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碰撞检测 | 图解视线生成Bresenham算法(附ROS C++/Python/Matlab实现)

27 人参与  2024年10月09日 16:40  分类 : 《随便一记》  评论

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目录

0 专栏介绍1 Bresenham算法介绍2 图解Bresenham算法3 算法流程4 仿真实现4.1 ROS C++实现4.2 Python实现4.3 Matlab实现

0 专栏介绍

?课设、毕设、创新竞赛必备!?本专栏涉及更高阶的运动规划算法轨迹优化实战,包括:曲线生成、碰撞检测、安全走廊、优化建模(QP、SQP、NMPC、iLQR等)、轨迹优化(梯度法、曲线法等),每个算法都包含代码实现加深理解

?详情:运动规划实战进阶:轨迹优化篇


1 Bresenham算法介绍

Bresenham视线生成算法是一种高效的算法,用于在二维网格上绘制直线。它是由Jack Bresenham在1962年提出的,广泛应用于计算机图形学和游戏开发中。该算法的主要优点是只使用整数运算,因此速度较快且易于实现。下面是该算法的动图案例

在这里插入图片描述

Bresenham算法可以巧妙地应用在栅格地图中进行一维碰撞检测:首先确定起点和终点,然后使用Bresenham算法绘制从起点到终点的线段,接着检查该路径上每个栅格点是否与障碍物重叠。

2 图解Bresenham算法

Bresenham碰撞测试在三种类型的移动中访问单元格:

x x x方向移动 y y y方向移动对角线移动

在栅格地图中,碰撞检测点连线经过若干离散栅格,因此每次移动都将产生非连续误差,Bresenham算法要求下一个移动偏差最小。通过迭代即可访问检测线经过的所有栅格,判断这些栅格的代价是否超过阈值即可完成碰撞检测。

具体地,设需要检测节点 v v v、 w w w间的连线是否经过障碍物,定义缩放误差分别为 δ x = ∣ w . x − v . x ∣ \delta _x=\left| w.x-v.x \right| δx​=∣w.x−v.x∣、 δ y = ∣ w . y − v . y ∣ \delta _y=\left| w.y-v.y \right| δy​=∣w.y−v.y∣;扩展误差分别为 e x e_x ex​、 e y e_y ey​;方向增量分别为 Δ x = s g n ( w . x − v . x ) \varDelta x=sgn\left( w.x-v.x \right) Δx=sgn(w.x−v.x)、 Δ y = s g n ( w . y − v . y ) \varDelta y=sgn \left( w.y-v.y \right) Δy=sgn(w.y−v.y)。下面考虑 δ x > δ y \delta _x>\delta _y δx​>δy​的情形, δ x ⩽ δ y \delta _x\leqslant \delta _y δx​⩽δy​时可对称导出。

在这里插入图片描述

如图所示,根据三角形相似关系可得

{ e y e x = ∣ Δ y ∣ t t δ y = ∣ Δ x ∣ δ x ⇒ e y e x = ∣ Δ y ∣ ∣ Δ x ∣ ⋅ δ x δ y = δ x δ y \begin{cases} \frac{e_y}{e_x}=\frac{\left| \varDelta y \right|}{t}\\ \frac{t}{\delta _y}=\frac{\left| \varDelta x \right|}{\delta _x}\\\end{cases}\Rightarrow \frac{e_y}{e_x}=\frac{\left| \varDelta y \right|}{\left| \varDelta x \right|}\cdot \frac{\delta _x}{\delta _y}=\frac{\delta _x}{\delta _y} {ex​ey​​=t∣Δy∣​δy​t​=δx​∣Δx∣​​⇒ex​ey​​=∣Δx∣∣Δy∣​⋅δy​δx​​=δy​δx​​

不妨令 e y = δ x e_y=\delta _x ey​=δx​、 e x = δ y e_x=\delta _y ex​=δy​,则沿 x x x方向移动将产生负向偏差 δ y \delta _y δy​,沿 y y y方向移动将产生正向偏差 δ x \delta _x δx​,根据最小化偏差原则选择移动方向

( x , y ) ← { ( x + Δ x , y ) , i f ∣ e + δ x ∣ > ∣ e − δ y ∣ ( x , y + Δ y ) , i f ∣ e + δ x ∣ < ∣ e − δ y ∣ ( x + Δ x , y + Δ y ) , i f ∣ e + δ x ∣ = ∣ e − δ y ∣ \left( x,y \right) \gets \begin{cases} \left( x+\varDelta x,y \right) , \mathrm{if} \left| e+\delta _x \right|>\left| e-\delta _y \right|\\ \left( x,y+\varDelta y \right) , \mathrm{if} \left| e+\delta _x \right|<\left| e-\delta _y \right|\\ \left( x+\varDelta x,y+\varDelta y \right) , \mathrm{if} \left| e+\delta _x \right|=\left| e-\delta _y \right|\\\end{cases} (x,y)←⎩⎪⎨⎪⎧​(x+Δx,y),if∣e+δx​∣>∣e−δy​∣(x,y+Δy),if∣e+δx​∣<∣e−δy​∣(x+Δx,y+Δy),if∣e+δx​∣=∣e−δy​∣​

下图为Bresenham扩展节点的实例

在这里插入图片描述

3 算法流程

算法流程如下所示

在这里插入图片描述

4 仿真实现

4.1 ROS C++实现

核心代码如下所示

template <typename Point, typename F_is_obs>static bool BresenhamCollisionDetection(const Point& pt1, const Point& pt2, F_is_obs func_is_obs){  int s_x = (pt1.x() - pt2.x() == 0) ? 0 : (pt1.x() - pt2.x()) / std::abs(pt1.x() - pt2.x());  int s_y = (pt1.y() - pt2.y() == 0) ? 0 : (pt1.y() - pt2.y()) / std::abs(pt1.y() - pt2.y());  int d_x = std::abs(pt1.x() - pt2.x());  int d_y = std::abs(pt1.y() - pt2.y());  // check if any obstacle exists between pt1 and pt2  if (d_x > d_y)  {    int tau = d_y - d_x;    int x = pt2.x(), y = pt2.y();    int e = 0;    while (x != pt1.x())    {      if (e * 2 > tau)      {        x += s_x;        e -= d_y;      }      else if (e * 2 < tau)      {        y += s_y;        e += d_x;      }      else      {        x += s_x;        y += s_y;        e += d_x - d_y;      }      if (func_is_obs(Point(x, y)))        // obstacle detected        return true;    }  }  else  {    // similar. swap x and y    int tau = d_x - d_y;    int x = pt2.x(), y = pt2.y();    int e = 0;    while (y != pt1.y())    {      if (e * 2 > tau)      {        y += s_y;        e -= d_x;      }      else if (e * 2 < tau)      {        x += s_x;        e += d_y;      }      else      {        x += s_x;        y += s_y;        e += d_y - d_x;      }      if (func_is_obs(Point(x, y)))        // obstacle detected        return true;    }  }  return false;}

4.2 Python实现

核心代码如下所示

def BresenhamCollisionDetection(self, node1: Node, node2: Node) -> bool:if node1.current in self.obstacles or node2.current in self.obstacles:    return Falsex1, y1 = node1.currentx2, y2 = node2.currentif x1 < 0 or x1 >= self.env.x_range or y1 < 0 or y1 >= self.env.y_range:    return Falseif x2 < 0 or x2 >= self.env.x_range or y2 < 0 or y2 >= self.env.y_range:    return Falsed_x = abs(x2 - x1)d_y = abs(y2 - y1)s_x = 0 if (x2 - x1) == 0 else (x2 - x1) / d_xs_y = 0 if (y2 - y1) == 0 else (y2 - y1) / d_yx, y, e = x1, y1, 0# check if any obstacle exists between node1 and node2if d_x > d_y:    tau = (d_y - d_x) / 2    while not x == x2:        if e > tau:            x = x + s_x            e = e - d_y        elif e < tau:            y = y + s_y            e = e + d_x        else:            x = x + s_x            y = y + s_y            e = e + d_x - d_y        if (x, y) in self.obstacles:            return False# swap x and yelse:    tau = (d_x - d_y) / 2    while not y == y2:        if e > tau:            y = y + s_y            e = e - d_x        elif e < tau:            x = x + s_x            e = e + d_y        else:            x = x + s_x            y = y + s_y            e = e + d_y - d_x        if (x, y) in self.obstacles:            return Falsereturn True

4.3 Matlab实现

核心代码如下所示

function flag = BresenhamCollisionDetection(map, node1, node2)% @breif: Judge collision when moving from node1 to node2 using Bresenham.    if (map(node1(1), node1(2)) == 2) || (map(node2(1), node2(2)) == 2)        flag = true;        return    end    x1 = node1(1); y1 = node1(2);    x2 = node2(1); y2 = node2(2);        d_x = abs(x2 - x1);    d_y = abs(y2 - y1);    if  (x2 - x1) == 0        s_x = 0;    else        s_x = (x2 - x1) / d_x;    end    if  (y2 - y1) == 0        s_y = 0;    else        s_y = (y2 - y1) / d_y;    end    x = x1; y = y1; e = 0;        % check if any obstacle exists between node1 and node2    if d_x > d_y        tao = (d_y - d_x) / 2;        while x ~= x2            if e > tao                x = x + s_x;                e = e - d_y;            elseif e < tao                y = y + s_y;                e = e + d_x;            else                x = x + s_x;                y = y + s_y;                e = e + d_x - d_y;            end            if map(x, y) == 2                flag = true;                return;            end        end    % swap x and y    else        tao = (d_x - d_y) / 2;        while y ~= y2            if e > tao                y = y + s_y;                e = e - d_x;            elseif e < tao                x = x + s_x;                e = e + d_y;            else                x = x + s_x;                y = y + s_y;                e = e + d_y - d_x;            end            if map(x, y) == 2                flag = true;                return;            end        end    end    flag = false;end

完整工程代码请联系下方博主名片获取


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