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动态避障-图扑自动寻路 3D 可视化

article 2024/11/6 12:57:38

自动寻路是机器人导航的核心技术，其原理主要涉及机器人与环境之间的复杂信息交互与处理。在自动寻路过程中，机器人依靠先进的传感器系统，如高清摄像头、精密激光雷达和灵敏超声波装置，全方位感知周围环境。这些传感器能够实时捕捉并分析环境中的障碍物、地形变化和关键路标，为机器人提供精确的导航数据。

自动寻路在多个领域发挥着关键作用，从图扑的数据中心机房的自动化巡检系统，到智能机器人的导航系统，再到智慧码头堆场的智能化管理，自动寻路技术无处不在。该功能不仅能规划出最优路线，还能实时考虑障碍物避让等复杂的实际因素，灵活调整路径以确保安全和效率。

乍听之下，自动寻路功能略显复杂，实现过程中也确实涉及了一些算法。在具体实施之前，我们需要先解决两个关键问题：

1. 如何避开场景中的障碍物？

2. 如何计算最佳路径？

针对这两处问题，我们可以利用图扑软件自研 HT for Web 提供的 ht-astar.js 插件。该插件具备初始化网格和自动搜索路径等功能，高效简化了自动寻路的实现过程。

系统分析

场景网格化

先将场景划分成二维网格，障碍物分布于不同的网格单元上，部分较大的障碍物可能会占据多个网格单元。路径计算实际上是分析网格的占用情况，当平台监测到某个网格被占用时，系统会自动寻找择优生成一条绕行路径。

在开发时，首先需要去实例化 ht.Astar.Finder(view, params)。其中 view 可以是 ht.graph.GraphView 或者 ht.graph3d.Graph3dView。params 是一个包含基础属性设置的对象。以下列举了一些 params 的常用参数：

✧simplify:是否启用路径简化。

✧closest:是否启用最近路径优化。

✧nodeRectExtend:扩展节点范围。

✧gridSizeY:网格在 Y 方向上的大小。

✧gridSizeX:网格在 X 方向上的大小。

✧diagonal:是否允许沿对角线方向移动。

✧fastOverlap:是否启用快速监测重叠算法。

✧filter:过滤函数用于在路径计算过程中过滤特定节点。

✧turnPunish:转弯惩罚系数，数值越高表示越倾向于直线路径。

具体代码实现：

const hindrance = dm.getDataByTag(‘hindrance’);
const astar = new ht.Astar.Finder(view, {
    gridSizeX: 50, // 网格 
    gridSizeY: 50,
    nodeRectExtend: 50,
    fastOverlap: false,
    filter: function (data) {
        return data.isDescendantOf(hindrance);
    }
});

路径计算

在路径计算过程中，系统需要实时监测每个网格单元的占用状态。若规划的路径遇到被障碍物占用的网格，系统会自动寻找绕行路径，以动态避开障碍物。

在开发过程中，我们需要监听场景背景的点击事件，获取点击位置的坐标。然后，结合起点坐标，通过 astar.findPath(pFrom, pTo) 函数计算出具体路径。计算得到的路径是一组点位数据，可以利用这些数据在场景中绘制出一条路径管道。具体代码实现：

view.mi(function (e) {
    const { kind, data, event } = e;
    if (kind === 'clickBackground') {
        const animOb = view.dm().getDataByTag('people'); // 获取人物节点
        let pFrom = animOb.p3(); // 获取人物节点的坐标（起点坐标）
        pFrom = { x: pFrom[0], y: pFrom[2] };
        let position = view.getHitPosition(event); // 根据鼠标事件获取场景中的逻辑坐标
        const pTo = { x: position[0], y: position[2] };
        const path = astar.findPath(pFrom, pTo); // 获取路径
        createPloyline(path); // 生成管道
      }
})
// 生成管道
createPloyline(){
  const points: any = [];
  path.forEach((p: any, i: number) => {
      points.push({ x: p.x, y: p.y, e: 0 });
  })
  const polyline = new ht.Polyline();
  polyline.s({
      "shape3d": false,
  });
  polyline.setPoints(points);
  view.dm().add(polyline);
}

路径动画

在场景中生成管道后，人物节点可沿此管道移动。人物节点沿管道运动的代码如下：

const animOb = dm.getDataByTag('people');
animOb.playAnimation('walk'); // 示例中人物模型使用的是 fbx 模型，可播放节点上的动画
const length = view.getLineLength(polyline);
let moveAnim = null;
const params = {
    delay: 100,
    duration: 1000 * (length / 200), // 根据管道的长度设定动画周期
    easing: function (t) { return t },
    action: function (v, t) {
        var offset = view.getLineOffset(polyline, length * v);
        if (offset) {
            var point = offset.point,
                px = point.x,
                py = point.y,
                pz = point.z,
                tangent = offset.tangent,
                tx = tangent.x,
                ty = tangent.y,
                tz = tangent.z;
            animOb.lookAt([px + tx, py + ty, pz + tz], 'front');
            animOb.p3(px, py, pz);
        }
        // 人物运动时，视角始终跟随
        view.setCenter([px, py, pz]); 
        view.setEye([px + 400, py + 800, pz + 400]);
},
finishFunc: () => {
    moveAnim = null;
    // 切换场景视角
    view.moveCamera([-84, 3435, 3142],  [-28, -821, -160], {
         duration: 1000
    })
    animOb.pauseAnimation(); // 暂停人物模型动画
  }
};
moveAnim = ht.Default.startAnim(params);

优化视觉效果

基于上述，我们已实现了基本的自动寻路功能。在实际项目中仍需提升一定的视觉效果，让展示页面足够美观，我们可以采取以下策略：

首先，将管道路径隐藏（使用 polyline.s('transparent.mask', true)）；
随后，利用 ht.Shape 节点并设置贴图来呈现人物的运动轨迹。这样不仅能实现功能，还能大幅增强视觉吸引力。

具体实现代码如下：

createShape(points) {
    if(uvAnim) uvAnim.pause(); // 创建新的 shape 前将旧shape 的 uv 偏移动画移除
    const shape = this.shape = new ht.Shape();
    shape.s({
        "shape.border.color": "rgb(255,0,0)",
        "all.visible": false,
        "all.transparent": true,
        "top.visible": true,
        "top.image": "assets/arrow.png",
        "top.uv.scale": [
            length / 500,
            1
        ],
        "texture.cache": true,
        "3d.selectable": true,
        "3d.editable": false,
        "3d.movable": false,
        "3d.visible": true
    })
    dm.add(shape);
    shape.setThickness(30);
    shape.setPoints(points);
    return shape;
}
// ht.Shape 的 uv 偏移动画
playShapeAnim(shape) {
  if (!shape) return;
  const params = {
    duration: 2000,
    easing: function (t: number) {
      return t;
    },
    action: function (v: number, t: number) {
      shape.s("all.uv.offset", [v, 0]);
    },
    finishFunc: () => {
      uvAnim = null;
      uvAnim = ht.Default.startAnim(params);
    }
  };
  uvAnim = ht.Default.startAnim(params);
}
const points: any = [];
path.forEach((p: any, i: number) => {
    points.push({ x: p.x, y: p.y, e: 0 });
})
const shape = createShape(points);
let uvAnim = null;
playShapeAnim(shape); // 执行shape 的 uv 偏移动画