张世豪
3 天以前 0930bed760105b81e2e5055801bec6d6e8d57358
src/lujing/AoxinglujingNoObstacle.java
@@ -1,331 +1,240 @@
package lujing;
import java.util.ArrayList;
import java.util.Collections;
import java.util.List;
/**
 * 无障碍物凸形草地路径规划类 (优化版)
 * 凸形草地路径规划 (围边优化版)
 * 优化重点:围边坐标对齐扫描起点、全路径连贯性
 */
public class AoxinglujingNoObstacle {
    // 优化:引入极小值用于浮点数比较,处理几何精度误差
    private static final double EPSILON = 1e-6;
    /**
     * 路径段类
     */
    public static class PathSegment {
        public Point start;
        public Point end;
        public boolean isMowing; // true为割草工作段,false为过渡段
        public PathSegment(Point start, Point end, boolean isMowing) {
            this.start = start;
            this.end = end;
            this.isMowing = isMowing;
        }
        @Override
        public String toString() {
            return String.format("[%s -> %s, isMowing=%b]", start, end, isMowing);
        }
    }
    /**
     * 坐标点类
     */
    public static class Point {
        double x, y;
        public Point(double x, double y) {
            this.x = x;
            this.y = y;
        }
        public double x, y;
        public Point(double x, double y) { this.x = x; this.y = y; }
        @Override
        public String toString() {
            return String.format("(%.4f, %.4f)", x, y);
        public String toString() { return String.format("%.6f,%.6f", x, y); }
    }
    public static class PathSegment {
        public Point start, end;
        public boolean isMowing;
        public PathSegment(Point start, Point end, boolean isMowing) {
            this.start = start; this.end = end; this.isMowing = isMowing;
        }
    }
    /**
     * 对外公开的静态调用方法 (保留字符串入参格式)
     *
     * @param boundaryCoordsStr 地块边界坐标字符串 "x1,y1;x2,y2;..."
     * @param mowingWidthStr    割草宽度字符串,如 "0.34"
     * @param safetyMarginStr   安全边距字符串,如 "0.2"
     * @return 路径段列表
     * 对外主接口
     */
    public static List<PathSegment> planPath(String boundaryCoordsStr, String mowingWidthStr, String safetyMarginStr) {
        // 1. 解析参数 (优化:单独提取解析逻辑)
        List<Point> originalPolygon = parseCoords(boundaryCoordsStr);
        double mowingWidth;
        double safetyMargin;
        double width = Double.parseDouble(mowingWidthStr);
        double margin = Double.parseDouble(safetyMarginStr);
        try {
            mowingWidth = Double.parseDouble(mowingWidthStr);
            safetyMargin = Double.parseDouble(safetyMarginStr);
        } catch (NumberFormatException e) {
            throw new IllegalArgumentException("割草宽度或安全边距格式错误");
        return planPathCore(originalPolygon, width, margin);
    }
    private static List<PathSegment> planPathCore(List<Point> originalPolygon, double width, double margin) {
        if (originalPolygon.size() < 3) return new ArrayList<>();
        // 1. 确保逆时针并进行安全内缩
        ensureCCW(originalPolygon);
        List<Point> workArea = shrinkPolygon(originalPolygon, margin);
        if (workArea.size() < 3) return new ArrayList<>();
        // 2. 预计算最优角度和填充路径的第一个点
        double bestAngle = findOptimalScanAngle(workArea);
        Point firstScanStart = getFirstScanStartPoint(workArea, bestAngle, width);
        // 3. 对齐围边起点:让围边的最后一个点刚好连接扫描填充的起点
        List<Point> alignedWorkArea = alignBoundaryToStart(workArea, firstScanStart);
        List<PathSegment> finalPath = new ArrayList<>();
        // 4. 【第一阶段】添加围边坐标路径
        for (int i = 0; i < alignedWorkArea.size(); i++) {
            Point p1 = alignedWorkArea.get(i);
            Point p2 = alignedWorkArea.get((i + 1) % alignedWorkArea.size());
            finalPath.add(new PathSegment(p1, p2, true));
        }
        // 2. 调用核心算法
        return planPathCore(originalPolygon, mowingWidth, safetyMargin);
        // 5. 【第二阶段】生成内部弓字形路径
        // 从围边闭合点(alignedWorkArea.get(0))开始连接
        Point currentPos = alignedWorkArea.get(0);
        List<PathSegment> zigZagLines = generateZigZagPath(workArea, bestAngle, width, currentPos);
        finalPath.addAll(zigZagLines);
        return finalPath;
    }
    /**
     * 核心算法逻辑 (强类型入参,便于测试和内部调用)
     * 寻找弓字形的第一条线的起点
     */
    private static List<PathSegment> planPathCore(List<Point> originalPolygon, double mowingWidth, double safetyMargin) {
        // 优化:三角形也是合法的凸多边形,限制改为小于3
        if (originalPolygon == null || originalPolygon.size() < 3) {
            throw new IllegalArgumentException("多边形坐标点不足3个,无法构成有效区域");
        }
        // 确保多边形是逆时针方向
        ensureCCW(originalPolygon);
        // 1. 根据安全边距内缩
        List<Point> shrunkPolygon = shrinkPolygon(originalPolygon, safetyMargin);
        // 优化:内缩后如果多边形失效(例如地块太窄,内缩后消失),直接返回空路径,避免后续报错
        if (shrunkPolygon.size() < 3) {
            // 这里可以记录日志:地块过小,无法满足安全距离作业
            return new ArrayList<>();
        }
        // 2. 计算最长边角度 (作为扫描方向)
        double angle = calculateLongestEdgeAngle(originalPolygon);
        // 3. & 4. 旋转扫描并剪裁
        List<PathSegment> mowingLines = generateClippedMowingLines(shrunkPolygon, angle, mowingWidth);
        // 5. 弓字形连接
        return connectPathSegments(mowingLines);
    }
    // ================= 核心算法辅助方法 =================
    private static List<Point> shrinkPolygon(List<Point> polygon, double margin) {
        List<Point> newPoints = new ArrayList<>();
        int n = polygon.size();
        for (int i = 0; i < n; i++) {
            Point p1 = polygon.get(i);
            Point p2 = polygon.get((i + 1) % n);
            Point p0 = polygon.get((i - 1 + n) % n);
            Line line1 = offsetLine(p1, p2, margin);
            Line line0 = offsetLine(p0, p1, margin);
            Point intersection = getIntersection(line0, line1);
            // 优化:增加非空判断,且如果交点异常远(尖角效应),实际工程中可能需要切角处理
            // 这里暂保留基础逻辑,但在凸多边形中通常没问题
            if (intersection != null) {
                newPoints.add(intersection);
            }
        }
        return newPoints;
    }
    private static double calculateLongestEdgeAngle(List<Point> polygon) {
        double maxDistSq = -1;
        double angle = 0;
        int n = polygon.size();
        for (int i = 0; i < n; i++) {
            Point p1 = polygon.get(i);
            Point p2 = polygon.get((i + 1) % n);
            double dx = p2.x - p1.x;
            double dy = p2.y - p1.y;
            double distSq = dx * dx + dy * dy;
            if (distSq > maxDistSq) {
                maxDistSq = distSq;
                angle = Math.atan2(dy, dx);
            }
        }
        return angle;
    }
    private static List<PathSegment> generateClippedMowingLines(List<Point> polygon, double angle, double width) {
        List<PathSegment> segments = new ArrayList<>();
        // 旋转至水平
        List<Point> rotatedPoly = rotatePolygon(polygon, -angle);
    private static Point getFirstScanStartPoint(List<Point> polygon, double angle, double width) {
        List<Point> rotated = rotatePolygon(polygon, -angle);
        double minY = Double.MAX_VALUE;
        double maxY = -Double.MAX_VALUE;
        for (Point p : rotatedPoly) {
            if (p.y < minY) minY = p.y;
            if (p.y > maxY) maxY = p.y;
        }
        for (Point p : rotated) minY = Math.min(minY, p.y);
        // 优化:起始扫描线增加一个微小的偏移量 EPSILON
        // 避免扫描线正好落在顶点上,导致交点判断逻辑出现二义性
        double currentY = minY + width / 2.0 + EPSILON;
        while (currentY < maxY) {
            List<Double> xIntersections = new ArrayList<>();
            int n = rotatedPoly.size();
            for (int i = 0; i < n; i++) {
                Point p1 = rotatedPoly.get(i);
                Point p2 = rotatedPoly.get((i + 1) % n);
                // 优化:忽略水平线段 (p1.y == p2.y),避免除零错误,水平线段不参与垂直扫描线求交
                if (Math.abs(p1.y - p2.y) < EPSILON) continue;
                // 判断线段是否跨越 currentY
                // 使用严格的不等式逻辑配合范围判断
                double minP = Math.min(p1.y, p2.y);
                double maxP = Math.max(p1.y, p2.y);
                if (currentY >= minP && currentY < maxP) {
                    // 线性插值求X
                    double x = p1.x + (currentY - p1.y) * (p2.x - p1.x) / (p2.y - p1.y);
                    xIntersections.add(x);
                }
            }
            Collections.sort(xIntersections);
            // 提取线段,通常是成对出现
            if (xIntersections.size() >= 2) {
                // 取最左和最右点连接(应对可能出现的微小计算误差导致的多个交点)
                double xStart = xIntersections.get(0);
                double xEnd = xIntersections.get(xIntersections.size() - 1);
                // 只有当线段长度大于极小值时才添加,避免生成噪点路径
                if (xEnd - xStart > EPSILON) {
                    Point rStart = rotatePoint(new Point(xStart, currentY), angle); // 这里的currentY实际上带了epsilon,还原时没问题
                    Point rEnd = rotatePoint(new Point(xEnd, currentY), angle);
                    segments.add(new PathSegment(rStart, rEnd, true));
                }
            }
            currentY += width;
        }
        return segments;
        double startY = minY + width + EPSILON;
        List<Double> xIntersections = getXIntersections(rotated, startY);
        if (xIntersections.isEmpty()) return polygon.get(0);
        Collections.sort(xIntersections);
        return rotatePoint(new Point(xIntersections.get(0), startY), angle);
    }
    private static List<PathSegment> connectPathSegments(List<PathSegment> lines) {
    /**
     * 重组多边形顶点,使得索引0的点最靠近填充起点
     */
    private static List<Point> alignBoundaryToStart(List<Point> polygon, Point target) {
        int bestIdx = 0;
        double minDist = Double.MAX_VALUE;
        for (int i = 0; i < polygon.size(); i++) {
            double d = Math.hypot(polygon.get(i).x - target.x, polygon.get(i).y - target.y);
            if (d < minDist) {
                minDist = d;
                bestIdx = i;
            }
        }
        List<Point> aligned = new ArrayList<>();
        for (int i = 0; i < polygon.size(); i++) {
            aligned.add(polygon.get((bestIdx + i) % polygon.size()));
        }
        return aligned;
    }
    private static List<PathSegment> generateZigZagPath(List<Point> polygon, double angle, double width, Point startPoint) {
        List<PathSegment> result = new ArrayList<>();
        if (lines.isEmpty()) return result;
        List<Point> rotated = rotatePolygon(polygon, -angle);
        for (int i = 0; i < lines.size(); i++) {
            PathSegment currentLine = lines.get(i);
            Point actualStart, actualEnd;
        double minY = Double.MAX_VALUE, maxY = -Double.MAX_VALUE;
        for (Point p : rotated) {
            minY = Math.min(minY, p.y);
            maxY = Math.max(maxY, p.y);
        }
            // 弓字形规划:偶数行正向,奇数行反向
            if (i % 2 == 0) {
                actualStart = currentLine.start;
                actualEnd = currentLine.end;
            } else {
                actualStart = currentLine.end;
                actualEnd = currentLine.start;
        Point currentPos = startPoint;
        boolean leftToRight = true;
        // 起点从 minY + width 开始,因为边缘已经围边割过
        for (double y = minY + width; y < maxY - width / 2; y += width) {
            List<Double> xInt = getXIntersections(rotated, y);
            if (xInt.size() < 2) continue;
            Collections.sort(xInt);
            double xStart = leftToRight ? xInt.get(0) : xInt.get(xInt.size() - 1);
            double xEnd = leftToRight ? xInt.get(xInt.size() - 1) : xInt.get(0);
            Point pS = rotatePoint(new Point(xStart, y), angle);
            Point pE = rotatePoint(new Point(xEnd, y), angle);
            // 添加过渡段 (如果是从围边切换过来或者换行)
            if (Math.hypot(currentPos.x - pS.x, currentPos.y - pS.y) > 0.05) {
                result.add(new PathSegment(currentPos, pS, false));
            }
            // 添加过渡段
            if (i > 0) {
                Point prevEnd = result.get(result.size() - 1).end;
                // 只有当距离确实存在时才添加过渡段(避免重合点)
                if (distanceSq(prevEnd, actualStart) > EPSILON) {
                    result.add(new PathSegment(prevEnd, actualStart, false));
                }
            }
            result.add(new PathSegment(actualStart, actualEnd, true));
            result.add(new PathSegment(pS, pE, true));
            currentPos = pE;
            leftToRight = !leftToRight;
        }
        return result;
    }
    // ================= 基础几何工具 (优化版) =================
    private static List<Point> parseCoords(String s) {
        List<Point> list = new ArrayList<>();
        if (s == null || s.trim().isEmpty()) return list;
        String[] parts = s.split(";");
        for (String part : parts) {
            String[] xy = part.split(",");
            if (xy.length >= 2) {
                try {
                    double x = Double.parseDouble(xy[0].trim());
                    double y = Double.parseDouble(xy[1].trim());
                    list.add(new Point(x, y));
                } catch (NumberFormatException e) {
                    // 忽略格式错误的单个点
                }
    private static List<Double> getXIntersections(List<Point> rotatedPoly, double y) {
        List<Double> xIntersections = new ArrayList<>();
        int n = rotatedPoly.size();
        for (int i = 0; i < n; i++) {
            Point p1 = rotatedPoly.get(i);
            Point p2 = rotatedPoly.get((i + 1) % n);
            if ((p1.y <= y && p2.y > y) || (p2.y <= y && p1.y > y)) {
                double x = p1.x + (y - p1.y) * (p2.x - p1.x) / (p2.y - p1.y);
                xIntersections.add(x);
            }
        }
        return list;
        return xIntersections;
    }
    // Shoelace公式判断方向并调整
    private static void ensureCCW(List<Point> polygon) {
        double sum = 0;
    // --- 几何基础工具 ---
    private static List<Point> shrinkPolygon(List<Point> polygon, double margin) {
        List<Point> result = new ArrayList<>();
        int n = polygon.size();
        for (int i = 0; i < n; i++) {
            Point pPrev = polygon.get((i - 1 + n) % n);
            Point pCurr = polygon.get(i);
            Point pNext = polygon.get((i + 1) % n);
            double d1x = pCurr.x - pPrev.x, d1y = pCurr.y - pPrev.y;
            double l1 = Math.hypot(d1x, d1y);
            double d2x = pNext.x - pCurr.x, d2y = pNext.y - pCurr.y;
            double l2 = Math.hypot(d2x, d2y);
            double n1x = -d1y / l1, n1y = d1x / l1;
            double n2x = -d2y / l2, n2y = d2x / l2;
            double bx = n1x + n2x, by = n1y + n2y;
            double bLen = Math.hypot(bx, by);
            if (bLen < EPSILON) { bx = n1x; by = n1y; }
            else { bx /= bLen; by /= bLen; }
            double cosHalf = n1x * bx + n1y * by;
            double d = margin / Math.max(cosHalf, 0.1);
            result.add(new Point(pCurr.x + bx * d, pCurr.y + by * d));
        }
        return result;
    }
    private static double findOptimalScanAngle(List<Point> polygon) {
        double minH = Double.MAX_VALUE;
        double bestA = 0;
        for (int i = 0; i < polygon.size(); i++) {
            Point p1 = polygon.get(i);
            Point p2 = polygon.get((i + 1) % polygon.size());
            sum += (p2.x - p1.x) * (p2.y + p1.y);
            Point p1 = polygon.get(i), p2 = polygon.get((i + 1) % polygon.size());
            double angle = Math.atan2(p2.y - p1.y, p2.x - p1.x);
            double h = calculatePolygonHeightAtAngle(polygon, angle);
            if (h < minH) { minH = h; bestA = angle; }
        }
        // 假设标准笛卡尔坐标系,sum > 0 为顺时针,需要反转为逆时针
        if (sum > 0) {
            Collections.reverse(polygon);
        return bestA;
    }
    private static double calculatePolygonHeightAtAngle(List<Point> poly, double angle) {
        double minY = Double.MAX_VALUE, maxY = -Double.MAX_VALUE;
        double sin = Math.sin(-angle), cos = Math.cos(-angle);
        for (Point p : poly) {
            double ry = p.x * sin + p.y * cos;
            minY = Math.min(minY, ry); maxY = Math.max(maxY, ry);
        }
    }
    private static class Line {
        double a, b, c;
        public Line(double a, double b, double c) { this.a = a; this.b = b; this.c = c; }
    }
    private static Line offsetLine(Point p1, Point p2, double dist) {
        double dx = p2.x - p1.x;
        double dy = p2.y - p1.y;
        double len = Math.sqrt(dx * dx + dy * dy);
        // 防止除以0
        if (len < EPSILON) return new Line(0, 0, 0);
        double nx = -dy / len;
        double ny = dx / len;
        double newX = p1.x + nx * dist;
        double newY = p1.y + ny * dist;
        double a = -dy;
        double b = dx;
        double c = -a * newX - b * newY;
        return new Line(a, b, c);
    }
    private static Point getIntersection(Line l1, Line l2) {
        double det = l1.a * l2.b - l2.a * l1.b;
        if (Math.abs(det) < EPSILON) return null; // 平行
        double x = (l1.b * l2.c - l2.b * l1.c) / det;
        double y = (l2.a * l1.c - l1.a * l2.c) / det;
        return new Point(x, y);
        return maxY - minY;
    }
    private static Point rotatePoint(Point p, double angle) {
        double cos = Math.cos(angle);
        double sin = Math.sin(angle);
        return new Point(p.x * cos - p.y * sin, p.x * sin + p.y * cos);
        double c = Math.cos(angle), s = Math.sin(angle);
        return new Point(p.x * c - p.y * s, p.x * s + p.y * c);
    }
    private static List<Point> rotatePolygon(List<Point> poly, double angle) {
        List<Point> res = new ArrayList<>();
        for (Point p : poly) {
            res.add(rotatePoint(p, angle));
        }
        for (Point p : poly) res.add(rotatePoint(p, angle));
        return res;
    }
    private static double distanceSq(Point p1, Point p2) {
        return (p1.x - p2.x) * (p1.x - p2.x) + (p1.y - p2.y) * (p1.y - p2.y);
    private static void ensureCCW(List<Point> poly) {
        double s = 0;
        for (int i = 0; i < poly.size(); i++) {
            Point p1 = poly.get(i), p2 = poly.get((i + 1) % poly.size());
            s += (p2.x - p1.x) * (p2.y + p1.y);
        }
        if (s > 0) Collections.reverse(poly);
    }
    private static List<Point> parseCoords(String s) {
        List<Point> list = new ArrayList<>();
        for (String p : s.split(";")) {
            String[] xy = p.split(",");
            if (xy.length >= 2) list.add(new Point(Double.parseDouble(xy[0]), Double.parseDouble(xy[1])));
        }
        return list;
    }
}