python 实现A星算法

python A星算法

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(程序在cmd中打印所以有点闪屏!!!)

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# -*- coding: utf-8 -*-
# @Date    : 2019-12-23 20:53:33
# @Author  : Flying Hu (1152598046@qq.com)
# @Link    : http://www.flyinghu.cn
# @name    : A星算法实现
# @Version : 0.1


import os
import math
from random import randint
import time


# 定义全局变量
gz_char = '█'  # 定义默认格子字符
fruit_char = '★'  # 定义果实显示字符
self_char = '●'  # 定义自身显示字符
wall_char = '◆'  # 定义墙壁显示字符

# 全程使用上往下方向为x正方向  (二维列表行索引增加方向)
# 全程使用左往右方向为y正方向  (二维列表列索引增加方向)


class Map2D(object):
    '''2D地图类'''

    def __init__(self, width=20, height=20):
        '''初始化
        Args:
            width   地图宽
            height   地图高
        '''
        self.width = width
        self.height = height
        self.char = gz_char  # 地图默认字符
        # 生成地图
        self.map = [[self.char for col in range(
            self.width)] for row in range(self.height)]
        # 生成地图周围墙
        self.wall = [[i, j] for j in [-1, self.width] for i in range(self.height)] + [
            [j, i] for j in [-1, self.height] for i in range(-1, self.width + 1)]

    def __getitem__(self, item):
        '''以键方式取值'''
        return self.map[item]

    def __setitem__(self, key, value):
        '''以键方式存值'''
        self.map[key] = value

    def show(self):
        '''在控制台打印当前地图'''
        for row in self.map:
            for c in row:
                # 使用控制台颜色控制, 区分
                if c == self_char:
                    print('\033[1;35;44m' + c + '\033[0m', end='')
                elif c == wall_char:
                    print('\033[0;36;41m' + c + '\033[0m', end='')
                elif c == fruit_char:
                    print('\033[1;33;40m' + c + '\033[0m', end='')
                else:
                    print('\033[0;37;41m' + c + '\033[0m', end='')
            print()
        # 重置地图, 重置后就不会留下运动轨迹
        # self.reload()

    def reload(self):
        '''重置地图'''
        self.map = [[self.char for col in range(
            self.width)] for row in range(self.height)]


class AStar(object):
    '''实现A星算法'''

    class Node(object):
        '''节点类'''

        def __init__(self, x, y, parent_node=None):
            self.x = x
            self.y = y
            self.parent = parent_node  # 父节点
            # F = G + H
            # G = 从起点 A 移动到指定方格的移动代价
            # H = 从指定的方格移动到终点 B 的估算成本。试探法。 这里使用 Manhattan 方法估算H
            self.G = 0
            self.H = 0

    def __init__(self, map2D):
        '''初始化'''
        self.map = map2D

    def MinF(self):
        '''从open_list中取出F最小的节点
        Returns:
            minF    返回open_list中F值最小的节点
        '''
        # 先假设第一个为最小, 然后循环挑选出F最小的节点
        minF = self.open_list[0]
        for node in self.open_list:
            if (node.G + node.H) <= (minF.G + minF.H):
                minF = node
        return minF

    def in_close_list(self, x, y):
        '''判断坐标是否在close_list中
        Args:
            x   x坐标
            y   y坐标
        Return:
            node    如果坐标在close_list中, 返回该节点, 反之返回False
        '''
        for node in self.close_list:
            if node.x == x and node.y == y:
                return node
        return False

    def in_open_list(self, x, y):
        '''判断坐标是否在open_list中
        Args:
            x   x坐标
            y   y坐标
        Return:
            node    如果坐标在open_list中, 返回该节点, 反之返回False
        '''
        for node in self.close_list:
            if node.x == x and node.y == y:
                return node
        return False

    def search(self, node):
        '''搜索周围路径
        Args:
            node 搜索节点
        '''
        # 判断改节点是否为障碍物(障碍物或者墙壁)
        if [node.x, node.y] in self.obstacles:
            # 如果为障碍物则忽略该路径
            return
        # 判断是否在close_list中
        if self.in_close_list(node.x, node.y):
            # 如果已经在close_list中则忽略该节点
            return
        # 计算G和H
        node.G = node.parent.G + 10
        node.H = abs(self.target_node.x - node.x) + \
            abs(self.target_node.y - node.y) * 10
        # 判断是否在open_list中
        tmp = self.in_close_list(node.x, node.y)
        if tmp:
            # 在open_list中
            # 比较当前F和open_list中F
            if (node.G + node.H) < (tmp.G + tmp.H):
                # 如果判断该路径F值是否比open_list中存在的相同坐标的F值更小
                tmp = node
        else:
            # 不在open_list中, 向open_list中添加
            self.open_list.append(node)

    def start(self, current_position, target_positiion, obstacles):
        '''计算A星最优路径
        Args:
            current_position    当前位置坐标
            target_positiion    目标位置坐标
            obstacles           障碍物坐标列表
        Returns:
            path_list           如果存在最优路径返回A星最优路径, 反正返回None
        '''
        # 目标节点
        self.target_node = AStar.Node(*target_positiion)
        # 当前节点
        self.current_node = AStar.Node(*current_position)
        # 开启表, 添加当前节点到open_list中
        self.open_list = [self.current_node]
        # 关闭表
        self.close_list = []
        # 障碍物坐标集  (真实障碍物 + 墙壁)
        self.obstacles = obstacles + self.map.wall
        # 开启A星计算循环
        while True:
            # 判断是否到达终点, 判断目标节点坐标是否在close_list中
            tmp = self.in_close_list(self.target_node.x, self.target_node.y)
            if tmp:
                # 返回路线
                path_list = [[tmp.x, tmp.y]]
                # 逆推路线
                while tmp.parent:
                    tmp = tmp.parent
                    path_list.append([tmp.x, tmp.y])
                # 反转列表
                path_list.reverse()
                return path_list
            if not self.open_list:
                # 如果open_list为空, 表示无路可走
                return None
            # 从open_list中选出F最小路径节点
            minF = self.MinF()
            # 将当前选出节点添加到close_list中, 并从open_list中移除
            self.close_list.append(minF)
            self.open_list.remove(minF)
            # 搜索路径并将当前节点作为父节点  根据固定顺序搜索  (固定就行, 顺序任意)
            self.search(AStar.Node(minF.x - 1, minF.y, minF))
            self.search(AStar.Node(minF.x, minF.y - 1, minF))
            self.search(AStar.Node(minF.x + 1, minF.y, minF))
            self.search(AStar.Node(minF.x, minF.y + 1, minF))
            # 存在计算时长比较久的清空, 打印提示信息
            print('\r叼毛, 正在规划路径...', end='')

    def sub_start(self, current_position, target_positiion, obstacles, num=20):
        '''限定次数判断是否有路可走'''
        # 目标节点
        self.target_node = AStar.Node(*target_positiion)
        # 当前节点
        self.current_node = AStar.Node(*current_position)
        # 开启表, 添加当前节点到open_list中
        self.open_list = [self.current_node]
        # 关闭表
        self.close_list = []
        # 障碍物坐标集  (真实障碍物 + 墙壁)
        self.obstacles = obstacles + self.map.wall
        # 开启A星计算循环
        for i in range(num):
            # 判断是否到达终点, 判断目标节点坐标是否在close_list中
            tmp = self.in_close_list(self.target_node.x, self.target_node.y)
            if tmp:
                # 返回路线
                path_list = [[tmp.x, tmp.y]]
                # 逆推路线
                while tmp.parent:
                    tmp = tmp.parent
                    path_list.append([tmp.x, tmp.y])
                # 反转列表
                path_list.reverse()
                return True
            if not self.open_list:
                # 如果open_list为空, 表示无路可走
                return False
            # 从open_list中选出F最小路径节点
            minF = self.MinF()
            # 将当前选出节点添加到close_list中, 并从open_list中移除
            self.close_list.append(minF)
            self.open_list.remove(minF)
            # 搜索路径并将当前节点作为父节点  根据固定顺序搜索  (固定就行, 顺序任意)
            self.search(AStar.Node(minF.x - 1, minF.y, minF))
            self.search(AStar.Node(minF.x, minF.y - 1, minF))
            self.search(AStar.Node(minF.x + 1, minF.y, minF))
            self.search(AStar.Node(minF.x, minF.y + 1, minF))
        else:
            return True


class Game(object):
    '''游戏类'''

    def __init__(self, map2D, obs_num=None):
        '''初始化
        Args:
            map2D   2D地图
            obs_num 初始化障碍物数量
        '''
        self.map = map2D
        self.height = self.map.height
        self.width = self.map.width
        # 随机一个初始化运动方向
        self.direction = randint(0, 3)
        # 根据地图大小计算障碍物数量
        # self.obs_num = int(math.sqrt(self.height * self.width))
        self.obs_num = obs_num if obs_num else int(
            math.sqrt(self.height * self.width))
        # 初始化起点
        self.current = [
            randint(int(1/4 * (self.height - 1)),
                    int(3/4 * (self.height - 1))),
            randint(int(1/4 * (self.width - 1)),
                    int(3/4 * (self.width - 1)))
        ]
        # 生成果实目标
        self.gen_fruit()
        # 生成障碍物
        self.gen_obs()

    def gen_fruit(self):
        '''生成果实'''
        while True:
            # 随机生成果实坐标
            self.fruit = [randint(0, self.height - 1),
                          randint(0, self.width - 1)]
            # 避免果实和起点坐标重合
            if self.fruit != self.current:
                break

    def gen_obs(self):
        '''生成障碍物'''
        self.obs_list = []
        for i in range(self.obs_num):
            while True:
                tmp = [randint(0, self.height - 1), randint(0, self.width - 1)]
                # 避免障碍物和起点或者果实重合
                if tmp != self.current and tmp != self.fruit:
                    self.obs_list.append(tmp)
                    break

    def move(self):
        '''根据移动方向移动
        0, 1, 2, 3分别对应上, 左, 下, 右
        '''
        if self.direction == 0:
            self.current = [self.current[0] - 1, self.current[1]]
        elif self.direction == 1:
            self.current = [self.current[0], self.current[1] - 1]
        elif self.direction == 2:
            self.current = [self.current[0] + 1, self.current[1]]
        else:
            self.current = [self.current[0], self.current[1] + 1]

    def cls(self):
        '''清空控制台输出'''
        os.system('cls')

    def load(self):
        '''加载果实和障碍物'''
        # 加载障碍物
        for row, col in self.obs_list:
            self.map[row][col] = wall_char
        # 加载果实和当前点
        row, col = self.current
        self.map[row][col] = self_char
        row, col = self.fruit
        self.map[row][col] = fruit_char

    def start(self):
        '''开始游戏循环'''
        # 开启A星
        g = self.a_star()
        # 进入循环
        while True:
            # 清空控制台输出
            self.cls()
            # 加载
            self.load()
            # 打印显示
            self.map.show()
            # 判断是否吃到果实
            if self.current == self.fruit:
                # 吃到果实
                # 重置地图
                self.map.reload()
                # 重新生成果实, 重新生成障碍物
                self.gen_fruit()
                self.gen_obs()
                self.map.reload()
            if next(g) is False:
                # 表示无路可走
                # 重置地图
                self.map.reload()
                continue
            # 移动
            self.move()
            # 控制移动速度
            time.sleep(0.3)

    def a_star(self):
        '''接入A*算法寻路
        使用python生成器方式实现在游戏循环中一次一次改变方向
        '''
        # 创建对象
        a = AStar(self.map)
        while True:
            # 提前加载显示地图, 提前显示可以人工判断是否真的无路可走
            # 清空控制台输出
            self.cls()
            # 加载
            self.load()
            # 打印显示
            self.map.show()
            # 先反向判断, 在限定次数中是否得出无路可走, 添加改策略一定程度减少计算时间很长的正向计算
            if a.sub_start(self.fruit, self.current, self.obs_list, 30) is False:
                # 表示无路可走
                input('无路可走, 回车刷新地图')
                self.map.reload()
                self.gen_fruit()
                self.gen_obs()
                # 返回无路可走信号
                yield False
                continue
            path_list = a.start(self.current, self.fruit, self.obs_list)
            if not path_list:
                # 表示无路可走
                # 提前加载显示地图, 提前显示可以人工判断是否真的无路可走
                # 清空控制台输出
                # self.cls()
                # # 加载
                # self.load()
                # # 打印显示
                # self.map.show()
                input('无路可走, 回车刷新地图')
                self.map.reload()
                self.gen_fruit()
                self.gen_obs()
                # 返回无路可走信号
                yield False
                continue
            # 遍历启动后路径, 对比得出行走方向
            for path in path_list[1:]:
                if path[0] > self.current[0]:
                    self.direction = 2
                elif path[0] < self.current[0]:
                    self.direction = 0
                elif path[1] > self.current[1]:
                    self.direction = 3
                else:
                    self.direction = 1
                yield


if __name__ == "__main__":
    # 初始化控制台大小
    os.system("mode con cols=80 lines=80")
    # 创建地图
    map2D = Map2D(width=20, height=20)
    # 新建游戏, 指定障碍物
    game = Game(map2D, 150)
    # 开启游戏
    game.start()

源码下载地址

点击下载源码–>https://download.csdn.net/download/flyinghu123/12047767

程序下载地址

A星.exe–>https://download.csdn.net/download/flyinghu123/12047636

来源：CSDN

作者：胡建飞

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