incl/rrts.hh

   1 /*
   2  * SPDX-FileCopyrightText: 2021 Jiri Vlasak <jiri.vlasak.2@cvut.cz>
   3  *
   4  * SPDX-License-Identifier: GPL-3.0-only
   5  */
   6
   7 /*! \brief RRT* structure and default procedures.
   8  *
   9  * \file
  10  */
  11 #ifndef RRTS_RRTS_H
  12 #define RRTS_RRTS_H
  13
  14 #include <chrono>
  15 #include <functional>
  16 #include <json/json.h>
  17 #include <random>
  18 #include <vector>
  19 #include "bcar.hh"
  20
  21 namespace rrts {
  22 using namespace bcar;
  23
  24 /*! Compute elapsed time class. */
  25 class Ter {
  26 private:
  27         std::chrono::high_resolution_clock::time_point tstart_;
  28 public:
  29         void start();
  30         double scnt() const;
  31 };
  32
  33 /*! Store RRT node. */
  34 class RRTNode : public virtual Pose, public virtual CarMove {
  35 private:
  36         double c_ = 0.0;
  37         double cc_ = 0.0;
  38         RRTNode* p_ = nullptr;
  39         unsigned int cusp_ = 0;
  40 public:
  41         /*! Get cost to parent. */
  42         double c() const;
  43
  44         /*! Set cost to parent. */
  45         void c(double c);
  46
  47         /*! Get cumulative cost from root. */
  48         double cc() const;
  49
  50         /*! Get parent node. */
  51         RRTNode* p() const;
  52
  53         /*! Set parent node. */
  54         void p(RRTNode& p);
  55
  56         /*! Get number of backward-forward direction changes. */
  57         unsigned int cusp() const;
  58
  59         /*! Set number of backward-forward direction changes. */
  60         void cusp(RRTNode const& p);
  61
  62         bool operator==(RRTNode const& n);
  63 };
  64
  65 class RRTGoal : public virtual RRTNode, public virtual PoseRange {
  66 public:
  67         using PoseRange::PoseRange;
  68 };
  69
  70 /*! RRT* algorithm basic class. */
  71 class RRTS {
  72 protected:
  73         BicycleCar bc_;
  74         RRTGoal goal_;
  75         unsigned int icnt_ = 0;
  76         unsigned int _imax = 1000;
  77         Ter ter_;
  78         std::default_random_engine gen_;
  79         std::vector<RRTNode> nodes_;
  80         std::vector<RRTNode> steered_;
  81         std::vector<RRTNode*> path_;
  82         RRTNode* nn_ = nullptr;
  83         std::vector<RRTNode*> nv_;
  84         double cost_ = 0.0;
  85         double eta_ = 0.5;
  86         double time_ = 0.0;
  87         double last_goal_cc_ = 0.0;
  88         std::vector<RRTNode> last_path_;
  89         void recompute_cc(RRTNode* g);
  90         void recompute_path_cc();
  91         double min_gamma_eta() const;
  92         bool should_continue() const;
  93         void join_steered(RRTNode* f);
  94         RRTNode& nn();
  95         bool connect();
  96         void rewire();
  97         bool goal_drivable_from(RRTNode const& f);
  98         virtual void store(RRTNode n);
  99         virtual double cost_build(RRTNode const& f, RRTNode const& t) const;
 100         virtual double cost_search(RRTNode const& f, RRTNode const& t) const;
 101         virtual void find_nn(RRTNode const& t);
 102         virtual void find_nv(RRTNode const& t);
 103         virtual void compute_path();
 104         virtual void steer(RRTNode const& f, RRTNode const& t) = 0;
 105         virtual bool collide_steered() = 0;
 106         virtual RRTNode sample() = 0;
 107         virtual bool should_finish() const = 0;
 108 public:
 109         RRTS();
 110
 111         /*! Get iterations counter. */
 112         unsigned int icnt() const;
 113
 114         /*! Set iterations counter. */
 115         void icnt(unsigned int i);
 116
 117         /*! Return elapsed time. */
 118         double scnt() const;
 119
 120         /*! Generate JSON output. */
 121         Json::Value json() const;
 122
 123         /*! Load JSON input. */
 124         void json(Json::Value jvi);
 125
 126         /*! Run next RRT* iteration. */
 127         virtual bool next();
 128
 129         /*! Reset the algorithm. */
 130         virtual void reset();
 131 };
 132
 133 } // namespace rrts
 134 #endif /* RRTS_RRTS_H */