CN112362073B - 一种基于凸包特征的导航路径建模及最短路径求解方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于凸包特征的导航路径建模及最短路径求解方法，主要面向室外公共空间和室内场景，基于凸包特性，利用凸包任意两点可视的特点，将地图剖分为多个凸包的有限集合，形成多层次的地图表达，并在此基础上设计了一种层次最短路径算法。该方法可以有效降低图的节点和边的数目，进而提高最短路径算法的求解速度。

Description

一种基于凸包特征的导航路径建模及最短路径求解方法

技术领域

本发明属于智能交通技术领域，特别是针对大型室外公共空间以及建筑室内空间的路径建模以及规划方法。

背景技术

随着人类改造生活环境能力的提高，室外公共空间以及室内空间越来越呈现出大型化、功能化、多样化等特点。这对于希望快速找到最短路径的任务而言，是一个极具挑战性的工作。最短路径求解主要是将道路通达关系抽象为数学上的图，利用节点、边、权重来分别表达目标点、连通性以及边的强度。基于该结构，传统的最短路径算法包括了Dijkstra算法、 A*算法、广度/深度优先算法、贪婪算法等。而对于导航地图表达，包括了格网地图、多边形地图、导航网格、层次地图等。一般而言，节点和边的多少对于最短路径的计算有着直接的影响，而地图的表达对于节点和边的数量又有着关键性的作用。随着室外公共空间以及室内场景的日益复杂，节点和边的数量也极具增多，造成计算效率的大幅降低。此外，室外公共空间和室内空间，在路的形态和描述上与路网有较大区别：对于前者，行径的道路并非总是明确的，且可达要基于可视为前提，因此在地图建模方法上两者也会有所差异。

对于导航路径建模，节点和边是基础的表达内容，但现有的建模方法中往往忽视了在特定空间形态下，节点与节点的通达关系是隐型的，不需要显性表达，否则造成导航图中包含大量冗余的节点和边信息，导致路径求解速度降低。

发明内容

本发明主要面向大型自由式空间，尤其针对室外公共场所以及室内空间场景，利用凸包任意两点可视的特点，将地图剖分为多个凸包的有限集合，形成多层次的地图表达，并在此基础上设计了一种层次路径搜索算法。该方法可以有效降低图的节点和边的数目，进而提高路径搜索算法的求解速度。

本发明提供一种基于凸包特征的导航路径建模及最短路径求解方法，主要包括以下步骤：

1)基于带洞的空间剖分

将局部房间、柜台等形态为多边形的区域视为洞，对整个自由空间进行带洞的凸多边形空间剖分，形成凸包集合，表示为：

C＝{c_i|i∈n}

c_i为凸多边形；n为凸多边形个数。

如果空间中的洞包含若干门户且门户属于不同凸包，则该洞将作为伪凸包予以记录。

2)节点提取

使用步骤1)构建的凸多边形空间剖分图，针对每个凸多边形，将每个门户视为节点予以记录，表示为：

V＝{v_i|i∈n}

其中，v_i为节点，表示为(id,x,y,z,data)的四元组形式，其中id为该节点唯一标识， x,y,z,为节点坐标，data为该节点用户自定义属性；n为节点个数。

3)增加逻辑节点

对于步骤1)提取的凸多边形，如果相邻凸多边形存在共边，且该边的端点非步骤2)提取的节点，则以该共边的中点作为新的节点，添加到节点集合V中。

4)层次图构建

为每对相邻凸多边形构建连通关系，可表示为:

e＝{(v_i,v_j)|v_i∈p_m&v_i∈p_n,v_j∈p_n&v_j∈p_o}

其中，p_m和p_n为相邻凸包，p_n和p_o为相邻凸包；v_i位于凸包p_m和p_n的公共边上，v_j位于p_n和p_o的公共边上。位于相邻凸包公共边上的节点称之为凸包连接点，并形成集合N，该集合是集合V的子集。所有的e又形成集合E，最终，基于凸多边形空间剖分的图关系可表示为凸包图G＝{C,N,E}。

此外，由于凸包的任意两个顶点具有可达性，因此对于每个凸包c_i所含节点，相互间隐含都具有连通关系，因此c_i可视为只包含节点的简化图。

5)基于层次图的路径搜索

路径搜索时，首先确定离起点和终点最近的凸包连接点,并确定所属凸包。基于凸包图G，根据A^*等(A-star)算法计算最短路径，最后在最短路径的首尾添加离起点和终点最近的节点，构建节点依次连接的求解路径。

相较现有的导航路径建模和求解方法，基于凸包特征的导航路径建模能大幅降低节点以及边的数量，从而有效提高路径求解的速度。

附图说明

图1为基于凸包特征的导航路径建模及最短路径求解方法的流程图。

具体实施方式

如图1所示，本发明提供一种基于凸包特征的导航路径建模及最短路径求解方法，主要包括以下步骤：

1)基于带洞的空间剖分

对照输入的平面图，将局部房间、柜台等形态为多边形的区域视为洞，对整个自由空间进行带洞的凸多边形空间剖分，形成凸包集合，表示为：

C＝{c_i|i∈n}

c_i为凸多边形；n为凸多边形个数。

如果空间中的洞包含若干门户且门户属于不同凸包，则该洞将作为伪凸包予以记录。

2)节点提取

使用步骤1)构建的凸多边形空间剖分图，针对每个凸多边形，将每个门户视为节点予以记录，表示为：

V＝{v_i|i∈n}

其中，v_i为节点，表示为(id,x,y,z,data)的四元组形式，其中id为该节点唯一标识，x,y,z,为节点坐标，data为该节点用于自定义属性；n为节点个数。

3)增加逻辑节点

对于步骤1)提取的凸多边形，如果相邻凸多边形存在共边，且该共边的端点非步骤2) 提取的节点，则以该共边的中点作为新的节点，添加到节点集合V中。

4)层次图构建

为每对相邻凸多边形构建连通关系，可表示为:

e＝{(v_i,v_j)|v_i∈p_m&v_i∈p_n,v_j∈p_n&v_j∈p_o}

其中，p_m和p_n为相邻凸包，p_n和p_o为相邻凸包；v_i位于凸包p_m和p_n的公共边上，v_j位于p_n和p_o的公共边上。位于相邻凸包公共边上的节点称之为凸包连接点，并形成集合N，该集合是集合V的子集。所有的e又形成集合E，最终，基于凸多边形空间剖分的图关系可表示为凸包图G＝{C,N,E}。

此外，由于凸包的任意两个顶点具有可达性，因此对于每个凸包c_i所含节点，相互间隐含都具有连通关系，因此c_i可视为只包含节点的简化图。

5)基于层次图的路径搜索

路径搜索时，首先确定离起点和终点最近的凸包连接点,并确定所属凸包。基于凸包图G，根据A^*等(A-star)算法计算最短路径，最后在最短路径的首尾添加离起点和终点最近的节点，构建节点依次连接的求解路径。

本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。

Claims (3)

1.一种基于凸包特征的导航路径建模及最短路径求解方法，其特征在于，包括如下步骤：

1)基于带洞的空间剖分

针对输入的平面图，将形态为多边形的区域视为洞，对整个自由空间进行带洞的凸多边形空间剖分，形成凸包集合，如果空间中的洞包含若干门户，且门户属于不同凸包，则该洞将作为伪凸包予以记录；

2)节点提取

使用步骤1)构建的凸多边形空间剖分图，针对每个凸多边形，将每个门户视为节点予以记录，并构建节点集合V＝{v_i|i∈n}；v_i为节点，表示为(id,x,y,z,data)的四元组形式，其中id为该节点唯一标识，x,y,z,为节点坐标，data为该节点用户自定义属性，n为节点个数；

3)增加逻辑节点

对于步骤1)提取的凸多边形，如果相邻凸多边形存在共边，且该共边的端点非步骤2)提取的节点，则以该共边的中点作为新的节点，添加到节点集合V中；

4)层次图构建

为每对相邻凸多边形构建连通关系，表示为e＝{(v_i,v_j)|v_i∈p_m&v_i∈p_n,v_j∈p_n&v_j∈p_o}，其中，p_m和p_n为相邻凸包，p_n和p_o为相邻凸包；v_i位于凸包p_m和p_n的公共边上，v_j位于p_n和p_o的公共边上；位于相邻凸包公共边上的节点称之为凸包连接点，所有的凸包连接点形成集合N，该集合是集合V的子集，所有的e又形成集合E，最终，基于凸多边形空间剖分的图关系表示为凸包图G＝{C,N,E}；

5)基于层次图的路径搜索

路径搜索时，首先确定离起点和终点最近的凸包连接点,并确定所属凸包，基于凸包图G，根据最短路径搜索算法计算最短路径，最后在路径的首尾添加离起点和终点最近的节点，构建节点依次连接的求解路径。

2.如权利要求1所述的一种基于凸包特征的导航路径建模及最短路径求解方法，其特征在于：步骤1)中将房间、柜台这些形态为多边形的区域视为洞。

3.如权利要求1所述的一种基于凸包特征的导航路径建模及最短路径求解方法，其特征在于：步骤5)中采用A-star算法计算最短路径。

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