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论文机器人多机器人协调实时规划最优控制

Dispersive Tree Agreements for Multi-Robot Coordination

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WarpWeaver 用分布式列生成做多机实时协调,Dynobench 总行程最多降 22%

多机器人非线性协调被建模为带群体约束的联合最优控制,现有接近联合最优的方法大多集中式、离线且限于无碰规划,分散式实时方法只做安全导航;作者证明机器人间耦合可被每台机器人的局部约束吸收,使本地 dispersive forward trees 包含近最优协议,并用去中心化列生成在共享空间协商租金,在 quiescence 认证近最优,构成异步滚动时域协议 WarpWeaver。在 Dynobench 上其总行程时间相对集中式离线 db-CBS/db-ECBS 等规划器最高降低 22%,相对分散式实时 EGO-Swarm 十架无人机最高降低 37%,连通保持任务上相对专用 Realm 几乎将成功率翻倍;实时截止下仍接近 quiesced 解,六台 Jetson Orin 车载机器人完成换位、系留与门洞任务。局限是协调受整数线性限制约束,刚性编队等紧耦合约束松弛较弱。

  1. 1用分散树+列生成租金,把耦合转成局部约束逼近联合最优
  2. 2Dynobench 11 个实例中 10 个总行程最低,较最佳基线中位低 8%
  3. 3六机器人实机三任务全成功,312 次协商仅 1 次不一致

为什么重要 给多机器人/自动驾驶编队的实时规划提供一条不靠集中离线也能逼近联合最优的路线,并已在六台 Jetson Orin 上实机验证。适合 做多机器人/自动驾驶编队实时规划、分布式优化落地的工程师与研究员。

来源
arxiv.org
发布
2026/10/23

中文(AI 翻译)

非线性系统的多机器人协调自然被表述为受机器人群体约束的关节空间最优控制。现有逼近联合最优的方法大多仍是集中式、离线且局限于无碰撞运动规划,而分散式、实时对应方法则针对安全导航,却不追求联合最优。本文开发一种分散式实时规划器,将联合最优作为 anytime 过程来逼近。

我们扩展了最近一种单机器人框架,该框架为微分平坦系统搜索前向传播命令的分散树,以近最优地协调多机器人团队。我们首先表明,机器人间耦合可以有效替代为某些局部约束,在这些约束下,局部生长的分散树包含一个近最优协议。机器人正是通过分散列生成来追求这一结构,就共享空间进行租金协商,引导每台机器人树的搜索。协商最终达成协议,其近最优性在静止时得到认证。

我们的协议 WarpWeaver 将该协商实现为滚动时域上的异步实时循环,并证明即使在实时截止时间截断协商的情况下也能有效收敛到静止协议。在仿真中,WarpWeaver 在 Dynobench 套件上相比集中式离线规划器将总行程时间最多降低 22%,相比分散式实时基线最多降低 37%,并且在图连通性任务上将特定任务规划器的成功率几乎翻倍。在六台机器人上进行机载规划的硬件实验证明了现实世界可实施性。

原文

Multi-robot coordination of nonlinear systems is naturally formulated as joint-space optimal control subject to constraints over groups of robots.

Existing methods that approach joint optimality remain largely centralized, offline, and confined to collision-free motion planning, while decentralized, real-time counterparts target safe navigation without pursuing the joint optimum.

This paper develops a decentralized, real-time planner that approaches the joint optimum as an anytime process.

We extend a recent single-robot framework that searches dispersive trees of forward-propagated commands for differentially flat systems to coordinate a multi-robot team near-optimally.

We first show that the inter-robot coupling can be effectively replaced by some local constraints, under which locally grown dispersive trees contain a near-optimal agreement.

It is this structure that the robots pursue by decentralized column generation, negotiating rents on the shared space that guide the search of each robot's tree.

The negotiation settles on an agreement whose near-optimality is certified at quiescence.

Our protocol, WarpWeaver, implements this negotiation as an asynchronous real-time loop over a receding horizon, and demonstrates effective closure to quiesced agreements even when real-time deadlines cut the negotiation short.

In simulation, WarpWeaver reduces total travel time by up to 22% against centralized offline planners on the Dynobench suite and by up to 37% against a decentralized real-time baseline, and nearly doubles the success rate of a task-specific planner on graph connectivity.

Hardware experiments on six robots planning onboard demonstrate real-world implementability.

22%

最大改善

Dynobench 对集中式离线

8%

中位改善

Dynobench 对最佳基线

36–37%

对EGO改善

三重积分器平台

31–33%

对X500改善

高保真四旋翼

注释 · 均为原文报告;Dynobench 中位相对最佳基线快 8%出自 表 II·表 III·§VI

Fig.1 对比 Iterated Best Response 与 Dispersive Tree Agreement:前者两机器人到达时间合计 17.5s,后者 13.5s,展示局部让步换全局更快。
Fig.4 展示 WarpWeaver 仿真:Circle-10 独轮车、Forest-10 3D 二重积分器、EGO-Swarm 森林十架三重积分器、Realm 森林世界连通性维护的实时链路。
Fig.5 六机器人硬件实验:动捕轨迹与相机叠帧,展示起始、中途、最后到达三个时刻的 swap、tethered swap、doorway swap。
协议
WarpWeaver
目标
多机器人联合最优控制
动力学
差分平坦非线性
仿真平台
Dynobench/EGO-Swarm/Realm
实机平台
Jetson Orin 六台

深度总结

1 / 8
近优协议的结构保证· 解读

Proposition 1 证明局部约束下分散树联合包含近优协议

本文关键动作是把多机器人联合最优控制重写为输出空间问题,并证明只要把机器人间耦合吸收为每个机器人单独满足的局部约束,各机器人本地生长的分散树里就联合包含一个近最优协议。后续列生成只负责从这些树中把协议选出来;对偶价格(rents)指导每棵树的搜索。这样联合搜索复杂度被替换为随 T 多项式增长的分散树,单机仍可实时。

注释 · 这是分布式列生成能成立的前提,不依赖集中式联合树。出自 §III-B·§V 开头