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使用逆最优控制的非通信移动机器人轨迹规划
Trajectory Planning for Non-Communicating Mobile Robots using Inverse Optimal Control

作者: Nina Majer, Yannick Epple, Xin Ye 等5人
arXiv: 2605.30906v1
分类: cs.RO, eess.SY
📝 论文摘要
为了实现非通信移动机器人在避碰场景中的高效交互,我们提出了一种新颖的轨迹规划与预测联合算法。采用逆最优控制方法,基于观测到的历史轨迹估计所有机器人的未知目标状态。每个机器人还通过考虑自我预测,从其他机器人的视角出发,利用估计的目标状态求解联合预测问题。随后将所得预测结果纳入规划过程。在包含2-8个机器人的场景仿真中,相较于基于恒定加速度估计目标状态的规划方法,所有车辆到达目标的中位时间缩短了9.8%。此外,所提方法从未导致求解器无法找到规划或预测问题的解。

📊 核心分析

🎯 研究动机
- 解决**非通信移动机器人(non-communicating mobile robots)** 在**避碰场景(collision avoidance)** 中交互效率低下的问题 - 现有方法(如基于恒定加速度的目标状态估计)预测不准确,导致规划保守或失败 - 机器人之间无法直接通信,需要从观测轨迹中推断彼此意图以实现高效协同
🔧 核心方法
- 提出一种结合**轨迹规划(trajectory planning)** 与**预测(prediction)** 的联合算法 - 使用**逆最优控制(inverse optimal control)** 从历史观测轨迹估计所有机器人的未知**目标状态(goal states)** - 每个机器人**换位思考(perspective-taking)**,基于自身预测模型和估计的目标状态,求解**联合预测问题(joint prediction problem)** - 将联合预测结果应用于自身的轨迹规划中,形成完整的规划-预测循环
💡 核心创新
- **首创性地** 将**逆最优控制(inverse optimal control)** 用于非通信场景下的多机器人目标状态估计,替代传统的恒定加速度假设 - **视角互换机制**:每个机器人不仅预测自身行为,还主动考虑其他机器人的视角进行联合预测,提升全局协调性 - **求解可靠性保证**:提出的方法在2-8机器人场景中**从未出现规划或预测求解失败**,优于对比方法
🏆 总体贡献
- 为**多机器人非通信避碰** 领域提供了一种**鲁棒且高效** 的联合规划-预测范式 - 仿真实验表明,与基线方法相比,所有机器人到达目标的**中位时间(median duration)** 降低9.8% - 所提算法**零失败率** 特性显著提升了实际应用的可行性,为无通信机器人系统的自主导航提供了新思路