Python, 24 passaggi (lavori in corso)
L'idea era di risolvere prima il problema continuo, riducendo notevolmente lo spazio di ricerca, quindi quantificando il risultato sulla griglia (semplicemente arrotondando al punto più vicino e cercando gli 8 quadrati circostanti)
Parametrizzo il percorso come una somma di funzioni trigonometriche (a differenza dei polinomi, non divergono e sono più facili da tenere sotto controllo). Controllo anche la velocità direttamente anziché l'accelerazione, perché è più semplice applicare la condizione al contorno semplicemente moltiplicando una funzione di ponderazione che tende a 0 alla fine.
La mia funzione oggettiva consiste in un
punteggio
esponenziale per l'accelerazione> 10 in un punteggio polinomiale per la distanza euclidea tra l'ultimo punto e il bersaglio
- punteggio costante elevato per ogni intersezione con un muro, diminuendo verso i bordi del muro
Per ridurre al minimo il punteggio, lancio tutto nell'ottimizzazione Nelder-Mead e aspetto qualche secondo. L'algoritmo riesce sempre a raggiungere la fine, fermandosi lì e non superando la massima accelerazione, ma ha problemi con i muri. Il percorso si teletrasporta attraverso gli angoli e rimane bloccato lì, o si ferma accanto a un muro con l'obiettivo appena attraversato (immagine a sinistra)
Durante i test, sono stato fortunato e ho trovato un percorso che è stato schiacciato in modo promettente (immagine a destra) e dopo aver modificato ulteriormente i parametri ho potuto usarlo come ipotesi iniziale per un'ottimizzazione riuscita.
Quantizzazione
Dopo aver trovato un percorso parametrico, era tempo di rimuovere i punti decimali. Osservare il quartiere 3x3 riduce lo spazio di ricerca da circa 300 ^ N a 9 ^ N, ma è ancora troppo grande e noioso da implementare. Prima di percorrere questa strada, ho provato ad aggiungere un termine "Aggancia alla griglia" alla funzione obiettivo (le parti commentate). Cento ulteriori passaggi di ottimizzazione con l'obiettivo aggiornato e il semplice arrotondamento sono stati sufficienti per ottenere la soluzione.
[(9, -1), (4, 0), (1, 1), (2, 2), (-1, 2), (-3, 4), (-3, 3), (-2 , 3), (-2, 2), (-1, 1), (0, 0), (1, -2), (2, -3), (2, -2), (3, -5 ), (2, -4), (1, -5), (-2, -3), (-2, -4), (-3, -9), (-4, -4), (- 5, 8), (-4, 8), (5, 8)]
Il numero di passaggi era fisso e non faceva parte dell'ottimizzazione, ma poiché abbiamo una descrizione analitica del percorso (e poiché l'accelerazione massima è ben al di sotto di 10) possiamo riutilizzarlo come punto di partenza per un'ulteriore ottimizzazione con un numero inferiore di Timesteps
from numpy import *
from scipy.optimize import fmin
import matplotlib.pyplot as plt
from matplotlib.collections import LineCollection as LC
walls = array([[[0,0],[500,0]], # [[x0,y0],[x1,y1]]
[[500,0],[500,400]],
[[500,400],[0,400]],
[[0,400],[0,0]],
[[200,200],[100,200]],
[[100,200],[100,100]],
[[100,100],[200,100]],
[[250,300],[250,200]],
[[300,300],[300,100]],
[[300,200],[400,200]],
[[300,100],[400,100]],
[[100,180],[120, 200]], #debug walls
[[100,120],[120, 100]],
[[300,220],[320, 200]],
#[[320,100],[300, 120]],
])
start = array([120,180])
goal = array([320,220])
###################################
# Boring stuff below, scroll down #
###################################
def weightedintersection2D(L1, L2):
# http://stackoverflow.com/questions/563198/how-do-you-detect-where-two-line-segments-intersect
p = L1[0]
q = L2[0]
r = L1[1]-L1[0]
s = L2[1]-L2[0]
d = cross(r,s)
if d==0: # parallel
if cross(q-p,r)==0: return 1 # overlap
else:
t = cross(q-p,s)*1.0/d
u = cross(q-p,r)*1.0/d
if 0<=t<=1 and 0<=u<=1: return 1-0*abs(t-.5)-1*abs(u-.5) # intersect at p+tr=q+us
return 0
def sinsum(coeff, tt):
'''input: list of length 2(2k+1),
first half for X-movement, second for Y-movement.
Of each, the first k elements are sin-coefficients
the next k+1 elements are cos-coefficients'''
N = len(coeff)/2
XS = [0]+list(coeff[:N][:N/2])
XC = coeff[:N][N/2:]
YS = [0]+list(coeff[N:][:N/2])
YC = coeff[N:][N/2:]
VX = sum([XS[i]*sin(tt*ww[i]) + XC[i]*cos(tt*ww[i]) for i in range(N/2+1)], 0)
VY = sum([YS[i]*sin(tt*ww[i]) + YC[i]*cos(tt*ww[i]) for i in range(N/2+1)], 0)
return VX*weightfunc, VY*weightfunc
def makepath(vx, vy):
# turn coordinates into line segments, to check for intersections
xx = cumsum(vx)+start[0]
yy = cumsum(vy)+start[1]
path = []
for i in range(1,len(xx)):
path.append([[xx[i-1], yy[i-1]],[xx[i], yy[i]]])
return path
def checkpath(path):
intersections = 0
for line1 in path[:-1]: # last two elements are equal, and thus wrongly intersect each wall
for line2 in walls:
intersections += weightedintersection2D(array(line1), array(line2))
return intersections
def eval_score(coeff):
# tweak everything for better convergence
vx, vy = sinsum(coeff, tt)
path = makepath(vx, vy)
score_int = checkpath(path)
dist = hypot(*(path[-1][1]-goal))
score_pos = abs(dist)**3
acc = hypot(diff(vx), diff(vy))
score_acc = sum(exp(clip(3*(acc-10), -10,20)))
#score_snap = sum(abs(diff(vx)-diff(vx).round())) + sum(abs(diff(vy)-diff(vy).round()))
print score_int, score_pos, score_acc#, score_snap
return score_int*100 + score_pos*.5 + score_acc #+ score_snap
######################################
# Boring stuff above, scroll to here #
######################################
Nw = 4 # <3: paths not squiggly enough, >6: too many dimensions, slow
ww = [1*pi*k for k in range(Nw)]
Nt = 30 # find a solution with tis many steps
tt = linspace(0,1,Nt)
weightfunc = tanh(tt*30)*tanh(30*(1-tt)) # makes sure end velocity is 0
guess = random.random(4*Nw-2)*10-5
guess = array([ 5.72255365, -0.02720178, 8.09631272, 1.88852287, -2.28175362,
2.915817 , 8.29529905, 8.46535503, 5.32069444, -1.7422171 ,
-3.87486437, 1.35836498, -1.28681144, 2.20784655]) # this is a good start...
array([ 10.50877078, -0.1177561 , 4.63897574, -0.79066986,
3.08680958, -0.66848585, 4.34140494, 6.80129358,
5.13853914, -7.02747384, -1.80208349, 1.91870184,
-4.21784737, 0.17727804]) # ...and it returns this solution
optimsettings = dict(
xtol = 1e-6,
ftol = 1e-6,
disp = 1,
maxiter = 1000, # better restart if not even close after 300
full_output = 1,
retall = 1)
plt.ion()
plt.axes().add_collection(LC(walls))
plt.xlim(-10,510)
plt.ylim(-10,410)
path = makepath(*sinsum(guess, tt))
plt.axes().add_collection(LC(path, color='red'))
plt.plot(*start, marker='o')
plt.plot(*goal, marker='o')
plt.show()
optres = fmin(eval_score, guess, **optimsettings)
optcoeff = optres[0]
#for c in optres[-1][::optimsettings['maxiter']/10]:
for c in array(optres[-1])[logspace(1,log10(optimsettings['maxiter']-1), 10).astype(int)]:
vx, vy = sinsum(c, tt)
path = makepath(vx,vy)
plt.axes().add_collection(LC(path, color='green'))
plt.show()
Da fare: GUI che ti consente di tracciare un percorso iniziale per ottenere un senso approssimativo della direzione. Qualsiasi cosa è meglio del campionamento casuale dallo spazio 14-dimensionale
