Task Assignment and Path Finding (TAPF) concerns computing collision-free motions for multiple robots while jointly selecting goal locations. In this paper, safety is enforced by requiring unit-capacity traversal between successive intermediate markings, yielding coordination strategies that are valid independently of any specific time interpretation. Existing optimization-based approaches typically rely on time-expanded network-flow models, which result in large mixed-integer programs and limited scalability. We instead develop a Petri net (PN)-based optimization framework that exploits structural properties of the motion model to improve computational efficiency without explicit time expansion. When robot motion is modeled by strongly connected state-machine PNs, we show that, once the congestion level (equivalently, the synchronization depth) is fixed to an integer value, the resulting motion-planning constraint matrix is totally unimodular. Consequently, the corresponding LP relaxation admits integral optimal solutions for the motion variables. When the estimated congestion exceeds one, we introduce a synchronization-on-demand mechanism based on intermediate markings; for a fixed number of synchronization stages, the associated constraint matrices remain totally unimodular, thereby preserving integrality of the motion variables. Finally, we extend TAPF to Boolean specifications over regions of interest and propose a two-stage LP/mixed-integer linear programming (MILP) scheme in which integrality is confined to task-selection variables. Simulations on large benchmarks demonstrate substantial scalability improvements over time-expanded optimization baselines.


翻译:任务分配与路径规划(TAPF)涉及为多个机器人计算无碰撞运动轨迹,并同时为其选择目标位置。本文通过要求在连续中间标识之间具有单位容量通行能力来确保安全性,从而产生独立于任何特定时间解释的有效协调策略。现有基于优化的方法通常依赖时间扩展的网络流模型,这会导致大规模混合整数规划问题并限制可扩展性。我们转而开发了一种基于Petri网(PN)的优化框架,该框架利用运动模型的结构特性来提高计算效率,而无需显式时间扩展。当机器人运动由强连通状态机PN建模时,我们证明一旦拥塞水平(等价于同步深度)固定为整数值,所得运动规划约束矩阵是完全单模的。因此,对应的线性规划松弛对运动变量允许整数最优解。当估计拥塞超过一时,我们引入基于中间标识的按需同步机制;对于固定数量的同步阶段,相关约束矩阵保持完全单模性,从而保留运动变量的整数性。最后,我们将TAPF扩展到对感兴趣区域的布尔规范,并提出一种两阶段线性规划/混合整数线性规划(MILP)方案,其中整数性仅限于任务选择变量。在大规模基准测试上的仿真表明,相较于时间扩展优化基线方法,本方法实现了显著的可扩展性提升。

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