mirror of
https://github.com/AtsushiSakai/PythonRobotics.git
synced 2026-04-22 03:00:22 -04:00
first release
This commit is contained in:
@@ -1,21 +1,184 @@
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"""
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"""
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Object shape recognition with rectangle fitting
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Object shape recognition with L-shape fitting
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author: Atsushi Sakai (@Atsushi_twi)
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author: Atsushi Sakai (@Atsushi_twi)
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"""
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"""
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import matplotlib.pyplot as plt
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import matplotlib.pyplot as plt
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import math
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import numpy as np
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import numpy as np
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import itertools
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import itertools
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import random
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from enum import Enum
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from simulator import VehicleSimulator, LidarSimulator
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show_animation = True
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show_animation = True
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class Rectangle():
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class LShapeFitting():
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class Criteria(Enum):
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AREA = 1
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CLOSENESS = 2
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VARIANCE = 3
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def __init__(self):
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# Parameters
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self.criteria = self.Criteria.VARIANCE
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self.min_dist_of_closeness_crit = 0.01 # [m]
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self.dtheta_deg_for_serarch = 1.0 # [deg]
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self.R0 = 3.0 # [m] range segmentation param
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self.Rd = 0.001 # [m] range segmentation param
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def fitting(self, ox, oy):
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# step1: Adaptive Range Segmentation
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idsets = self._adoptive_range_segmentation(ox, oy)
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# step2 Rectangle search
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rects = []
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for ids in idsets: # for each cluster
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cx = [ox[i] for i in range(len(ox)) if i in ids]
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cy = [oy[i] for i in range(len(oy)) if i in ids]
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rects.append(self._rectangle_search(cx, cy))
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return rects, idsets
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def _calc_area_criterion(self, c1, c2):
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c1_max = max(c1)
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c2_max = max(c2)
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c1_min = min(c1)
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c2_min = min(c2)
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alpha = - (c1_max - c1_min) * (c2_max - c2_min)
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return alpha
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def _calc_closeness_criterion(self, c1, c2):
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c1_max = max(c1)
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c2_max = max(c2)
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c1_min = min(c1)
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c2_min = min(c2)
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D1 = [min([np.linalg.norm(c1_max - ic1),
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np.linalg.norm(ic1 - c1_min)]) for ic1 in c1]
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D2 = [min([np.linalg.norm(c2_max - ic2),
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np.linalg.norm(ic2 - c2_min)]) for ic2 in c2]
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beta = 0
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for i, _ in enumerate(D1):
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d = max(min([D1[i], D2[i]]), self.min_dist_of_closeness_crit)
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beta += (1.0 / d)
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return beta
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def _calc_variance_criterion(self, c1, c2):
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c1_max = max(c1)
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|
c2_max = max(c2)
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||||||
|
c1_min = min(c1)
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|
c2_min = min(c2)
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||||||
|
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||||||
|
D1 = [min([np.linalg.norm(c1_max - ic1),
|
||||||
|
np.linalg.norm(ic1 - c1_min)]) for ic1 in c1]
|
||||||
|
D2 = [min([np.linalg.norm(c2_max - ic2),
|
||||||
|
np.linalg.norm(ic2 - c2_min)]) for ic2 in c2]
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E1, E2 = [], []
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for (d1, d2) in zip(D1, D2):
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if d1 < d2:
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E1.append(d1)
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else:
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E2.append(d2)
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V1 = 0.0
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if E1:
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V1 = - np.var(E1)
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V2 = 0.0
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if E2:
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V2 = - np.var(E2)
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gamma = V1 + V2
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return gamma
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def _rectangle_search(self, x, y):
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X = np.array([x, y]).T
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dtheta = np.deg2rad(self.dtheta_deg_for_serarch)
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minp = (-float('inf'), None)
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for theta in np.arange(0.0, np.pi / 2.0 - dtheta, dtheta):
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e1 = np.array([np.cos(theta), np.sin(theta)])
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e2 = np.array([-np.sin(theta), np.cos(theta)])
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c1 = X @ e1.T
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c2 = X @ e2.T
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# Select criteria
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if self.criteria == self.Criteria.AREA:
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cost = self._calc_area_criterion(c1, c2)
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elif self.criteria == self.Criteria.CLOSENESS:
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cost = self._calc_closeness_criterion(c1, c2)
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|
elif self.criteria == self.Criteria.VARIANCE:
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cost = self._calc_variance_criterion(c1, c2)
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if minp[0] < cost:
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minp = (cost, theta)
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# calc best rectangle
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sin_s = np.sin(minp[1])
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cos_s = np.cos(minp[1])
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c1_s = X @ np.array([cos_s, sin_s]).T
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c2_s = X @ np.array([-sin_s, cos_s]).T
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rect = RectangleData()
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rect.a[0] = cos_s
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rect.b[0] = sin_s
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rect.c[0] = min(c1_s)
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||||||
|
rect.a[1] = -sin_s
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||||||
|
rect.b[1] = cos_s
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||||||
|
rect.c[1] = min(c2_s)
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||||||
|
rect.a[2] = cos_s
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||||||
|
rect.b[2] = sin_s
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||||||
|
rect.c[2] = max(c1_s)
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||||||
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rect.a[3] = -sin_s
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||||||
|
rect.b[3] = cos_s
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||||||
|
rect.c[3] = max(c2_s)
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return rect
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def _adoptive_range_segmentation(self, ox, oy):
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# Setup initial cluster
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S = []
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for i, _ in enumerate(ox):
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C = set()
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R = self.R0 + self.Rd * np.linalg.norm([ox[i], oy[i]])
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for j, _ in enumerate(ox):
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d = np.sqrt((ox[i] - ox[j])**2 + (oy[i] - oy[j])**2)
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if d <= R:
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C.add(j)
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S.append(C)
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# Merge cluster
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while 1:
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no_change = True
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for (c1, c2) in list(itertools.permutations(range(len(S)), 2)):
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||||||
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if S[c1] & S[c2]:
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|
S[c1] = (S[c1] | S.pop(c2))
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||||||
|
no_change = False
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|
break
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||||||
|
if no_change:
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|
break
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return S
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class RectangleData():
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||||||
def __init__(self):
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def __init__(self):
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||||||
self.a = [None] * 4
|
self.a = [None] * 4
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@@ -47,243 +210,22 @@ class Rectangle():
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return x, y
|
return x, y
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||||||
class VehicleSimulator():
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||||||
def __init__(self, ix, iy, iyaw, iv, max_v, w, L):
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self.x = ix
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||||||
self.y = iy
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||||||
self.yaw = iyaw
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||||||
self.v = iv
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||||||
self.max_v = max_v
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||||||
self.W = w
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self.L = L
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||||||
self._calc_vehicle_contour()
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||||||
def update(self, dt, a, omega):
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||||||
self.x += self.v * math.cos(self.yaw) * dt
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|
||||||
self.y += self.v * math.sin(self.yaw) * dt
|
|
||||||
self.yaw += omega * dt
|
|
||||||
self.v += a * dt
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||||||
if self.v >= self.max_v:
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self.v = self.max_v
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def plot(self):
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plt.plot(self.x, self.y, ".b")
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# convert global coordinate
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gx, gy = self.calc_global_contour()
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||||||
plt.plot(gx, gy, "--b")
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||||||
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def calc_global_contour(self):
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gx = [(ix * math.cos(self.yaw) + iy * math.sin(self.yaw))
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+ self.x for (ix, iy) in zip(self.vc_x, self.vc_y)]
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|
||||||
gy = [(ix * math.sin(self.yaw) - iy * math.cos(self.yaw))
|
|
||||||
+ self.y for (ix, iy) in zip(self.vc_x, self.vc_y)]
|
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||||||
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return gx, gy
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||||||
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def _calc_vehicle_contour(self):
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self.vc_x = []
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self.vc_y = []
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self.vc_x.append(self.L / 2.0)
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||||||
self.vc_y.append(self.W / 2.0)
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|
||||||
|
|
||||||
self.vc_x.append(self.L / 2.0)
|
|
||||||
self.vc_y.append(-self.W / 2.0)
|
|
||||||
|
|
||||||
self.vc_x.append(-self.L / 2.0)
|
|
||||||
self.vc_y.append(-self.W / 2.0)
|
|
||||||
|
|
||||||
self.vc_x.append(-self.L / 2.0)
|
|
||||||
self.vc_y.append(self.W / 2.0)
|
|
||||||
|
|
||||||
self.vc_x.append(self.L / 2.0)
|
|
||||||
self.vc_y.append(self.W / 2.0)
|
|
||||||
|
|
||||||
self.vc_x, self.vc_y = self._interporate(self.vc_x, self.vc_y)
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||||||
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def _interporate(self, x, y):
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rx, ry = [], []
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dtheta = 0.05
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for i in range(len(x) - 1):
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||||||
rx.extend([(1.0 - θ) * x[i] + θ * x[i + 1]
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||||||
for θ in np.arange(0.0, 1.0, dtheta)])
|
|
||||||
ry.extend([(1.0 - θ) * y[i] + θ * y[i + 1]
|
|
||||||
for θ in np.arange(0.0, 1.0, dtheta)])
|
|
||||||
|
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||||||
rx.extend([(1.0 - θ) * x[len(x) - 1] + θ * x[1]
|
|
||||||
for θ in np.arange(0.0, 1.0, dtheta)])
|
|
||||||
ry.extend([(1.0 - θ) * y[len(y) - 1] + θ * y[1]
|
|
||||||
for θ in np.arange(0.0, 1.0, dtheta)])
|
|
||||||
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||||||
return rx, ry
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||||||
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||||||
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||||||
def get_observation_points(vlist, angle_reso):
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x, y, angle, r = [], [], [], []
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# store all points
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||||||
for v in vlist:
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gx, gy = v.calc_global_contour()
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for vx, vy in zip(gx, gy):
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vangle = math.atan2(vy, vx)
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vr = math.hypot(vx, vy) * random.uniform(0.99, 1.01)
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||||||
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||||||
x.append(vx)
|
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||||||
y.append(vy)
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||||||
angle.append(vangle)
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|
||||||
r.append(vr)
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||||||
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||||||
# ray casting filter
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||||||
rx, ry = ray_casting_filter(x, y, angle, r, angle_reso)
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||||||
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||||||
return rx, ry
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||||||
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||||||
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def ray_casting_filter(xl, yl, thetal, rangel, angle_reso):
|
|
||||||
rx, ry = [], []
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||||||
rangedb = [float("inf") for _ in range(
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|
||||||
int(math.floor((math.pi * 2.0) / angle_reso)) + 1)]
|
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||||||
|
|
||||||
for i in range(len(thetal)):
|
|
||||||
angleid = int(round(thetal[i] / angle_reso))
|
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||||||
|
|
||||||
if rangedb[angleid] > rangel[i]:
|
|
||||||
rangedb[angleid] = rangel[i]
|
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||||||
|
|
||||||
for i in range(len(rangedb)):
|
|
||||||
t = i * angle_reso
|
|
||||||
if rangedb[i] != float("inf"):
|
|
||||||
rx.append(rangedb[i] * math.cos(t))
|
|
||||||
ry.append(rangedb[i] * math.sin(t))
|
|
||||||
|
|
||||||
return rx, ry
|
|
||||||
|
|
||||||
|
|
||||||
def calc_area_criterion(c1, c2):
|
|
||||||
c1_max = max(c1)
|
|
||||||
c2_max = max(c2)
|
|
||||||
c1_min = min(c1)
|
|
||||||
c2_min = min(c2)
|
|
||||||
|
|
||||||
alpha = - (c1_max - c1_min) * (c2_max - c2_min)
|
|
||||||
|
|
||||||
return alpha
|
|
||||||
|
|
||||||
|
|
||||||
def calc_closeness_criterion(c1, c2):
|
|
||||||
c1_max = max(c1)
|
|
||||||
c2_max = max(c2)
|
|
||||||
c1_min = min(c1)
|
|
||||||
c2_min = min(c2)
|
|
||||||
|
|
||||||
D1 = [min([np.linalg.norm(c1_max - ic1),
|
|
||||||
np.linalg.norm(ic1 - c1_min)]) for ic1 in c1]
|
|
||||||
D2 = [min([np.linalg.norm(c2_max - ic2),
|
|
||||||
np.linalg.norm(ic2 - c2_min)]) for ic2 in c2]
|
|
||||||
|
|
||||||
d0 = 0.01
|
|
||||||
beta = 0
|
|
||||||
for i, _ in enumerate(D1):
|
|
||||||
d = max(min([D1[i], D2[i]]), d0)
|
|
||||||
beta += (1.0 / d)
|
|
||||||
|
|
||||||
return beta
|
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||||||
|
|
||||||
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||||||
def rectangle_search(x, y):
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||||||
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||||||
X = np.array([x, y]).T
|
|
||||||
|
|
||||||
dtheta = np.deg2rad(0.5)
|
|
||||||
minp = (-float('inf'), None)
|
|
||||||
for theta in np.arange(0.0, math.pi / 2.0 - dtheta, dtheta):
|
|
||||||
|
|
||||||
e1 = np.array([math.cos(theta), math.sin(theta)])
|
|
||||||
e2 = np.array([-math.sin(theta), math.cos(theta)])
|
|
||||||
|
|
||||||
c1 = X @ e1.T
|
|
||||||
c2 = X @ e2.T
|
|
||||||
|
|
||||||
# alpha = calc_area_criterion(c1, c2)
|
|
||||||
beta = calc_closeness_criterion(c1, c2)
|
|
||||||
|
|
||||||
# cost = alpha
|
|
||||||
cost = beta
|
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||||||
|
|
||||||
if minp[0] < cost:
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|
||||||
minp = (cost, theta)
|
|
||||||
|
|
||||||
# calc best rectangle
|
|
||||||
sin_s = math.sin(minp[1])
|
|
||||||
cos_s = math.cos(minp[1])
|
|
||||||
|
|
||||||
c1_s = X @ np.array([cos_s, sin_s]).T
|
|
||||||
c2_s = X @ np.array([-sin_s, cos_s]).T
|
|
||||||
|
|
||||||
rect = Rectangle()
|
|
||||||
rect.a[0] = cos_s
|
|
||||||
rect.b[0] = sin_s
|
|
||||||
rect.c[0] = min(c1_s)
|
|
||||||
rect.a[1] = -sin_s
|
|
||||||
rect.b[1] = cos_s
|
|
||||||
rect.c[1] = min(c2_s)
|
|
||||||
rect.a[2] = cos_s
|
|
||||||
rect.b[2] = sin_s
|
|
||||||
rect.c[2] = max(c1_s)
|
|
||||||
rect.a[3] = -sin_s
|
|
||||||
rect.b[3] = cos_s
|
|
||||||
rect.c[3] = max(c2_s)
|
|
||||||
|
|
||||||
return rect
|
|
||||||
|
|
||||||
|
|
||||||
def adoptive_range_segmentation(ox, oy):
|
|
||||||
|
|
||||||
alpha = 0.2
|
|
||||||
|
|
||||||
# Setup initial cluster
|
|
||||||
S = []
|
|
||||||
for i, _ in enumerate(ox):
|
|
||||||
C = set()
|
|
||||||
R = alpha * np.linalg.norm([ox[i], oy[i]])
|
|
||||||
for j, _ in enumerate(ox):
|
|
||||||
d = math.sqrt((ox[i] - ox[j])**2 + (oy[i] - oy[j])**2)
|
|
||||||
if d <= R:
|
|
||||||
C.add(j)
|
|
||||||
S.append(C)
|
|
||||||
|
|
||||||
# Merge cluster
|
|
||||||
while 1:
|
|
||||||
no_change = True
|
|
||||||
for (c1, c2) in list(itertools.permutations(range(len(S)), 2)):
|
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||||||
if S[c1] & S[c2]:
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||||||
S[c1] = (S[c1] | S.pop(c2))
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||||||
no_change = False
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||||||
break
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|
||||||
if no_change:
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|
||||||
break
|
|
||||||
|
|
||||||
return S
|
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||||||
|
|
||||||
|
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||||||
def main():
|
def main():
|
||||||
|
|
||||||
# simulation parameters
|
# simulation parameters
|
||||||
simtime = 30.0 # simulation time
|
simtime = 30.0 # simulation time
|
||||||
dt = 0.2 # time tick
|
dt = 0.2 # time tick
|
||||||
|
|
||||||
angle_reso = np.deg2rad(2.0) # sensor angle resolution
|
angle_reso = np.deg2rad(3.0) # sensor angle resolution
|
||||||
|
|
||||||
v1 = VehicleSimulator(-10.0, 0.0, np.deg2rad(90.0),
|
v1 = VehicleSimulator(-10.0, 0.0, np.deg2rad(90.0),
|
||||||
0.0, 50.0 / 3.6, 3.0, 5.0)
|
0.0, 50.0 / 3.6, 3.0, 5.0)
|
||||||
v2 = VehicleSimulator(20.0, 10.0, np.deg2rad(180.0),
|
v2 = VehicleSimulator(20.0, 10.0, np.deg2rad(180.0),
|
||||||
0.0, 50.0 / 3.6, 4.0, 10.0)
|
0.0, 50.0 / 3.6, 4.0, 10.0)
|
||||||
|
|
||||||
|
lshapefitting = LShapeFitting()
|
||||||
|
lidar_sim = LidarSimulator()
|
||||||
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||||||
time = 0.0
|
time = 0.0
|
||||||
while time <= simtime:
|
while time <= simtime:
|
||||||
time += dt
|
time += dt
|
||||||
@@ -291,17 +233,9 @@ def main():
|
|||||||
v1.update(dt, 0.1, 0.0)
|
v1.update(dt, 0.1, 0.0)
|
||||||
v2.update(dt, 0.1, -0.05)
|
v2.update(dt, 0.1, -0.05)
|
||||||
|
|
||||||
ox, oy = get_observation_points([v1, v2], angle_reso)
|
ox, oy = lidar_sim.get_observation_points([v1, v2], angle_reso)
|
||||||
|
|
||||||
# step1: Adaptive Range Segmentation
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rects, idsets = lshapefitting.fitting(ox, oy)
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||||||
idsets = adoptive_range_segmentation(ox, oy)
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||||||
# step2 Rectangle search
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rects = []
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for ids in idsets: # for each cluster
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cx = [ox[i] for i in range(len(ox)) if i in ids]
|
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||||||
cy = [oy[i] for i in range(len(oy)) if i in ids]
|
|
||||||
rects.append(rectangle_search(cx, cy))
|
|
||||||
|
|
||||||
if show_animation: # pragma: no cover
|
if show_animation: # pragma: no cover
|
||||||
plt.cla()
|
plt.cla()
|
||||||
@@ -318,9 +252,9 @@ def main():
|
|||||||
for (ix, iy) in zip(x, y):
|
for (ix, iy) in zip(x, y):
|
||||||
plt.plot([0.0, ix], [0.0, iy], "-og")
|
plt.plot([0.0, ix], [0.0, iy], "-og")
|
||||||
|
|
||||||
# plt.plot([ox[i] for i in range(len(ox)) if i in ids],
|
plt.plot([ox[i] for i in range(len(ox)) if i in ids],
|
||||||
# [oy[i] for i in range(len(ox)) if i in ids],
|
[oy[i] for i in range(len(ox)) if i in ids],
|
||||||
# "o")
|
"o")
|
||||||
for rect in rects:
|
for rect in rects:
|
||||||
rect.plot()
|
rect.plot()
|
||||||
|
|
||||||
|
|||||||
144
Mapping/rectangle_fitting/simulator.py
Normal file
144
Mapping/rectangle_fitting/simulator.py
Normal file
@@ -0,0 +1,144 @@
|
|||||||
|
"""
|
||||||
|
|
||||||
|
Simulator
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||||||
|
|
||||||
|
author: Atsushi Sakai
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||||||
|
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|
"""
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|
|
||||||
|
import numpy as np
|
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|
import matplotlib.pyplot as plt
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|
import math
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|
import random
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|
class VehicleSimulator():
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|
def __init__(self, ix, iy, iyaw, iv, max_v, w, L):
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||||||
|
self.x = ix
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|
self.y = iy
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||||||
|
self.yaw = iyaw
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||||||
|
self.v = iv
|
||||||
|
self.max_v = max_v
|
||||||
|
self.W = w
|
||||||
|
self.L = L
|
||||||
|
self._calc_vehicle_contour()
|
||||||
|
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|
def update(self, dt, a, omega):
|
||||||
|
self.x += self.v * np.cos(self.yaw) * dt
|
||||||
|
self.y += self.v * np.sin(self.yaw) * dt
|
||||||
|
self.yaw += omega * dt
|
||||||
|
self.v += a * dt
|
||||||
|
if self.v >= self.max_v:
|
||||||
|
self.v = self.max_v
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||||||
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|
def plot(self):
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|
plt.plot(self.x, self.y, ".b")
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|
# convert global coordinate
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|
gx, gy = self.calc_global_contour()
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|
plt.plot(gx, gy, "--b")
|
||||||
|
|
||||||
|
def calc_global_contour(self):
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|
gx = [(ix * np.cos(self.yaw) + iy * np.sin(self.yaw)) +
|
||||||
|
self.x for (ix, iy) in zip(self.vc_x, self.vc_y)]
|
||||||
|
gy = [(ix * np.sin(self.yaw) - iy * np.cos(self.yaw)) +
|
||||||
|
self.y for (ix, iy) in zip(self.vc_x, self.vc_y)]
|
||||||
|
|
||||||
|
return gx, gy
|
||||||
|
|
||||||
|
def _calc_vehicle_contour(self):
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|
self.vc_x = []
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|
self.vc_y = []
|
||||||
|
|
||||||
|
self.vc_x.append(self.L / 2.0)
|
||||||
|
self.vc_y.append(self.W / 2.0)
|
||||||
|
|
||||||
|
self.vc_x.append(self.L / 2.0)
|
||||||
|
self.vc_y.append(-self.W / 2.0)
|
||||||
|
|
||||||
|
self.vc_x.append(-self.L / 2.0)
|
||||||
|
self.vc_y.append(-self.W / 2.0)
|
||||||
|
|
||||||
|
self.vc_x.append(-self.L / 2.0)
|
||||||
|
self.vc_y.append(self.W / 2.0)
|
||||||
|
|
||||||
|
self.vc_x.append(self.L / 2.0)
|
||||||
|
self.vc_y.append(self.W / 2.0)
|
||||||
|
|
||||||
|
self.vc_x, self.vc_y = self._interporate(self.vc_x, self.vc_y)
|
||||||
|
|
||||||
|
def _interporate(self, x, y):
|
||||||
|
rx, ry = [], []
|
||||||
|
dtheta = 0.05
|
||||||
|
for i in range(len(x) - 1):
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||||||
|
rx.extend([(1.0 - θ) * x[i] + θ * x[i + 1]
|
||||||
|
for θ in np.arange(0.0, 1.0, dtheta)])
|
||||||
|
ry.extend([(1.0 - θ) * y[i] + θ * y[i + 1]
|
||||||
|
for θ in np.arange(0.0, 1.0, dtheta)])
|
||||||
|
|
||||||
|
rx.extend([(1.0 - θ) * x[len(x) - 1] + θ * x[1]
|
||||||
|
for θ in np.arange(0.0, 1.0, dtheta)])
|
||||||
|
ry.extend([(1.0 - θ) * y[len(y) - 1] + θ * y[1]
|
||||||
|
for θ in np.arange(0.0, 1.0, dtheta)])
|
||||||
|
|
||||||
|
return rx, ry
|
||||||
|
|
||||||
|
|
||||||
|
class LidarSimulator():
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||||||
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||||||
|
def __init__(self):
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||||||
|
self.range_noise = 0.01
|
||||||
|
|
||||||
|
def get_observation_points(self, vlist, angle_reso):
|
||||||
|
x, y, angle, r = [], [], [], []
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|
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||||||
|
# store all points
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|
for v in vlist:
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|
|
||||||
|
gx, gy = v.calc_global_contour()
|
||||||
|
|
||||||
|
for vx, vy in zip(gx, gy):
|
||||||
|
vangle = math.atan2(vy, vx)
|
||||||
|
vr = np.hypot(vx, vy) * random.uniform(1.0 - self.range_noise,
|
||||||
|
1.0 + self.range_noise)
|
||||||
|
|
||||||
|
x.append(vx)
|
||||||
|
y.append(vy)
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||||||
|
angle.append(vangle)
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|
r.append(vr)
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# ray casting filter
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rx, ry = self.ray_casting_filter(x, y, angle, r, angle_reso)
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return rx, ry
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|
def ray_casting_filter(self, xl, yl, thetal, rangel, angle_reso):
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||||||
|
rx, ry = [], []
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|
rangedb = [float("inf") for _ in range(
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|
int(np.floor((np.pi * 2.0) / angle_reso)) + 1)]
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|
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||||||
|
for i in range(len(thetal)):
|
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|
angleid = int(round(thetal[i] / angle_reso))
|
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if rangedb[angleid] > rangel[i]:
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|
rangedb[angleid] = rangel[i]
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||||||
|
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||||||
|
for i in range(len(rangedb)):
|
||||||
|
t = i * angle_reso
|
||||||
|
if rangedb[i] != float("inf"):
|
||||||
|
rx.append(rangedb[i] * np.cos(t))
|
||||||
|
ry.append(rangedb[i] * np.sin(t))
|
||||||
|
|
||||||
|
return rx, ry
|
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|
def main():
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print("start!!")
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|
print("done!!")
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|
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||||||
|
|
||||||
|
if __name__ == '__main__':
|
||||||
|
main()
|
||||||
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