]> rtime.felk.cvut.cz Git - hubacji1/bcar.git/blobdiff - incl/bcar.hh
Add reflection method
[hubacji1/bcar.git] / incl / bcar.hh
index cecfe7e6ae864d6e1af9e0ce0ab1829bd09cc202..095c2213ed73bc6198c0fc1f151693765bfc604a 100644 (file)
 /*! \file */
-#ifndef BCAR_H
-#define BCAR_H
+#ifndef BCAR_BCAR_H
+#define BCAR_BCAR_H
 
-#include <cmath>
 #include <ostream>
-#include <tuple>
 #include <vector>
 
-/*! \brief Bicycle car basic class.
-
-This class contains some geometrical computations of bicycle car.
-
-\param x Horizontal coordinate of rear axle center.
-\param y Vertical coordinate of rear axle center.
-\param h Heading of the car in the interval [-pi,+pi] radians.
-\param mtr Minimum turning radius.
-\param wb Wheelbase.
-\param w The width of the car.
-\param l The length of the car.
-\param he The height of the car.
-\param sd The safety distance.
-\param df Distance from rear axle center to the front of the car.
-\param dr Distance from rear axle center to the back of the car.
-\param sp Speed of the car.
-\param st Steering of the car.
-*/
-class BicycleCar {
+namespace bcar {
+
+template <typename T> int sgn(T val) {
+       return (T(0) < val) - (val < T(0));
+}
+
+class Line;
+
+class Point {
 private:
-       // coordinates
-       double x_ = 0;
-       double y_ = 0;
-       double h_ = 0;
-       // kinematic constraints
-       double ctc_ = 10.820; // curb-to-curb
-       // FIXME is not mtr; curb-to-curb is 10.820
-       double mtr_ = 10.820;
-       double wb_ = 2.450;
-       // dimensions
-       double w_ = 1.625;
-       double l_ = 3.760;
-       double he_ = 1.450;
-       double sd_ = 0;
-       double df_ = 3.105;
-       double dr_ = 0.655;
-       // moving
-       double sp_ = 0;
-       double st_ = 0;
+       double x_ = 0.0;
+       double y_ = 0.0;
 public:
-       // kinematic constraints
-       /*! \brief Return `false` if `bc` is not achievable.
+       Point();
+       Point(double x, double y);
+
+       /*! Get horizontal coordinate. */
+       double x() const;
+
+       /*! Set horizontal coordinate. */
+       void x(double x);
+
+       /*! Get vertical coordinate. */
+       double y() const;
+
+       /*! Set vertical coordinate. */
+       void y(double y);
 
-       When `false` is returned the `bc` may still be drivable,
-       because only "line segment - circle arc - line segment"
-       paths are considered in ``drivable`` method.
+       /*! \brief Return the smallest angle between three points.
 
-       \param[in] bc The bicycle car to achieve.
+       \see https://math.stackexchange.com/questions/361412/finding-the-angle-between-three-points
        */
-       bool drivable(const BicycleCar &bc) const;
-       bool drivable(const BicycleCar &bc, double b, double e) const;
-       /*! \brief Return inner radius.
+       double min_angle_between(Point const& p1, Point const& p2) const;
+
+       /*! \brief Return `true` if `this` point is inside of polygon `poly`.
+        *
+        * The polygon is given by the vector of `Point`s.
+        *
+        * \see https://en.wikipedia.org/wiki/Even%E2%80%93odd_rule
+        *
+        * \param poly Polygon to consider.
+        */
+       bool inside_of(std::vector<Point> const& poly) const;
+
+       /*! \brief Return `true` if on the right side of the plane.
+        *
+        * The plane is given by the line `li`, where `li->b()` is the base
+        * point and the direction is given by `li->e() - li->b()`.
+        *
+        * \param li The plane to consider is given by `li`.
+        */
+       bool on_right_side_of(Line const& li) const;
+
+       /*! \brief Rotate self around the point.
 
-       The inner radius is the distance from minimum turning
-       radius circle center to the nearest point on the car. In
-       this case, the nearest points on the car are rear axle
-       endpoints.
+       \param c Rotation center `Point`.
+       \param angl Angle of rotation.
        */
+       void rotate(Point const& c, double const angl);
+
+       /*! \brief Compute reflection of `this` around the `Line`.
+        *
+        * \param li The plane to reflect around is given by `li`.
+        */
+       void reflect(Line const& li);
+
+       /*! Return Euclidean distance to `p`. */
+       double edist(Point const& p) const;
+
+       friend std::ostream& operator<<(std::ostream& out, Point const& p);
+};
+
+class Line {
+private:
+       Point b_;
+       Point e_;
+       Point i1_;
+       Point i2_;
+public:
+       Line(Point const& fp, Point const& lp);
+
+       /*! Get beginning point. */
+       Point b() const&;
+
+       /*! Get end point. */
+       Point e() const&;
+
+       /*! Get intersection point. */
+       Point i1() const&;
+
+       /*! Get intersection point. */
+       Point i2() const&;
+
+       /*! \brief Return if `this` line intersects with line `li`.
+        *
+        * If the method returns `true`, the intersection `Point` is available
+        * in `this->i1()`.
+        *
+        * \see https://en.wikipedia.org/wiki/Line%E2%80%93line_intersection
+        *
+        * \param li The line to check the intersection with.
+        */
+       bool intersects_with(Line const& li);
+
+       /*! \brief Return intersections of `this` (infinite) line and circle.
+        *
+        * If the method returns `true`, the intersection `Point`s are available
+        * in `this->i1()` and `this->i2()`.
+        *
+        * \see https://mathworld.wolfram.com/Circle-LineIntersection.html
+        *
+        * \param c Circle center.
+        * \param r Circle radius.
+        */
+       bool intersects_with(Point const& c, double const r);
+
+       double len() const;
+
+       double h() const;
+
+       friend std::ostream& operator<<(std::ostream& out, Line const& li);
+};
+
+/*! Store coordinates `x`, `y`, and heading `h`. */
+class Pose : public virtual Point {
+private:
+       double h_ = 0.0;
+public:
+       using Point::Point;
+       Pose(double x, double y, double h);
+
+       /*! Get heading in the interval [-pi, +pi] radians. */
+       double h() const;
+
+       /*! Set heading in radians. It's recomputed to [-pi, +pi]. */
+       void h(double h);
+
+       /*! Set pose (`x`, `y`, and `h`.) */
+       void set_pose(Pose const& p);
+
+       void rotate(Point const& c, double const angl);
+
+       void reflect(Line const& li);
+
+       friend std::ostream& operator<<(std::ostream& out, Pose const& p);
+};
+
+class PoseRange : public virtual Pose {
+private:
+       double e_ = 0.0;
+       using Pose::h;
+public:
+       /*! Get heading's begin in the interval [-pi, +pi] radians. */
+       double b() const;
+
+       /*! Set heading's begin in radians. It's recomputed to [-pi, +pi]. */
+       void b(double b);
+
+       /*! Get heading's end in the interval [-pi, +pi] radians. */
+       double e() const;
+
+       /*! Set heading's end in radians. It's recomputed to [-pi, +pi]. */
+       void e(double e);
+
+       void rotate(Point const& c, double const angl);
+
+       void reflect(Line const& li);
+
+       friend std::ostream& operator<<(std::ostream& out, PoseRange const& p);
+};
+
+/*! \brief Store car size.
+ *
+ * - Default is https://en.wikipedia.org/wiki/Fiat_Punto
+ */
+class CarSize {
+private:
+       double curb_to_curb_ = 10.820;
+       double width_ = 1.625;
+       double wheelbase_ = 2.450;
+       double distance_to_front_ = 3.105;
+       double length_ = 3.760;
+public:
+       /*! Get curb-to-curb distance. */
+       double ctc() const;
+
+       /*! Set curb-to-curb distance. */
+       void ctc(double ctc);
+
+       /*! Get wheelbase. */
+       double wb() const;
+
+       /*! Set wheelbase. */
+       void wb(double wb);
+
+       /*! Get width. */
+       double w() const;
+
+       /*! Set width. */
+       void w(double w);
+
+       /*! Get length. */
+       double len() const;
+
+       /*! Set length. */
+       void len(double len);
+
+       /*! Get distance from rear axle to front. */
+       double df() const;
+
+       /*! Set distance from rear axle to front. */
+       void df(double df);
+
+       /*! Get distance from rear axle to rear. */
+       double dr() const;
+
+       /*! \brief Get minimum turning radius.
+        *
+        * Please, note that the method returns really _minimum turning radius_,
+        * which is the distance from the rear axle center to the center of
+        * left or right rotation given by the kinematics constrants, i.e.
+        * _wheelbase_ and _curb-to-curb_ distance.
+        *
+        * Sometimes _minimum turning radius_ is not radius, not minimum, or not
+        * turning. In this method, _minimum turning radius_ is minimum turning
+        * radius.
+        */
+       double mtr() const;
+
+       /*! \brief Return inner radius.
+        *
+        * The inner radius is the distance from minimum turning radius circle
+        * center to the nearest point on the car. In this case, the nearest
+        * points on the car are rear axle endpoints.
+        */
        double iradi() const;
-       /*! \brief Return outer front radius.
 
-       The outer front radius is the distance from minimum
-       turning radius circle center to the farthest point on
-       the front (from the rear axle view) part of the car.
-       */
+       /*! \brief Return outer front radius.
+        *
+        * The outer front radius is the distance from minimum turning radius
+        * circle center to the farthest point on the front (from the rear axle
+        * view) part of the car.
+        */
        double ofradi() const;
-       /*! \brief Return outer rear radius.
 
-       The outer rear radius is the distance from minimum
-       turning radius circle center to the farthest point on
-       the rear (from the rear axle view) part of the car.
-       */
+       /*! \brief Return outer rear radius.
+        *
+        * The outer rear radius is the distance from minimum turning radius
+        * circle center to the farthest point on the rear (from the rear axle
+        * view) part of the car.
+        */
        double orradi() const;
-       /*! \brief Return length of perfect parking slot.
 
-       The width of the slot is the same as the width of the
-       car.
-       */
+       /*! \brief Return length of perfect parking slot.
+        *
+        * The width of the slot is the same as the width of the car.
+        *
+        * \see Simon R. Blackburn *The Geometry of Perfect Parking*
+        * \see https://www.ma.rhul.ac.uk/SRBparking
+        */
        double perfect_parking_slot_len() const;
-       /*! \brief Set maximum steering angle.
-       */
+};
+
+/*! Store car motion. */
+class CarMove {
+private:
+       double speed_ = 0.0;
+       double steer_ = 0.0;
+public:
+       /*! Get speed. */
+       double sp() const;
+
+       /*! Set speed. */
+       void sp(double sp);
+
+       /*! Get steer. */
+       double st() const;
+
+       /*! Set steer. */
+       void st(double st);
+};
+
+/*! \brief Geometrical computations of a bicycle car.
+ *
+ * - `x()` and `y()` methods returns coordinates of rear axle center.
+ */
+class BicycleCar : public virtual Pose, public virtual CarSize,
+               public virtual CarMove {
+private:
+public:
+       /*! \brief Return `true` if `this` can drive to `p` trivially.
+        *
+        * Trivially means that `this` can drive to `p` by line segment - circle
+        * arc - line segment.
+        *
+        * \param p `PoseRange` (resp. `Pose`) to achieve.
+        */
+       bool drivable(PoseRange const& p) const;
+       bool drivable(Pose const& p) const;
+
+       /*! Set maximum steering angle. */
        void set_max_steer();
 
-       // car frame
-       double lfx() const; double lfy() const;
-       double lrx() const; double lry() const;
-       double rrx() const; double rry() const;
-       double rfx() const; double rfy() const;
+       /*! Get frame's left front x coordinate. */
+       double lfx() const;
 
-       double ralx() const; double raly() const;
-       double rarx() const; double rary() const;
+       /*! Get frame's left front y coordinate. */
+       double lfy() const;
 
-       /*! \brief Min. turning radius circle center on left.
+       /*! Get frame's left rear x coordinate. */
+       double lrx() const;
 
-       Important are coordinates `x` and `y`. The heading `h`
-       is set as the heading of `this->h()`.
-       */
-       BicycleCar ccl() const;
-       /*! \brief Min. turning radius circle center on rigth.
+       /*! Get frame's left rear y coordinate. */
+       double lry() const;
 
-       Important are coordinates `x` and `y`. The heading `h`
-       is set as the heading of `this->h()`.
-       */
-       BicycleCar ccr() const;
+       /*! Get frame's right rear x coordinate. */
+       double rrx() const;
 
-       // moving
-       /*! \brief Next car position based on `sp` and `st`.
+       /*! Get frame's right rear y coordinate. */
+       double rry() const;
 
-       Where `sp` is speed and `st` is steering of the car.
-       */
-       void next();
-       /*! \brief Rotate self around the point.
+       /*! Get frame's right front x coordinate. */
+       double rfx() const;
 
-       \param cx Horizontal coordinate of rotation center.
-       \param cy Vertical coordinate of rotation center.
-       \param angl Angle of rotation.
-       */
-       void rotate(double cx, double cy, double angl);
-
-       // getters, setters
-       double x() const { return this->x_; }
-       void x(double x) { this->x_ = x; }
-
-       double y() const { return this->y_; }
-       void y(double y) { this->y_ = y; }
-
-       double h() const { return this->h_; }
-       void h(double h)
-       {
-               while (h < -M_PI)
-                       h += 2 * M_PI;
-               while (h > +M_PI)
-                       h -= 2 * M_PI;
-               this->h_ = h;
-       }
-
-       double ctc() const { return this->ctc_; }
-       void ctc(double ctc) { this->ctc_ = ctc; }
-
-       double mtr() const { return this->mtr_; }
-       void mtr(double mtr) { this->mtr_ = mtr; }
-
-       double wb() const { return this->wb_; }
-       void wb(double wb) { this->wb_ = wb; }
-
-       double w() const { return this->w_; }
-       void w(double w) { this->w_ = w; }
-
-       double l() const { return this->l_; }
-       void l(double l) { this->l_ = l; }
-
-       double he() const { return this->he_; }
-       void he(double he) { this->he_ = he; }
-
-       double sd() const { return this->sd_; }
-       void sd(double sd) { this->sd_ = sd; }
-
-       double df() const { return this->df_; }
-       void df(double df) { this->df_ = df; }
-
-       double dr() const { return this->dr_; }
-       void dr(double dr) { this->dr_ = dr; }
-
-       double sp() const { return this->sp_; }
-       void sp(double sp) { this->sp_ = sp; }
-
-       double st() const { return this->st_; }
-       void st(double st) { this->st_ = st; }
-
-       BicycleCar();
-       friend std::ostream &operator<<(
-               std::ostream &out,
-               const BicycleCar &bc
-       )
-       {
-               out << "[" << bc.x();
-               out << "," << bc.y();
-               out << "," << bc.h();
-               out << "]";
-               return out;
-       }
+       /*! Get frame's right front y coordinate. */
+       double rfy() const;
+
+       /*! Get frame's left front point. */
+       Point lf() const;
+
+       /*! Get frame's left rear point. */
+       Point lr() const;
+
+       /*! Get frame's right rear point. */
+       Point rr() const;
+
+       /*! Get frame's right front point. */
+       Point rf() const;
+
+       /*! Get frame's left side. */
+       Line left() const;
+
+       /*! Get frame's rear side. */
+       Line rear() const;
+
+       /*! Get frame's right side. */
+       Line right() const;
+
+       /*! Get frame's front side. */
+       Line front() const;
+
+       /*! Get rear axle's left x coordinate. */
+       double ralx() const;
+
+       /*! Get rear axle's left y coordinate. */
+       double raly() const;
+
+       /*! Get rear axle's right x coordinate. */
+       double rarx() const;
+
+       /*! Get rear axle's right y coordinate. */
+       double rary() const;
+
+       /*! Min. turning radius circle center on left. */
+       Point ccl() const;
+
+       /*! Min. turning radius circle center on rigth. */
+       Point ccr() const;
+
+       /*! Next car position based on speed `sp` and steer `st`. */
+       void next();
 };
 
-/*! \brief Does two polygons collide?
-
-Return the tuple `std::tuple<bool, int, int>`, where the first value is
-`true` when there is an intersection of some segments of the polygons
-`p1` and `p2` and `false` otherwise. The second and third parameters in
-the return tuple are indexes of the first collision, where index starts
-at 0.
-
-\param p1 The first polygon to check against collision.
-\param p2 The second polygon to check against collision.
-*/
-std::tuple<bool, unsigned int, unsigned int>
-collide(
-       std::vector<std::tuple<double, double>> &p1,
-       std::vector<std::tuple<double, double>> &p2
-);
-
-/*! \brief Is `x, y` coordinate in polygon `poly`?
-
-Return `true` if `x, y` coordinate is inside of polygon `poly`.
-
-\see https://en.wikipedia.org/wiki/Even%E2%80%93odd_rule
-
-\param x Horizontal coordinate.
-\param y Vertical coordinate.
-\param poly The vector of coordinates.
-*/
-bool
-inside(double x, double y, std::vector<std::tuple<double, double>> &poly);
-
-/*! \brief Return intersection of two line segments.
-
-The output is tuple `std::tuple<bool, double, double>`, where the first
-value is true when there is an intersection and false otherwise. The
-second and third parameters in the return tuple are coordinates of the
-intersection.
-
-\see https://en.wikipedia.org/wiki/Line%E2%80%93line_intersection
-
-\param x1 First line segment first `x` coordinate.
-\param y1 First line segment first `y` coordinate.
-\param x2 First line segment second `x` coordinate.
-\param y2 First line segment second `y` coordinate.
-\param x3 Second line segment first `x` coordinate.
-\param y3 Second line segment first `y` coordinate.
-\param x4 Second line segment second `x` coordinate.
-\param y4 Second line segment second `y` coordinate.
-*/
-std::tuple<bool, double, double>
-intersect(
-       double x1, double y1,
-       double x2, double y2,
-       double x3, double y3,
-       double x4, double y4
-);
-
-/*! \brief Return intersections of (infinite) line and circle.
-
-The output is tuple `std::tuble<bool, double, double, double, double>`, where
-the first value is true when there is an intersection and false otherwise. The
-second and third parameters in the return tuple are coordinates of the first
-intersection. The fourth and fifth parameters in the return tuple are
-coordinates of the second intersection.
-
-\see https://mathworld.wolfram.com/Circle-LineIntersection.html
-
-\param cx Circle center `x` coordinate.
-\param cy Circle center `y` coordinate.
-\param r Circle radius.
-\param x1 Line segment first `x` coordinate.
-\param y1 Line segment first `y` coordinate.
-\param x2 Line segment second `x` coordinate.
-\param y2 Line segment second `y` coordinate.
-*/
-std::tuple<bool, double, double, double, double>
-intersect(
-       double cx, double cy, double r,
-       double x1, double y1,
-       double x2, double y2
-);
-
-/*! \brief Return the smallest angle between three points.
-
-\see https://math.stackexchange.com/questions/361412/finding-the-angle-between-three-points
-
-\param x1
-\param y1
-\param x2
-\param y2
-\param x3
-\param y3
-*/
-double
-angle_between_three_points(
-       double x1, double y1,
-       double x2, double y2,
-       double x3, double y3
-);
-
-/*! \brief Return if point is on the right side of plane.
-
-\param x1 Line first `x` coordinate.
-\param y1 Line first `y` coordinate.
-\param x2 Line second `x` coordinate.
-\param y2 Line second `y` coordinate.
-\param x3 Point to decide `x` coordinate.
-\param y3 Point to decide `y` coordinate.
-*/
-bool
-right_side_of_line(
-       double x1, double y1,
-       double x2, double y2,
-       double x3, double y3
-);
-
-#endif /* BCAR_H */
+} // namespace bcar
+#endif /* BCAR_BCAR_H */