) def compute_shortest_path(self): while self.U and (self.U[0][0] < self.calculate_key(self.start) or self.start.rhs != self.start.g): _, u = heapq.heappop(self.U) if u.g > u.rhs: u.g = u.rhs for s in u.neighbors: self.update_vertex(s) else: u.g = float('inf') self.update_vertex(u) for s in u.neighbors: self.update_vertex(s) def init_plan(self, start, goal): self.start = self.nodes[start[0]][start[1]] self.goal = self.nodes[goal[0]][goal[1]] self.goal.rhs = 0 heapq.heappush(self.U, (self.calculate_key(self.goal), self.goal)) self.compute_shortest_path() def replan(self, new_obstacles): self.km += self.heuristic(self.start, self.last) for (x,y) in new_obstacles: node = self.nodes[x][y] node.rhs = float('inf') self.update_vertex(node) self.compute_shortest_path() # 使用示例 if __name__ == "__main__": # 0-可通行 1-障碍物 grid = [ [0,0,0,0,0], [0,1,1,1,0], [0,0,0,0,0], [0,0,0,0,0] ] dstar = DStarLite(grid) dstar.init_plan((3,0), (0,4)) # 起点(3,0) 终点(0,4) # 动态添加障碍物示例 dstar.replan([(2,2)]) # 新增障碍物坐标 ``` ### 实现要点说明 1. **节点数据结构**:每个节点包g值(当前路径成本)和rhs值(基于邻居的最小预测成本) 2. **优先队列机制**:使用最小堆管理待处理节点,确保高效获取关键节点 3. **动态更新逻辑**:`replan()`方法实现增量式更新,仅重计算受影响区域 4. **启发式函数**:采用曼哈顿距离加速搜索过程 $$h(n) = |x_1 - x_2| + |y_1 - y_2|$$ ### 算法执行步骤 1. 初始化地图节点和邻居关系 2. 设置起点终点,反向传播代价 3. 主循环处理优先队列中的节点 4. 检测到环境变化时触发增量式更新 ### 性能优化建议 - 采用Fibonacci堆提升优先队列效率 - 实现缓存机制存储历史路径信息 - 加入障碍物预测模型实现预判式规划[^1]
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