基于方向填充的A*算法：Python网格路径规划实战

学习文章要努力，但是不要急！今天的这篇文章《基于方向填充的A*算法：Python网格路径实战》将会介绍到等等知识点，如果你想深入学习文章，可以关注我！我会持续更新相关文章的，希望对大家都能有所帮助！

本教程详细介绍了如何在Python中实现一种基于方向填充的广度优先搜索（BFS）算法，以在非加权网格地图中查找从起点到终点的最短路径。文章将通过两个主要阶段——从起点向外填充方向标记和从终点回溯重建路径——逐步指导读者完成代码实现，并提供完整的Python示例，适用于处理包含墙壁和可通行区域的复杂地图。

引言

在游戏开发、机器人导航和物流规划等领域，路径查找是一个核心问题。A算法作为一种高效的路径查找算法，广泛应用于寻找最短路径。尽管本教程的标题提及A，但根据所提供的场景和解决方案，我们将实现一个更接近于广度优先搜索（BFS）的算法，它在非加权图（即所有边的成本相同）中同样能够找到最短路径。该方法通过在地图上标记方向，实现从起点到终点的路径规划。

理解网格地图与路径规划

我们的地图是一个二维网格，由嵌套列表表示。网格中的每个单元格（节点）都有一个值，代表其类型：

• 0: 墙壁（不可通行）
• 1: 空白空间（可通行）
• 2, 3, 4: 不同类型的障碍物（不可通行）
• *: 起点
• $$$: 终点

我们的目标是在这个地图上，从标记为*的起点出发，找到一条只经过空白空间（1）到达标记为$$$的终点的“最快”路径。由于节点是非加权的，这里的“最快”等同于“最短”路径，即经过最少步数的路径。

算法核心思想：基于方向填充的广度优先搜索

所采用的路径查找方法可以分为两个主要阶段：

阶段一：标记路径方向

从起点开始，我们使用广度优先搜索（BFS）的策略向外探索所有可通行的邻居节点。每当我们访问一个可通行的邻居节点时，我们会在该节点上标记一个“方向”符号，这个符号指向我们是从哪个方向到达当前节点的。例如，如果从上方到达，就标记一个向下箭头。这样，每个被标记的节点都“知道”如何返回到它的前一个节点，最终形成一个指向起点的方向链。当探索到终点时，第一阶段结束。

阶段二：回溯重建路径

一旦终点被找到并被标记，我们就可以从终点开始，沿着第一阶段填充的方向标记一步步回溯。每个方向标记都指引我们走向前一个节点，直到我们回到起点。回溯过程中经过的所有节点构成了从起点到终点的最短路径，我们可以在这些节点上用特殊符号（例如*）进行标记，以清晰地展示路径。

Python实现步骤

我们将定义一个函数，接受地图、起点和终点坐标作为输入，并返回一条路径。

1. 数据结构与初始化

首先，定义地图、起点、终点符号以及表示方向的符号。

import collections

# 示例地图（使用问题描述中的大地图）
# 为了避免修改原始地图，我们通常会创建一个副本
original_map = [
    [0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0],
    [0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0],
    [0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0],
    [0, 0, 0, 0, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 0, 0, 0, 0],
    [0, 0, 0, 0, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 0, 0, 0, 0],
    [0, 0, 0, 0, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 0, 0, 0, 0],
    [0, 0, 0, 0, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 0, 0, 0, 0],
    [0, 0, 0, 0, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 3, 3, 3, 3, 2, 2, 2, 2, 1, 1, 1, 1, 2, 2, 2, 2, 0, 0, 0, 0],
    [0, 0, 0, 0, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 3, 3, 3, 3, 2, 2, 2, 2, 1, 1, 1, 1, 2, 2, 2, 2, 0, 0, 0, 0],
    [0, 0, 0, 0, 1, 1, '*', 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, '$$$', 1, 1, 1, 1, 1, 3, 3, 3, 3, 2, 2, 2, 2, 1, 1, 1, 1, 2, 2, 2, 2, 0, 0, 0, 0],
    [0, 0, 0, 0, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 3, 3, 3, 3, 2, 2, 2, 2, 1, 1, 1, 1, 2, 2, 2, 2, 0, 0, 0, 0],
    [0, 0, 0, 0, 1, 1, 1, 1, 2, 2, 2, 2, 3, 3, 3, 3, 1, 1, 1, 1, 3, 3, 3, 3, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 0, 0, 0, 0],
    [0, 0, 0, 0, 1, 1, 1, 1, 2, 2, 2, 2, 3, 3, 3, 3, 1, 1, 1, 1, 3, 3, 3, 3, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 0, 0, 0, 0],
    [0, 0, 0, 0, 1, 1, 1, 1, 2, 2, 2, 2, 3, 3, 3, 3, 1, 1, 1, 1, 3, 3, 3, 3, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 0, 0, 0, 0],
    [0, 0, 0, 0, 1, 1, 1, 1, 2, 2, 2, 2, 3, 3, 3, 3, 1, 1, 1, 1, 3, 3, 3, 3, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 0, 0, 0, 0],
    [0, 0, 0, 0, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 2, 2, 2, 2, 1, 1, 1, 1, 0, 0, 0, 0],
    [0, 0, 0, 0, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 2, 2, 2, 2, 1, 1, 1, 1, 0, 0, 0, 0],
    [0, 0, 0, 0, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 2, 2, 2, 2, 1, 1, 1, 1, 0, 0, 0, 0],
    [0, 0, 0, 0, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 2, 2, 2, 2, 1, 1, 1, 1, 0, 0, 0, 0],
    [0, 0, 0, 0, 2, 2, 2, 2, 2, 2, 2, 2, 1, 1, 1, 1, 2, 2, 2, 2, 3, 3, 3, 3, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 0, 0, 0, 0],
    [0, 0, 0, 0, 2, 2, 2, 2, 2, 2, 2, 2, 1, 1, 1, 1, 2, 2, 2, 2, 3, 3, 3, 3, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 0, 0, 0, 0],
    [0, 0, 0, 0, 2, 2, 2, 2, 2, 2, 2, 2, 1, 1, 1, 1, 2, 2, 2, 2, 3, 3, 3, 3, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 0, 0, 0, 0],
    [0, 0, 0, 0, 2, 2, 2, 2, 2, 2, 2, 2, 1, 1, 1, 1, 2, 2, 2, 2, 3, 3, 3, 3, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 0, 0, 0, 0],
    [0, 0, 0, 0, 1, 1, 1, 1, 2, 2, 2, 2, 1, 1, 1, 1, 3, 3, 3, 3, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 2, 2, 2, 2, 0, 0, 0, 0],
    [0, 0, 0, 0,

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