This paper presents a novel path-planning and task assignment algorithm for multi-robot systems that should fulfill a global Boolean specification. The proposed method is based on Integer Linear Programming (ILP) formulations, which are combined with structural insights from Petri nets to improve scalability and computational efficiency. By proving that the \emph{constraint matrix} is totally unimodular (TU) for certain classes of problems, the ILP formulation can be relaxed into a Linear Programming (LP) problem without losing the integrality of the solution. This relaxation eliminates complex combinatorial techniques, significantly reducing computational overhead and thus ensuring scalability for large-scale systems. Using the approach proposed in this paper, we can solve path-planning problems for teams made up to 500 robots. The method guarantees computational tractability, handles collision avoidance and reduces computational demands through iterative LP optimization techniques. Case studies demonstrate the efficiency of the algorithm in generating scalable, collision-free paths for large robot teams navigating in complex environments. While the conservative nature of collision avoidance introduces additional constraints, and thus, computational requirements, the solution remains practical and impactful for diverse applications. The algorithm is particularly applicable to real-world scenarios, including warehouse logistics where autonomous robots must efficiently coordinate tasks or search-and-rescue operations in various environments. This work contributes both theoretically and practically to scalable multi-robot path planning and task allocation, offering an efficient framework for coordinating autonomous agents in shared environments.


翻译:本文提出了一种用于多机器人系统的新型路径规划与任务分配算法,该系统需满足全局布尔规范。所提方法基于整数线性规划(ILP)公式,并结合了Petri网的结构性洞见,以提升可扩展性与计算效率。通过证明对于特定问题类别,其约束矩阵具有完全幺模(TU)性质,ILP公式可松弛为线性规划(LP)问题,同时不丢失解的整数性。这一松弛消除了复杂的组合技术,显著降低了计算开销,从而确保大规模系统的可扩展性。利用本文提出的方法,我们能够解决由多达500个机器人组成的团队的路径规划问题。该方法保证了计算的可处理性,通过迭代LP优化技术处理碰撞避免并降低计算需求。案例研究表明,该算法在复杂环境中为大规模机器人团队生成可扩展、无碰撞路径方面具有高效性。尽管碰撞避免的保守性引入了额外约束及相应的计算需求,但该解决方案在实际应用中仍具有可行性与重要价值。该算法尤其适用于现实场景,包括需要自主机器人高效协调任务的仓库物流,以及各类环境中的搜索与救援行动。本工作在理论与应用层面均对可扩展的多机器人路径规划与任务分配作出了贡献,为共享环境中自主智能体的协调提供了一个高效框架。

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