[論文レビュー] Any-Angle Pathfinding for Multiple Agents Based on SIPP Algorithm

Konstantin Yakovlev, Anton Andreychuk|arXiv (Cornell University)|Mar 12, 2017

Robotic Path Planning Algorithms被引用数 8

ひとこと要約

本稿では、2次元正方形グリッド上での円形エージェントの滑らかでグリッド制約のない軌道を可能にする、安全間隔経路計画（SIPP）アルゴリズムの任意角度拡張を用いた、優先順位付きマルチエージェント経路計画アルゴリズムAA-SIPP(m)を提案する。この手法は、基準方向移動のみを許容するプランナーよりも最大20%低い解のコストを達成しながらも、実用的条件下で高い成功率（>97%）と完全性を維持する。

ABSTRACT

The problem of finding conflict-free trajectories for multiple agents of identical circular shape, operating in shared 2D workspace, is addressed in the paper and decoupled, e.g., prioritized, approach is used to solve this problem. Agents' workspace is tessellated into the square grid on which any-angle moves are allowed, e.g. each agent can move into an arbitrary direction as long as this move follows the straight line segment whose endpoints are tied to the distinct grid elements. A novel any-angle planner based on Safe Interval Path Planning (SIPP) algorithm is proposed to find trajectories for an agent moving amidst dynamic obstacles (other agents) on a grid. This algorithm is then used as part of a prioritized multi-agent planner AA-SIPP(m). On the theoretical, side we show that AA-SIPP(m) is complete under well-defined conditions. On the experimental side, in simulation tests with up to 200 agents involved, we show that our planner finds much better solutions in terms of cost (up to 20%) compared to the planners relying on cardinal moves only.

研究の動機と目的

• エージェントがグリッドのエッジに沿わずに任意方向に移動可能な2次元グリッド環境において、衝突のないマルチエージェント経路計画の課題に対処すること。
• 移動を基準方向または8方向に制限する従来のグリッドベースのプランナーよりも、不適切で折れ線の多い経路を生じさせる制限を克服すること。
• 優先順位付きアプローチを用いて、任意角度移動制約下での完全で効率的かつ実用的な協調経路計画の解決策を開発すること。
• 共通の作業空間に動的障害物を伴う同一サイズの円形エージェントが移動する際、滑らかで短く現実的である軌道を実現すること。
• 任意角度計画が解のコストを著しく改善するが、成功率やスケーラビリティを損なわないことを実証すること。

提案手法

• SIPPアルゴリズムを任意角度移動をサポートするように変更し、障害物と交差しない限り、グリッドセル間の直線セグメントを有効な移動手段として許容する。
• SIPPの安全間隔概念を連続的移動に拡張した、新しい任意角度プランナーアルゴリズムAA-SIPPを提案し、動的環境における衝突のない経路計画を可能にする。
• 優先順位付きマルチエージェントフレームワークAA-SIPP(m)内にAA-SIPPを個々の経路計画モジュールとして統合し、エージェントは割り当てられた優先順位の順に処理される。
• 各エージェントの位置をセルの中心またはコーナーで追跡するグリッドベースの表現を用い、任意角度経路に沿った時間的・空間的分離を保証することで衝突を解消する。
• 連続時間運動をモデル化し、離散的な時間ステップでのみ衝突を検出するのではなく、経路の任意の点で発生する可能性のある衝突を検出するために、時間拡張グラフ技術を適用する。
• 一貫した優先順位順序と制限されたエージェント速度といった明確に定義された条件下で、個々のプランナが実行可能である場合に有効な経路を発見できることを証明することで、AA-SIPP(m)の完全性を保証する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 優先順位付きマルチエージェント経路計画フレームワークは、完全性と衝突のない軌道生成を維持しながら、任意角度移動を効果的にサポートできるか？
• RQ2 マルチエージェントシステムにおいて、従来の基準方向移動のみのプランナーよりも任意角度経路を用いることで、解のコストにどのような影響を与えるか？
• RQ3 大規模マルチエージェント環境において、任意角度計画を用いる場合の計算効率と解の質のトレードオフはいかほどか？
• RQ4 分離型で優先順位付きアプローチは、ICBSのような結合型最適プランナーよりも高い成功率と低コストの解を達成できるか？
• RQ5 環境要因（例：開放空間対狭い通路）は、任意角度計画のマルチエージェント経路計画における性能向上にどの程度影響を与えるか？

主な発見

• AA-SIPP(m)は、基準方向移動のみを許容する最適プランナであるICBSよりも最大20%低い解のコストを達成し、特にden520d や ost003d のような開放的環境で顕著である。
• 狭い通路を有するbrc202dマップでは、AA-SIPP(m)が基準方向移動最適解に対して13.5%のコスト削減を達成しており、あらゆる環境で一貫した改善を示している。
• 5分の時間制限下で、AA-SIPP(m)の成功率は97%を超えるが、100体を超えるエージェントが存在する場合にはICBSは最大100%の失敗を示す。
• AA-SIPP(m)はICBSより高速であり、SIPP(m)と同等の速度を示すが、SIPP(m)およびECBSよりも著しく優れた解の質を提供する。
• ICBSとSIPP(m)/ECBSの間のコスト差はわずか1%未満であり、SIPP(m)およびECBSが基準方向移動においてほぼ最適であることを確認する。一方、AA-SIPP(m)はコスト効率においてそれらを上回る。
• 実験結果により、AA-SIPP(m)は実用的条件下で完全性を有しており、任意角度マルチエージェント経路計画において、結合型および分離型プランナの両方の優れたスケーラブルで高性能な代替手段であることが検証された。