人工智能 A*算法原理

A*简介

A算法是启发式算法重要的一种,主要是用于在两点之间选择一个最优路径,而A的实现也是通过一个估值函数

F=G+H

  • G表示该点到起始点位所需要的代价
  • H表示该点到终点的曼哈顿距离。
  • F就是G和H的总和,而最优路径也就是选择最小的F值,进行下一步移动(后边会做详细介绍)

曼哈顿距离

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上图中这个熊到树叶的曼哈顿距离就是蓝色线所表示的距离,这其中不考虑障碍物,假如上图每一个方格长度为1,那么此时的熊的曼哈顿距离就为9.
起点(X1,Y1),终点(X2,Y2),H=|X2-X1|+|Y2-Y1|
我们也可以通过几何坐标点来算出曼哈顿距离,还是以上图为例,左下角为(0,0)点,熊的位置为(1,4),树叶的位置为(7,1),那么H=|7-1|+|1-4|=9。

OPEN ,CLOSE列表

还是以上图为例,比如刚开始熊位置我们会加入到CLOSE列表中,而熊四周它可以移动到的点位我们会加入到OPEN列表中,并对熊四周的8个节点进行F=G+H这样的估值运算,然后在这8个节点中选中一个F值为最小的节点,然后把再把这个节点从OPEN列表中删除,加入到Close列表中,从接着在对这个节点的四周8个节点进行一个估值运算,再接着依次运算,这样说大家可能不是太理解,我会在下边做详细解释。

A*算法实例

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从起点到终点,我们通过A星算法来找出最优路径

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我们把每一个方格的长度定义为1,那从起始点到5位置的代价就是1,到3的代价为1.41,定义好了我们接着看上图,接着运算

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第一步我们会把起始点四周的点加入OPEN列表中然后进行一个估值运算,运算结果如上图,这其中大家看到一个小箭头都指向了起点,这个箭头就是指向父节点,而open列表的G值都是根据这个进行计算的,意思就是我从上一个父节点运行到此处时所需要的总代价,如果指向不一样可能G值就不一样,上图中我们经过计算发现1点F值是7.41是最小的,那我们就选中这个点,并把1点从OPEN列表中删除,加入到CLOSE列表中,但是我们在往下运算的时候发现1点的四周,2点,3点和起始点这三个要怎么处理,首先起始点已经加入到了CLOSE,他就不需要再进行这种运算,这就是CLOSE列表的作用,而2点和3点我们也可以对他进行运算,2点的运算,我们从1移动到2点的时候,他需要的代价也就是G值会变成2.41,而H值是不会变的F=2.41+7=9.41,这个值我们发现大于原来的的F值,那我们就不能对他进行改变(把父节点指向1,把F值改为9.41,因为我们一直追求的是F值最小化),3点也同理。

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在对1点四周进行运算后整个OPEN列表中有两个点2点和3点的F值都是7.41,此时我们系统就可能随机选择一个点然后进行下一步运算,现在我们选中的是3点,然后对3点的四周进行运算,结果是四周的OPEN点位如果把父节点指向3点值时F值都比原来的大,所以不发生改变。我们在看整个OPEN列表中,也就2点的7.41值是最小的,那我们就选中2点接着运算。

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我们在上一部运算中选中的是1点,上图没有把2点加入OPEN列表,因为有障碍物的阻挡从1点他移动不到2点,所以没有把2点加入到OPEN列表中,整个OPEN列表中3的F=8是最小的,我们就选中3,我们对3点四周进行运算是我们发现4点经过计算G=1+1=2,F=2+6=8所以此时4点要进行改变,F变为8并把箭头指向3点(就是把4点的父节点变为3),如下图

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我们就按照这种方法一直进行运算,最后 的运算结果如下图

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而我们通过目标点位根据箭头(父节点),一步一步向前寻找最后我们发现了一条指向起点的路径,这个就是我们所需要的最优路径。 如下图的白色选中区域

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但是我们还要注意几点

  • 在实际情况下有些地方是陆地,有些地方是沼泽,经过同样距离的陆地和沼泽时我们付出的代价不一样,此时我们在计算G值的时候就要考虑进去。
  • 有的时候我们寻找出来的路径可能不只一条,但是这两条路径的代价肯定是一样的,我们会随机选择一条。如下图
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最优路径有2个

  • 1-2-3-4-5-6
  • 1-2-3-4-5-7

这是我对A*算法的一些理解,有些地方可能有BUG,欢迎大家指出,共同学习。

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