Coordinated trajectory planning of homogeneous and heterogeneous mobile robots in collision avoidance scenarios

Die Transformation bestehender Produktions- und Logistikhallen in flexibel konfigurierbare Fabriken erfordert die Fähigkeit autonomer mobiler Roboter, sich in einer unstrukturierten und sich verändernden Umgebung effizient zu navigieren. Konfliktbehaftete Situationen, in denen sich mehrere Roboter nah zueinander bewegen und Kollisionen vermeiden möchten, können über die zentrale Steuerungseinheit oder auf eine verteilte Weise gelöst werden. In diesem Beitrag betrachten wir die verteilte koordinierte Trajektorienplanung mobiler Roboter, die miteinander kommunizieren, zur effizienten Lösung von Kollisionsvermeidungsszenarien ohne eine zentrale Steuereinheit. ... mehrWir untersuchen simulativ koordinierte Planer, die optimale Steuerungsprobleme mit gleitendem Zeithorizont lösen. Weiterhin unterscheiden sich die Planer darin, ob ein zentrales optimales Steuerungsproblem im gekoppelten Zustandsraum der Roboter oder mehrere dezentrale Optimierungsprobleme im Zustandsraum eines Roboters formuliert werden. Aus einer anderen Perspektive unterscheiden sich die Methoden in einer kooperativen oder nicht-kooperativen Eigenschaft, die sich in der Berücksichtigung oder Vernachlässigung der Absichten der anderen Fahrzeuge in der Kostenfunktion zeigt. Außerdem betrachten wir neben homogenen mobilen Robotern, die durch dasselbe Fahrzeugmodell und dieselbe Parametrierung modelliert werden, auch heterogene Roboter mit unterschiedlichen physikalischen Einschränkungen und Abmessungen. Wir präsentieren Simulationsergebnisse von symmetrischen und nicht-symmetrischen Kollisionsvermeidungsszenarien mit 2–8 mobilen Robotern. Als Vergleichskriterium verwenden wir die durchschnittliche Szenariendauer, bis alle Fahrzeuge ihr Ziel erreicht haben. Die Ergebnisse zeigen, dass die kooperativen Planer homogene Szenarien und die nicht-kooperativen Planer heterogene Szenarien, an denen Fahrzeuge mit unterschiedlichen Abmessungen beteiligt sind, mit einer kürzeren durchschnittlichen Szenariendauer lösen.

The transformation of existing production and logistics halls into flexibly configurable factories requires the ability of autonomous mobile robots to navigate efficiently in an unstructured and changing environment. Conflicting situations between several robots due to collision avoidance when moving close to each other can be resolved via the central control system or in a distributed manner. In this paper, we address distributed coordinated trajectory planning of mobile robots with communication to efficiently resolve collision avoidance scenarios without a central control unit. ... mehrWe simulatively investigate coordinated planners that solve optimal control problems with a sliding time horizon. Further, the planners differ in whether a centralized optimal control problem in the coupled state space of the robots or multiple decentralized optimization problems in the state space of one robot are formulated. From another point of view, the methods vary in a cooperative or non-cooperative property which manifests itself in the consideration or neglection of the other vehicles’ intentions within the cost function. Further, we not only consider homogeneous mobile robots that are modeled by the same vehicle model and the same parameterization but also heterogeneous robots with different physical limitations and dimensions. We present simulation results of symmetric and non-symmetric collision avoidance scenarios with 2–8 mobile robots. As a comparison criterion, we use the average duration until all vehicles have reached their destinations. The results show that the cooperative planners resolve homogeneous scenarios and the non-cooperative planners resolve heterogeneous ones involving vehicles having different dimensions with a lower average scenario duration.