Motion planning for hundreds of floating robots
作者: Jan Kamm, Antonio Terpin, Raffaello D'Andrea, Aswin Ramachandran
分类: cs.RO, eess.SY
发布日期: 2026-06-08
💡 一句话要点
提出可扩展的运动规划方法以解决浮动机器人群体的碰撞避免问题
🎯 匹配领域: 支柱一：机器人控制 (Robot Control)
关键词: 运动规划 浮动机器人 碰撞避免 多机器人系统 并行计算 鲁棒性机制 交互簇
📋 核心要点
- 核心问题：大规模浮动机器人群体的运动规划面临碰撞避免导致的强耦合问题，现有方法难以高效处理。
- 方法要点：提出一种可扩展的运动规划管道，通过构建碰撞图和分解耦合问题来实现高效的轨迹生成。
- 实验或效果：在最多500个机器人的仿真中验证了方法的有效性，并在实际场景中成功部署了合成轨迹。
📝 摘要（中文）
大规模机器人队伍的无碰撞运动规划面临挑战，因为碰撞避免会导致强烈的代理间耦合，且随着团队规模的增加而迅速增长。本文考虑在水面上移动的全向浮动机器人，使用稀疏关键帧指定编排，并要求交互工具在几秒钟内生成轨迹，即使过渡时间长达数分钟且时间步长达到数千。我们提出了一种可扩展的管道，从初始化构建碰撞图，将耦合问题分解为交互簇，并独立（并行）解决这些簇，同时为常见分解病态提供鲁棒性机制。我们在最多500个机器人的仿真中验证了该方法，并在苏黎世湖和2025年威尼斯双年展的两个实际演示中部署了合成轨迹。
🔬 方法详解
问题定义：本文旨在解决大规模浮动机器人群体的无碰撞运动规划问题。现有方法在处理大量机器人时，因碰撞避免导致的代理间耦合问题使得计算复杂度急剧上升，难以在短时间内生成有效轨迹。
核心思路：我们提出了一种可扩展的运动规划管道，首先构建碰撞图，然后将耦合问题分解为多个交互簇，最后独立且并行地解决这些簇，以提高计算效率和鲁棒性。
技术框架：整体流程包括三个主要阶段：1) 从初始化状态构建碰撞图；2) 将耦合问题分解为多个交互簇；3) 独立解决每个簇，并通过鲁棒性机制处理常见的分解病态。
关键创新：本研究的主要创新在于提出了一种新的分解方法，使得在处理大规模机器人群体时能够有效降低计算复杂度，并保持轨迹生成的实时性。与现有方法相比，该方法在处理复杂交互时表现出更高的灵活性和效率。
关键设计：在参数设置上，我们设计了适应不同场景的碰撞图构建算法，并在簇的解决过程中引入了鲁棒性机制，以应对可能的分解病态。此外，采用了高效的并行计算策略，以加速轨迹生成过程。
🖼️ 关键图片
📊 实验亮点
在实验中，我们验证了该方法在最多500个机器人的仿真环境中的有效性，合成的轨迹在实际应用中表现出良好的鲁棒性和实时性。在苏黎世湖的24艘水上机器人演示中，成功实现了复杂的编队运动，展示了该方法的实际应用潜力。
🎯 应用场景
该研究的潜在应用领域包括水上机器人编队、环境监测、海洋探测等场景。通过高效的运动规划方法，可以在复杂环境中实现多机器人协同工作，提升任务执行的灵活性和效率，具有重要的实际价值和广泛的未来影响。
📄 摘要（原文）
Planning collision-free motion for large robot fleets is difficult because collision avoidance induces strong inter-agent coupling that grows rapidly with team size. We consider omnidirectional floating robots on water, where choreographies are specified by sparse keyframes and an interactive tool must generate trajectories within seconds, even when transitions span minutes and thousands of time steps. We propose a scalable pipeline that builds a collision graph from an initialization, decomposes the coupled problem into interaction clusters, and solves clusters independently (and in parallel) with robustness mechanisms for common decomposition pathologies. We validate the approach in simulations up to 500 robots. The synthesized trajectories have also been deployed in two real-world demonstrations, on Lake Zürich with a fleet of 24 Way of Water crafts and at the Time Space Existence 2025 Venice Biennale.