人工智能算法实现：[1]A*算法c语言

1、估价值与实际值越接近，估价函数取得就越好

例如对于几何路网来说，可以取两节点间欧几理德距离（直线距离）做为估价值，即f=g(n)+sqrt((dx-nx)*(dx-nx)+(dy-ny)*(dy-ny))；这样估价函数f在g值一定的情况下，会或多或少的受估价值h的制约，节点距目标点近，h值小，f值相对就小，能保证最短路的搜索向终点的方向进行。明显优于Dijkstra算法的毫无方向的向四周搜索。

conditions of heuristic

Optimistic (must be less than or equal to the real cost)

As close to the real cost as possible

详细内容：

创建两个表，OPEN表保存所有已生成而未考察的节点，CLOSED表中记录已访问过的节点。

算起点的估价值;

将起点放入OPEN表;

2、A star算法在静态路网中的应用，以在地图中找从开始点 s 到e点的最短行走路径为例：

首先定义数据结构

#define MAPMAXSIZE 100 //地图面积最大为 100x100 

#define MAXINT 8192 //定义一个最大整数, 地图上任意两点距离不会超过它 

#define STACKSIZE 65536 //保存搜索节点的堆栈大小 

#define tile_num(x,y) ((y)*map_w+(x)) //将 x,y 坐标转换为地图上块的编号 

#define tile_x(n) ((n)%map_w) //由块编号得出 x,y 坐标 

#define tile_y(n) ((n)/map_w) 

// 树结构, 比较特殊, 是从叶节点向根节点反向链接 

typedef struct node *TREE; 

struct node {

int h;

int tile;

TREE father;

};

typedef struct node2 *LINK;

struct node2 {

TREE node;

int f;

LINK next;

};

LINK queue; // 保存没有处理的行走方法的节点 

TREE stack[STACKSIZE]; // 保存已经处理过的节点 (搜索完后释放) 

int stacktop;

char map[][6]={{'x','x','x','x','x','x'},

               {'x','e',' ',' ',' ','x'},

               {'x','x',' ','x',' ','x'},

               {'x','x',' ',' ',' ','x'},

               {'x','x','x','x','s','x'},

               {'x','x','x','x','x','x'} };//地图数据 

int dis_map[MAPMAXSIZE][MAPMAXSIZE];//保存搜索路径时,中间目标地最优解 

int map_w,map_h;//地图宽和高 

int start_x,start_y,end_x,end_y; //地点,终点坐标 

// 路径寻找主函数 

void findpath(int *path)

{

 //printf("%d,%d,%d,%d",start_x,start_y,end_x,end_y);  

TREE root;

int i,j;

stacktop=0;

for (i=0;i<map_h;i++)

for (j=0;j<map_w;j++)

dis_map[i][j]=MAXINT;

init_queue();

root=(TREE)malloc(sizeof(*root));

root->tile=tile_num(start_x,start_y);

root->h=0;

root->father=NULL;

enter_queue(root,judge(start_x,start_y));

for (;;) {

int x,y,child;

TREE p;

root=get_from_queue();

if (root==NULL) {

*path=-1;

return;

}

x=tile_x(root->tile);

y=tile_y(root->tile);

if (x==end_x && y==end_y) break;// 达到目的地成功返回 

child=trytile(x,y-1,root);//尝试向上移动 

child&=trytile(x,y+1,root);//尝试向下移动 

child&=trytile(x-1,y,root);//尝试向左移动 

child&=trytile(x+1,y,root);//尝试向右移动 

if (child!=0)

pop_stack();// 如果四个方向均不能移动,释放这个死节点 

}

// 回溯树，将求出的最佳路径保存在 path[] 中 

for (i=0;root;i++) {

path[i]=root->tile;

root=root->father;

//printf("pathis %d",path[i]);

}

path[i]=-1;

freetree();

}

// 估价函数,估价 x,y 到目的地的距离,估计值必须保证比实际值小 

int judge(int x,int y)

{ 

int distance;

distance=abs(end_x-x)+abs(end_y-y);

return distance;

}

// 尝试下一步移动到 x,y 可行否 

int trytile(int x,int y,TREE father)

{

TREE p=father;

int h;

if (map[y][x]=='x') return 1; // 如果 (x,y) 处是障碍,失败 

while (p) {

if (x==tile_x(p->tile) && y==tile_y(p->tile)) return 1; //如果 (x,y) 曾经经过,失败 

p=p->father;

}

h=father->h+1;

if (h>=dis_map[y][x]) return 1;// 如果曾经有更好的方案移动到 (x,y) 失败 

dis_map[y][x]=h;// 记录这次到 (x,y) 的距离为历史最佳距离 

// 将这步方案记入待处理队列 

p=(TREE)malloc(sizeof(*p));

p->father=father;

p->h=father->h+1;

p->tile=tile_num(x,y);

enter_queue(p,p->h+judge(x,y));

return 0;

}

3、打开c语言编译器，输入我们的运行代码，编译，运行如下，打印出地图如下图：

4、点任意键进行运行找静态路网

5、说明：找到路后会存到一个数组中去，我们为了显示这个过程可以运用打印函数打印出来代码如下

void printpath(int *path)

{

int i;

//printf("-44444444444444");

for (i=0;path[i]>=0;i++) {

gotoxy(tile_x(path[i])+1,tile_y(path[i])+1);

printf("-");

Sleep(2000);         

}

printf("\n");

printf("\n");

printf("走迷宫完成");

}

6、整个程序的代码如下：

#include<windows.h>

#include"stdio.h"

#include<conio.h>

#include"assert.h" 

#include"stdlib.h"

#define MAPMAXSIZE 100 //地图面积最大为 100x100 

#define MAXINT 8192 //定义一个最大整数, 地图上任意两点距离不会超过它 

#define STACKSIZE 65536 //保存搜索节点的堆栈大小 

#define tile_num(x,y) ((y)*map_w+(x)) //将 x,y 坐标转换为地图上块的编号 

#define tile_x(n) ((n)%map_w) //由块编号得出 x,y 坐标 

#define tile_y(n) ((n)/map_w) 

// 树结构, 比较特殊, 是从叶节点向根节点反向链接 

typedef struct node *TREE; 

struct/*designde by 1wangxiaobo@163.com*/ node {

int h;

int tile;

TREE father;

};

typedef struct /*designde by 1wangxiaobo@163.com*/node2 *LINK;

struct node2 {

TREE node;

int f;/*designde by 1wangxiaobo@163.com*/

LINK next;

};

LINK queue; // 保存没有处理的行走方法的节点 

TREE stack[STACKSIZE]; // 保存已经处理过的节点 (搜索完后释放) 

int stacktop;

char map[][6]={{'x','x','x','x','x','x'},

               {'x','e',' ',' ',' ','x'},

               {'x','x',' ','x',' ','x'},

               {'x','x',' ',' ',' ','x'},

               {'x','x','x','x','s','x'},

               {'x','x','x','x','x','x'} };//地图数据 

int dis_map/*designde by 1wangxiaobo@163.com*/[MAPMAXSIZE][MAPMAXSIZE];//保存搜索路径时,中间目标地最优解 

int map_w,map_h;//地图宽和高 

int start_x,start_y,end_x,end_y; //地点,终点坐标 

void gotoxy(int x ,int y)

{

HANDLE a;

COORD zb;

zb.X =x-1;

zb.Y =y-1;

a= GetStdHandle(STD_OUTPUT_HANDLE/*designde by 1wangxiaobo@163.com*/);

SetConsoleCursorPosition(a,zb);

}

// 初始化队列 

void init_queue()

{ 

queue=(LINK)malloc(sizeof(*queue));

queue->node=NULL;

queue->f=-1;

queue->next=(LINK)/*designde by 1wangxiaobo@163.com*/malloc(sizeof(*queue));

queue->next->f=MAXINT;

queue->next->node=NULL;

queue->next->next=NULL;

} 

// 待处理节点入队列, 依靠对目的地估价距离插入排序 

void enter_queue(TREE node,int f)

{ 

LINK p=queue,father,q;

while(f>p->f) {

father=p;

p=p->next/*designde by 1wangxiaobo@163.com*/;

assert(p);

} 

q=(LINK)malloc(sizeof(*q));

assert(queue);

q->f=f,q->node=node,q->next=p;

father->next=q;

} 

// 将离目的地估计最近的方案出队列 

TREE get_from_queue()

{ 

TREE bestchoice=queue->next->node;

LINK next=queue->next->next;

/*designde by 1wangxiaobo@163.com*/free(queue->next);

queue->next=next;

stack[stacktop++]=bestchoice;

assert(stacktop<STACKSIZE);

return /*designde by 1wangxiaobo@163.com*/bestchoice;

} 

// 释放栈顶节点 

void pop_stack()

{ 

free(stack[--stacktop]);

}

// 释放申请过的所有节点 

void freetree()

{ 

int i;

LINK p;

for (i=0;i<stacktop;i++)

free(stack);

while /*designde by 1wangxiaobo@163.com*/(queue) {

p=queue;

free(p->node);

queue=queue->next;

free(p);

} 

} 

// 估价函数,估价 x,y 到目的地的距离,估计值必须保证比实际值小 

int judge(int x,int y)

{ 

int distance;

distance=abs(end_x-x)+abs(end_y-y);

return distance;

}

// 尝试下一步移动到 x,y 可行否 

int trytile(int/*designde by 1wangxiaobo@163.com*/ x,int y,TREE father)

{

TREE p=father;

int h;

if (map[y][x]=='x') return 1; // 如果 (x,y) 处是障碍,失败 

while (p) {

/*designde by 1wangxiaobo@163.com*/if (x==tile_x(p->tile) && y==tile_y(p->tile)) return 1; //如果 (x,y) 曾经经过,失败 

p=p->father;

}

h=father->h+1;

if (h>=dis_map[y][x]) return 1;// 如果曾经有更好的方案移动到 (x,y) 失败 

dis_map[y][x]=h;// 记录这次到 (x,y) 的距离为历史最佳距离 

// 将这步方案记入待处理队列 

p=(TREE)malloc(sizeof(*p));

p->father=father;

p->h=father->h+1;

p->tile=tile_num(x,y);

enter_queue(p,p->h+judge(x,y));

return 0;

}

// 路径寻找主函数 

void findpath(int *path)

{

 //printf("%d,%d,%d,%d",start_x,start_y,end_x,end_y);  

TREE root;

int i,j;

stacktop=0;

for (i=0;i<map_h;i++)

for (j=0;j<map_w;j++)

dis_map[i][j/*designde by 1wangxiaobo@163.com*/]=MAXINT;

init_queue();

root=(TREE)malloc(sizeof(*root));

root->tile=tile_num(start_x,start_y);

root->h=0;

root->father=NULL;

enter_queue(root,judge(start_x,start_y));

for (;;) {

int x,y,child;

TREE p;

root=get_from_queue();

if (root==NULL) {

*path=-1;

return;

}

x=tile_x(root->tile);

y=tile_y(root->tile);

if (x==end_x && y==end_y) break;// 达到目的地成功返回 

child=trytile(x,y-1,root);//尝试向上移动 

child&=trytile(x,y+1,root);//尝试向下移动 

child&=trytile(x-1,y,root);//尝试向左移动 

child&=trytile(x+1,y,root);//尝试向右移动 

if (child!=0)

pop_stack();// 如果四个方向均不能移动,释放这个死节点 

}

// 回溯树，将求出的最佳路径保存在 path[] 中 

for (i=0;root;i++) {

path[i]=root->tile;

root=root->father;

//printf("pathis %d",path[i]/*designde by 1wangxiaobo@163.com*/);

}

path[i]=-1;

freetree();

}

void printpath(int *path)

{

int i;

//printf("-44444444444444");

for (i=0;path[i]>=0;i++) {

gotoxy(tile_x(path[i])+1,tile_y(path[i])+1);

printf("-");

Sleep(2000);         

}

printf("\n");

printf("\n");

printf("走迷宫完成");

}

void readmap()

{ printf("走迷宫，s是起始点 e是终点  按任意键开始");

getchar();

//FILE *f;

int i,j;

//f=fopen("2.c","r");

//assert(f);

//scanf("%d%d",&map_w,&map_h);

map_w=map_h=6;

for (i=0;i<map_h;i++)

//fgets(&map[i][0],map_w+1,f);

//fclose(f);

start_x=-1,end_x=-1;

for (i=0;i<map_h;i++)

for (j=0;j/*designde by 1wangxiaobo@163.com*/<map_w;j++) {

if (map[i][j]=='s') map[i][j]=' ',start_x=j,start_y=i;

if (map[i][j]=='e') map[i][j]=' ',end_x=j,end_y=i;

}

assert(start_x>=0 && end_x>=0);

//printf("%d,%d,%d,%d",start_x,start_y,end_x,end_y);

}

void showmap()

{

int i,j;

system("cls");

for (i=0;i<map_h;i++) {

gotoxy(1,i+1);

for (j=0;j<map_w;j++)

if (map[i][j]!=' ') printf("x");

else printf(" ");

}

gotoxy(end_x+1,end_y+1);

printf("e");

gotoxy(start_x+1,start_y+1);

printf("s");

}

int main()

{

 system("title 晓博 A*算法试验程序");//设置cmd窗口标题

 printf("…………欢迎使用晓博 A*算法试验程序，Designed by 1wangxiaobo@163.com 河南财经政法大学…………");

int path[MAXINT];

readmap();

showmap();

Sleep(2000);

findpath(path);

printpath(path);

getchar();

system("pause");

return 0;

}