动态避障-图扑自动寻路 3D 可视化

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

总结

作为开发者的我们,将继续探索和优化自动寻路技术,利用图扑 HT 提供的插件工具,不断提升算法效率和用户体验。通过合理的参数设置、精确的网格划分和智能的路径规划,为各种应用场景提供更加出色的自动寻路解决方案。

您可以至图扑软件官网查看更多案例及效果:

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