双向rrt算法求解路径规划问题 代码有详细注释，模块化编程
在路径规划领域，双向RRT（Rapidly - exploring Random Trees）算法是一种非常有效的方法。与传统的RRT算法相比，双向RRT通过从起点和终点同时构建搜索树，能够更快地找到可行路径，大大提高了搜索效率。
算法原理
双向RRT算法的核心思想是从起点和终点分别生长随机搜索树。在每次迭代中，随机生成一个点，然后分别在起点树和终点树中找到距离该随机点最近的节点。接着，尝试从这两个最近节点向随机点扩展。如果扩展成功且两棵树之间的距离足够小，就找到了一条路径。
模块化编程实现
节点类定义
class Node: def __init__(self, x, y): # 节点的x坐标 self.x = x # 节点的y坐标 self.y = y # 父节点 self.parent = None这里定义了一个Node类，每个节点包含坐标信息x和y，以及指向父节点的指针parent。通过这种方式，我们可以构建树结构，方便回溯找到路径。
树的构建与扩展
import random def get_nearest_node(tree, point): # 初始化最近距离为一个很大的值 nearest_distance = float('inf') nearest_node = None for node in tree: distance = ((node.x - point[0]) ** 2 + (node.y - point[1]) ** 2) ** 0.5 if distance < nearest_distance: nearest_distance = distance nearest_node = node return nearest_node def extend(tree, nearest_node, point, step_size): direction_x = point[0] - nearest_node.x direction_y = point[1] - nearest_node.y length = (direction_x ** 2 + direction_y ** 2) ** 0.5 if length < step_size: new_node = Node(point[0], point[1]) else: new_x = nearest_node.x + step_size * direction_x / length new_y = nearest_node.y + step_size * direction_y / length new_node = Node(new_x, new_y) new_node.parent = nearest_node tree.append(new_node) return new_nodegetnearestnode函数用于在树中找到距离给定随机点最近的节点。它遍历树中的每个节点，计算与随机点的欧几里得距离，返回距离最近的节点。
extend函数根据最近节点和随机点的方向，按照指定的步长step_size扩展树。如果随机点与最近节点的距离小于步长，直接将随机点作为新节点；否则，沿着方向向量移动步长的距离创建新节点，并将新节点添加到树中。
双向RRT主算法
def bidirectional_rrt(start, goal, obstacle_list, step_size, max_iter): start_tree = [Node(start[0], start[1])] goal_tree = [Node(goal[0], goal[1])] for i in range(max_iter): random_point = (random.uniform(0, 100), random.uniform(0, 100)) # 在起点树中操作 nearest_start_node = get_nearest_node(start_tree, random_point) new_start_node = extend(start_tree, nearest_start_node, random_point, step_size) # 在终点树中操作 nearest_goal_node = get_nearest_node(goal_tree, random_point) new_goal_node = extend(goal_tree, nearest_goal_node, random_point, step_size) # 检查两棵树是否相遇 distance = ((new_start_node.x - new_goal_node.x) ** 2 + (new_start_node.y - new_goal_node.y) ** 2) ** 0.5 if distance < step_size: path = [] current = new_start_node while current: path.append((current.x, current.y)) current = current.parent path.reverse() current = new_goal_node while current: path.append((current.x, current.y)) current = current.parent return path return None在bidirectional_rrt函数中，初始化起点树和终点树，分别包含起点和终点节点。在每次迭代中，随机生成一个点，然后分别在起点树和终点树进行扩展操作。扩展完成后，检查两棵树的新节点是否足够接近，如果是，则找到了路径，通过回溯父节点构建路径并返回；如果达到最大迭代次数仍未找到路径，则返回None。
总结
双向RRT算法通过同时从起点和终点进行搜索，有效地减少了搜索空间，提高了路径规划的效率。通过模块化编程，我们将算法分解为多个易于理解和维护的部分，使得代码更加清晰和可读。在实际应用中，可以根据具体场景对算法参数进行调整，以获得更好的性能。希望这篇文章对大家理解双向RRT算法及其实现有所帮助。
