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Asymptotically Optimal Lifelong Planning With Lazy Edge Evaluation Under Expensive Collision Checks

运动规划 计算机科学 GSM演进的增强数据速率 障碍物 图形 数学优化 机器人 路径(计算) 渐近最优算法 图论 搜索算法 树(集合论) 碰撞 分布式计算 相互依存 任意角度路径规划 避障 避碰 算法 算法设计 动态规划 运营规划
作者
Lu Huang,Jingwen Yu,Jiankun Wang,Xingjian Jing
出处
期刊:IEEE Transactions on Automation Science and Engineering [Institute of Electrical and Electronics Engineers]
卷期号:23: 401-416
标识
DOI:10.1109/tase.2025.3636173
摘要

Robotic systems operating in dynamic and uncertain environments require motion planners that can rapidly adapt to environmental changes while maintaining safety and efficiency. Frequent replanning is inevitable in such scenarios as obstacle configurations evolve and previously feasible trajectories become invalid. However, real-time replanning remains challenging for many applications due to the high computational cost of collision checking and graph maintenance, especially when edge evaluations are expensive or when the environment changes continuously. The paper introduces an asymptotically optimal lifelong sampling-based path planning algorithm that combines the merits of lifelong planning algorithms and lazy search algorithms for rapid replanning in dynamic environments where edge evaluation is expensive. The algorithm maintains an incremental search graph which is reused throughout the entire navigation process. By evaluating only sub-path candidates for the optimal solution, the algorithm saves considerable evaluation time and reduces the overall planning cost. It employs a novel informed rewiring cascade to efficiently repair the search tree when the underlying search graph changes. Theoretical analysis indicates that the proposed algorithm converges to the optimal solution as long as sufficient planning time is given. Planning results on robotic systems with SE(3) and R7 state spaces in challenging environments highlight the superior performance of the proposed algorithm over various state-of-the-art sampling-based planners in both static and dynamic motion planning tasks. The experiment of planning for a Turtlebot 4 operating in a dynamic environment with several moving pedestrians further verifies the feasibility and advantages of the proposed algorithm.

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