基于冲突搜索的多智能体路径生成与优化研究

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移动机器人技术的快速发展为高效的无人物流运输提供了可能性,特别是近年来针对多个移动机器人协作的多智能体系统技术,为大规模仓库物流应用指明了方向。多智能体路径规划是完成无人运输设想的关键技术,其有三项原则:(1)首先原则是避免碰撞,(2)其次是较短的路径规划时间,(3)以及路径规划的光滑性等指标。但是,随着多智能体数量增加,多智能体碰撞概率和规划时间都会急剧增加,同时规划的路径也失去光滑性。为此,专家学者提出许多方法,其中有反应式的规划方法和集中式规划方法。反应式规划指每个智能体只要考虑自己目标,根据周围的环境临时变化轨迹,直到任务完成。此方法有实施简单的优点,所有机器人都只需要实行同一种策略,但也可能存在死锁的问题,特别是在狭小通道区域容易造成拥堵。在集中式的规划方法中,CBS(Conflict Based Search)能快速有效解决MAPF(Muliti Agent Path Find)问题,该方法的基本思路是先让所有智能体规划自己的路径,然后检测出发生冲突的路径,并给发生冲突的智能体增加限制后并重新规划路径,避免该冲突的发生,从而达到解开冲突的目的。经典的基于冲突的搜索方法CBS也存在耗时长的问题,为此,本文对比了JPS(Jump Point Search)和经典的A*搜索算法的搜索速度,用搜索速度更快的JPS替换A*作为CBS下层的搜索算法,提升CBS的搜索速度。另一个导致CBS搜索超时的原因是当智能体数量众多,导致发生冲突的路径也非常多,为了解开这些冲突路径,搜索树将扩展地非常大,而且可能存在无效扩展。为了限制搜索树的大小,同时减少无效扩展,本文采取以下措施:(1)对冲突的重要性进行评估和分级,优先扩展优先级高的重要冲突,提升扩展效率;(2)设定阈值,避开一些不必要扩展的冲突;(3)最后发生冲突较多但路径相似的智能体当作一个智能体处理。这些措施可以减少冲突的数量,限制搜索树的大小,从而减少搜索时间。在规划出无碰撞路径之后,为了提升路径规划的质量,利用同样的原理,对规划的路径进行优先级分组处理。经过仿真对比实验,本文分别验证了JPS搜索算法和基于优先级分组处理可以提升基于冲突搜索方法CBS的路径生成与路径光滑优化的速率。
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