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arxiv.org·2026/10/23
针对采样时刻检查会漏碰撞、且平滑代价与全程碰撞约束下无全局收敛算法的问题,作者提出 GlobMP:把规划与 steering 统一为单个连续时间规划,用 Bernstein 分片多项式表示轨迹,使每个碰撞、机器人间距和 steering 约束化为整段上必须非负的多项式,并交替进行成本梯度下降与锥投影可行性恢复。理论证明在温和假设下,成本随分片数 N 增加逼近连续时间全局最优,约束可满足任意容忍度、在稳定实例上精确成立。实验覆盖 2 至 200 台合成机器人、Robotarium 多机器人基准和双足人形机器人上转向 GR00T 与 π0.5 策略;最大规模对应 82,000 个约束块,在 GPU 上约 28 秒内给出可行曲线,采样类基线和 SDP-MP 频繁失败或碰撞,Robotarium 单计划几乎全部成功,真实操控中转向使组织抓取等任务从很少完成变为多数成功。局限是速度限制与走廊约束的保证留作后续。
为什么重要 对自动驾驶/机器人闭环,可把 learned planner/policy 的 chunk 作为参考 ρ,整时刻无碰撞且可证收敛,替代采样安全层。适合 机器人/自动驾驶运动规划、learned policy 闭环安全约束、优化算法实现者。
运动规划是机器人学的核心问题,并且越来越多地被用于修正由学习得到的规划器和策略所提出的运动。在这两种用途中,约束必须在运动的每个瞬时都成立,而不仅仅是在采样时刻成立。据我们所知,在将平滑性代价与这类约束结合之后,还没有算法能可证明地收敛到全局最优运动。
我们将规划和转向表述为单一的连续时间规划:机器人相互避开以及避开静态或移动障碍物,并通过保持运动接近学习得到的提议来引导该提议。该规划表述简单,但是非凸的。我们提出 GlobMP(Global Motion Planning),它是一种在分段多项式曲线上的梯度投影方法,其中每个约束是每个分段上的一个多项式,必须在整个运动过程中保持非负;它交替进行代价降低和可行性恢复。
在温和假设下,我们证明,从细网格起点出发,随着多项式分段数量的增加,其代价逼近全局最优,所有约束可满足任意选定容差,或在稳定实例上精确满足。我们在真实和合成实验中展示了它相对于强基线的优越性能,包括最多 200 个机器人的团队、在 Robotarium 测试平台和一个扩展基准上的多机器人规划、迷宫导航,以及在双臂人形机器人上引导触觉反应策略。
Motion planning is central to robotics, and it is increasingly used to correct the motions proposed by learned planners and policies.
In both uses, constraints must hold at every instant of the motion, not only at sampled times.
To our knowledge, no algorithm provably converges to a globally optimal motion once a smoothness cost is combined with such constraints.
We cast planning and steering as a single continuous-time program: robots avoid one another and static or moving obstacles, and a learned proposal is steered by keeping the motion close to it.
The program is elementary to state, yet nonconvex.
We propose GlobMP (Global Motion Planning), a gradient projection method over piecewise-polynomial curves, on which each constraint is one polynomial per piece that must stay nonnegative over the whole motion; it alternates cost reduction with feasibility restoration.
Under mild assumptions, we show that, from a fine grid start, its cost approaches the global optimum as the number of polynomial pieces grows, with every constraint met to any chosen tolerance, or exactly on stable instances.
We demonstrate its superior performance over strong baselines in real and synthetic experiments, including teams of up to 200 robots, multi-robot planning on the Robotarium testbed and an extended benchmark, maze navigation, and steering tactile-reactive policies on a bimanual humanoid.
CPU 求解
GPU 求解
下界差
基线可行率
SDP-MP
注释 · 合成实验所有种子整时刻可行;可行基线成本约为 GlobMP 的 2 倍到数百倍。出自 图 2–3; §4.1



EVIDENCE / METHODS
判断
GlobMP 在同一程序里完成规划与 steering,并证明从细网格起成本逼近连续时间全局最优。
GlobMP 把轨迹表示为分段 Bernstein 多项式,每条碰撞/分离/steering 约束变成一个必须在 [0,1] 上非负的单变量多项式,梯度投影在成本步与可行性恢复之间交替。它不替换 learned planner,而是把其 chunk 当参考 ρ,输出接近它且在每刻满足约束的曲线。对安全关键的自动驾驶闭环,这比采样后平滑的路子更可靠。
注释 · 作为 learned policy 的修正层,它保持整时刻可行而非只采样时刻;代价是非凸曲线类和种子质量。出自 §1 C1–C3, §5
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