Route Fragmentation Based on Resource-centric Prioritisation for Efficient Multi-Robot Path Planning in Agricultural Environments

TL;DR

通过资源优先的路径碎片化方法,提升农业环境中多机器人路径规划效率,达到95%的任务吞吐率。

cs.RO 🔴 高级 2026-03-13 1 次浏览
James R. Heselden Gautham P. Das
多机器人路径规划 农业机器人 资源优先 路径碎片化 吞吐率优化

核心发现

方法论

本文提出了两种基于优先级的碎片规划器(Fragment Planner, FP)变体,分别为空间感知和时空感知版本。它们通过路径碎片化技术,允许部分路径的执行,并减少二元等待的影响。这种方法在一个3.6公里的商业多隧道环境拓扑图上进行终身模拟评估,展示了其在资源优先的多机器人路径规划中的有效性。

关键结果

  • 碎片规划器在吞吐量方面相比优先规划(PP)和基于优先搜索(PBS)算法实现了显著提升,达到95%的最优任务吞吐率。
  • 在不同的机器人队列规模下,碎片规划器在任务吞吐量和路径优化效率上均表现出色,特别是在10个机器人的情况下,FP(时空感知)实现了超过95%的潜在吞吐量。
  • 实验结果显示,FP(时空感知)在路径优化效率(POEavg)上表现最佳,达到了1.08的平均值。

研究意义

该研究为农业环境中长时间部署的机器人提供了一种高效的路径规划方法。通过资源优先的路径碎片化技术,解决了传统方法在走廊主导的农业环境中面临的瓶颈问题,提高了系统的整体效率和任务完成率。这一方法不仅在学术界具有重要意义,也为农业自动化提供了新的工程可能性。

技术贡献

本文的技术贡献在于提出了一种资源优先的多机器人路径规划方法,区别于传统的代理优先方法。通过引入路径碎片化和资源优先级排序,显著提升了系统在高密度环境中的任务吞吐量和路径优化效率,并提供了新的理论保证和工程可能性。

新颖性

该研究首次在农业环境中引入了资源优先的路径碎片化方法,与现有的代理优先方法相比,提供了一种更为有效的解决方案,特别是在走廊主导的环境中。其核心创新在于通过碎片化技术实现了部分路径的执行,从而减少了等待时间。

局限性

  • 在某些情况下,碎片规划器可能会因为资源竞争过于激烈而导致路径规划失败,特别是在机器人数量过多时。
  • 该方法在非走廊主导的开放环境中的表现尚未得到充分验证。
  • 碎片化技术在复杂地形中的适用性和效率仍需进一步研究。

未来方向

未来的研究方向包括进一步优化碎片规划器在不同环境中的适用性,特别是在非走廊主导的开放环境中。此外,还需探索如何在更大规模的机器人队列中保持高效的路径规划和任务吞吐量。

AI 总览摘要

在农业环境中,机器人需要在狭窄的空间中进行长时间的导航和操作规划。然而,现有的多机器人路径规划方法通常从代理的角度解决冲突,而不是从资源的角度出发。这种代理优先的方法在面对高密度的空间争用时,往往无法有效地实现高吞吐量。

本文提出了两种基于优先级的碎片规划器(Fragment Planner, FP),分别为空间感知和时空感知版本。它们通过路径碎片化技术,允许部分路径的执行,并减少二元等待的影响。这种方法在一个3.6公里的商业多隧道环境拓扑图上进行终身模拟评估,展示了其在资源优先的多机器人路径规划中的有效性。

实验结果显示,碎片规划器在吞吐量方面相比优先规划(PP)和基于优先搜索(PBS)算法实现了显著提升,达到95%的最优任务吞吐率。在不同的机器人队列规模下,碎片规划器在任务吞吐量和路径优化效率上均表现出色,特别是在10个机器人的情况下,FP(时空感知)实现了超过95%的潜在吞吐量。

该研究为农业环境中长时间部署的机器人提供了一种高效的路径规划方法。通过资源优先的路径碎片化技术,解决了传统方法在走廊主导的农业环境中面临的瓶颈问题,提高了系统的整体效率和任务完成率。这一方法不仅在学术界具有重要意义,也为农业自动化提供了新的工程可能性。

然而,碎片规划器在某些情况下可能会因为资源竞争过于激烈而导致路径规划失败,特别是在机器人数量过多时。此外,该方法在非走廊主导的开放环境中的表现尚未得到充分验证。未来的研究方向包括进一步优化碎片规划器在不同环境中的适用性,特别是在非走廊主导的开放环境中。

深度分析

研究背景

多机器人路径规划(MRPP)在农业环境中的应用日益受到关注。传统的路径规划方法多集中于仓库或开放空间的导航,而农业环境由于其独特的空间布局和高密度的导航瓶颈,给MRPP带来了新的挑战。现有的代理优先方法在处理这些瓶颈时,往往依赖于全局的代理顺序,这在高密度环境中容易导致效率低下。为了提高效率和吞吐量,机器人需要能够共享其操作环境,并扩展到更大的队列规模。

核心问题

农业环境中的多机器人路径规划面临着高密度的空间争用问题,这限制了空间交错能力,进而影响了系统的吞吐量。现有的方法多从代理的角度解决冲突,而不是从资源的角度出发,这在走廊主导的环境中尤其不利。解决这些瓶颈是MRPP方法的核心挑战,特别是在队列规模扩大的情况下。

核心创新

本文的核心创新在于引入了资源优先的路径碎片化方法,具体包括:


  • �� 空间感知的碎片规划器:通过优先级排序解决资源争用问题,允许部分路径的执行。

  • �� 时空感知的碎片规划器:在空间感知的基础上,加入时间因素,进一步优化路径规划。

  • �� 碎片化技术:通过将路径分解为多个碎片,减少等待时间,提高任务吞吐量。

方法详解

方法详解:


  • �� 使用拓扑图表示环境:将环境表示为一个网络图,节点为潜在的交叉点,边为可通行的路径。

  • �� 碎片规划器的设计:
  • 空间感知版本:通过优先级排序解决资源争用问题。
  • 时空感知版本:在空间感知的基础上,加入时间因素。

  • �� 路径碎片化:将路径分解为多个碎片,允许部分路径的执行。

  • �� 资源优先级排序:根据资源争用情况动态调整优先级。

实验设计

实验设计:


  • �� 数据集:使用一个3.6公里的商业多隧道环境拓扑图进行模拟。

  • �� 基线算法:与优先规划(PP)和基于优先搜索(PBS)算法进行对比。

  • �� 评价指标:任务吞吐量和路径优化效率(POEavg)。

  • �� 超参数:机器人队列规模从5到10不等。

结果分析

结果分析:


  • �� 碎片规划器在吞吐量方面相比优先规划(PP)和基于优先搜索(PBS)算法实现了显著提升,达到95%的最优任务吞吐率。

  • �� FP(时空感知)在路径优化效率(POEavg)上表现最佳,达到了1.08的平均值。

  • �� 在不同的机器人队列规模下,碎片规划器在任务吞吐量和路径优化效率上均表现出色。

应用场景

应用场景:


  • �� 农业自动化:在走廊主导的农业环境中,提高机器人任务完成率和效率。

  • �� 物流仓储:在高密度的仓储环境中,优化多机器人路径规划。

  • �� 智能交通:在城市交通中,优化多车辆的路径规划和调度。

局限与展望

局限与展望:


  • �� 局限:碎片规划器在某些情况下可能会因为资源竞争过于激烈而导致路径规划失败。

  • �� 未来改进:进一步优化碎片规划器在不同环境中的适用性,特别是在非走廊主导的开放环境中。

  • �� 计算成本:碎片化技术在复杂地形中的适用性和效率仍需进一步研究。

通俗解读 非专业人士也能看懂

想象一下你在一个大型超市购物,超市里有很多狭窄的过道,每个过道上都有许多顾客推着购物车。传统的购物方式就像是每个顾客都有一个固定的购物顺序,他们必须按照这个顺序购物,即使这意味着在某个过道上等待其他顾客完成购物。而本文提出的方法就像是根据过道的拥堵情况动态调整购物顺序,让顾客可以在某些过道上先购物,然后再去其他过道。这种方法通过减少等待时间,提高了购物效率。

在这个过程中,顾客就像是机器人,过道就像是农业环境中的走廊。通过动态调整购物顺序(即路径碎片化),顾客可以更快地完成购物任务,而不需要在拥堵的过道上浪费时间。这种方法特别适用于那些过道狭窄且顾客较多的超市环境。

总之,本文的方法通过动态调整路径顺序,提高了多机器人系统在农业环境中的任务完成率和效率,就像是优化了超市购物的顺序,提高了购物效率一样。

简单解释 像给14岁少年讲一样

想象一下你和你的朋友们在一个巨大的迷宫里玩耍,每个人都有自己的路线要走。传统的方法就像是每个人都有一个固定的路线,即使前面有人挡住了路,也只能等着。而本文的方法就像是根据迷宫的情况,动态调整每个人的路线,这样即使前面有人挡住了路,也可以先走其他的路。

这就像是在玩一个策略游戏,你需要根据游戏的情况,动态调整你的策略,而不是一成不变地按照固定的策略去玩。这样你就可以更快地完成游戏任务,而不需要在某个地方浪费时间。

总之,本文的方法通过动态调整路线,提高了多机器人系统在农业环境中的任务完成率和效率,就像是优化了游戏策略,提高了游戏效率一样。

所以,下次你在玩游戏的时候,可以试着想象一下,如何根据游戏的情况,动态调整你的策略,这样你就可以更快地完成游戏任务!

术语表

多机器人路径规划 (MRPP)

多机器人路径规划是一种用于协调多个机器人在共享环境中导航的技术,旨在优化路径和任务完成率。

在本文中,MRPP用于解决农业环境中的路径规划问题。

碎片规划器 (Fragment Planner)

碎片规划器是一种基于优先级的路径规划方法,通过路径碎片化技术,允许部分路径的执行,并减少二元等待的影响。

本文提出了两种碎片规划器变体,用于提高农业环境中的任务吞吐量。

资源优先级排序

资源优先级排序是一种根据资源争用情况动态调整优先级的方法,旨在优化路径规划和任务完成率。

在本文中,资源优先级排序用于解决农业环境中的资源争用问题。

路径碎片化

路径碎片化是一种将路径分解为多个碎片的方法,允许部分路径的执行,从而减少等待时间。

本文通过路径碎片化技术,提高了多机器人系统的任务吞吐量。

任务吞吐量

任务吞吐量是指在一定时间内系统完成的任务数量,是衡量系统效率的重要指标。

本文通过提高任务吞吐量,验证了碎片规划器的有效性。

路径优化效率 (POEavg)

路径优化效率是指实际执行路径与最优路径的比值,用于衡量路径规划的效率。

本文通过POEavg指标,评估了不同路径规划方法的效率。

优先规划 (PP)

优先规划是一种基于全局代理顺序的路径规划方法,通过固定的机器人顺序来避免规划阶段的冲突。

本文将优先规划作为基线算法,与碎片规划器进行对比。

基于优先搜索 (PBS)

基于优先搜索是一种在空间-时间扩展的争用中动态构建部分顺序的路径规划方法。

本文将PBS作为基线算法,与碎片规划器进行对比。

走廊主导环境

走廊主导环境是一种具有狭窄通道和高密度瓶颈的环境,限制了空间交错能力。

本文在走廊主导的农业环境中验证了碎片规划器的有效性。

拓扑图

拓扑图是一种用于表示环境的网络图,节点为潜在的交叉点,边为可通行的路径。

本文使用拓扑图表示农业环境,以优化路径规划。

开放问题 这项研究留下的未解疑问

  • 1 碎片规划器在非走廊主导的开放环境中的适用性尚未得到充分验证。这些环境中的空间争用模式可能与走廊主导环境不同,可能需要不同的优化策略。
  • 2 在复杂地形中的路径碎片化技术的适用性和效率仍需进一步研究。这些地形可能会对碎片化过程产生影响,导致路径规划失败。
  • 3 如何在更大规模的机器人队列中保持高效的路径规划和任务吞吐量仍是一个开放问题。随着机器人数量的增加,资源争用可能会变得更加激烈。
  • 4 碎片规划器在资源竞争过于激烈的情况下可能会导致路径规划失败,特别是在机器人数量过多时。这需要进一步研究如何优化资源优先级排序。
  • 5 在不同环境中的碎片规划器的性能差异尚未得到充分研究。不同的环境可能需要不同的优化策略,以提高任务吞吐量和路径优化效率。

应用场景

近期应用

农业自动化

在走廊主导的农业环境中,提高机器人任务完成率和效率,减少等待时间,提高农业生产效率。

物流仓储

在高密度的仓储环境中,优化多机器人路径规划,提高货物搬运效率,减少仓储成本。

智能交通

在城市交通中,优化多车辆的路径规划和调度,减少交通拥堵,提高交通效率。

远期愿景

农业全自动化

实现农业生产的全自动化,提高生产效率,减少人力成本,推动农业现代化发展。

智能城市

通过优化城市交通和物流,提高城市运行效率,减少资源浪费,推动智能城市建设。

原文摘要

Agricultural environments present high proportions of spatially dense navigation bottlenecks for long-term navigation and operational planning of agricultural mobile robots. The existing agent-centric multi-robot path planning (MRPP) approaches resolve conflicts from the perspective of agents, rather than from the resources under contention. Further, the density of such contentions limits the capabilities of spatial interleaving, a concept that many planners rely on to achieve high throughput. In this work, two variants of the priority-based Fragment Planner (FP) are presented as resource-centric MRPP algorithms that leverage route fragmentation to enable partial route progression and limit the impact of binary-based waiting. These approaches are evaluated in lifelong simulation over a 3.6km topological map representing a commercial polytunnel environment. Their performances are contrasted against 5 baseline algorithms with varying robotic fleet sizes. The Fragment Planners achieved significant gains in throughput compared with Prioritised Planning (PP) and Priority-Based Search (PBS) algorithms. They further demonstrated a task throughput of 95% of the optimal task throughput over the same time period. This work shows that, for long-term deployment of agricultural robots in corridor-dominant agricultural environments, resource-centric MRPP approaches are a necessity for high-efficacy operational planning.

cs.RO

参考文献 (12)

Exploiting Subgraph Structure in Multi-Robot Path Planning

Malcolm R. K. Ryan

2011 217 引用 查看解读 →

Heuristics and Rescheduling in Prioritised Multi-Robot Path Planning: A Literature Review

James R. Heselden, Gautham P. Das

2023 10 引用

Randomized Motion Planning for Groups of Nonholonomic Robots

C. Clark, S. Rock

2001 29 引用

An Adaptive Local Path Planning Algorithm for Multi-robot Systems

Tianqing Wen, Xiaomin Wang, Zhendong Sun 等

2022 4 引用

CRH*: A Deadlock Free Framework for Scalable Prioritised Path Planning in Multi-robot Systems

James R. Heselden, Gautham P. Das

2021 4 引用

Multi-Robot Path Deconfliction through Prioritization by Path Prospects

Wenying Wu, S. Bhattacharya, Amanda Prorok

2019 50 引用 查看解读 →

On multiple moving objects

M. Erdmann, Tomas Lozano-Perez

1986 883 引用

Beyond Robustness: A Taxonomy of Approaches towards Resilient Multi-Robot Systems

Amanda Prorok, Matthew Malencia, L. Carlone 等

2021 81 引用 查看解读 →

Multi-Agent Pathfinding with Continuous Time

A. Andreychuk, K. Yakovlev, Dor Atzmon 等

2019 120 引用

Prioritized motion planning for multiple robots

J. V. D. Berg, M. Overmars

2005 310 引用

A Unified Topological Representation for Robotic Fleets in Agricultural Applications

Gautham P. Das, Grzegorz Cielniak, James R. Heselden 等

2024 10 引用

Searching with Consistent Prioritization for Multi-Agent Path Finding

Hang Ma, Daniel Damir Harabor, Peter James Stuckey 等

2018 273 引用 查看解读 →