低内存高效率的多智能体运动规划算法

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运动规划是机器人技术的基础研究领域,应用很多,如机器人的自治、自动化和CAD设计。在其他领域同样应用广泛,如动画角色、视频游戏、人工智能、建筑设计、机器人手术和生物分子的研究。机器人运动规划的研究始于20世纪60年代,分为低维度和高维度机器人规划。传统的运动规划算法有细胞分解法、势场法、路径图法等。这类算法的共同特点是,在参数设置合适时,可以保证规划的完备性。但这些算法在高维姿态空间和复杂环境中应用存在较多问题。为解决传统算法的缺陷,人们提出了一系列概率完备的基于采样的运动规划算法,此类方法通过避免在状态空间中显式的构造障碍物来节省大量的计算,因此也在高维空间也得到了极大的运用。由于高维空间规划在数学上也可以建模为多智能体运动规划,近年来不断有基于采样的算法和传统的多智能体算法结合,例如Multi-agent RRT*(MA-RRT*)算法,是Optimal Anytime算法与RRT*算法的融合,能高效地为多个智能体在复杂的环境规划路径绕过障碍物并到达目的地。但由于MA-RRT*随机树中节点数会无限增长,该算法很难应用到内存较小的系统中。另外,MA-RRT*算法的启发式搜索容易陷入局部最优,在障碍物相对较多的复杂环境中无法找到有效解。本文提出了一种新的基于MA-RRT*的算法,称为MA-RRT*定量节点算法(MA-RRT*Fixed Node),该算法在保持了现有算法的效率的基础上通过一系列节点删除过程来限制树中最大节点数,提高了MA-RRT*的内存利用效率。同时,本文还提出了MA-RRT*势场法(MA-RRT*Potential Field),通过在启发式搜索中增加一个人工势场来提升MA-RRT*算法的空间探索能力以找到有效解。通过仿真平台MATLAB对提出的MA-RRT*Fixed Node和MA-RRT*Potential Field算法进行仿真实验。结果表明MA-RRT*Fixed Node算法得到的规划方案在保持高质量的情况下,具有更低的内存消耗。同时,本文提出的MARRT*Potential Field算法在障碍物相对密集的环境下,相对于MA-RRT*无解的情况,能找到更多有效的高质量解决方案。
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