In this paper, we consider the multi-robot path execution problem where a group of robots move on predefined paths from their initial to target positions while avoiding collisions and deadlocks in the face of asynchrony. We first show that this problem can be reformulated as a distributed resource allocation problem and, in particular, as an instance of the well-known Drinking Philosophers Problem (DrPP). By careful construction of the drinking sessions capturing shared resources, we show that any existing solutions to DrPP can be used to design robot control policies that are collectively collision and deadlock-free. We then propose modifications to an existing DrPP algorithm to allow more concurrent behavior, and provide conditions under which our method is deadlock-free. Our method does not require robots to know or to estimate the speed profiles of other robots and results in distributed control policies. We demonstrate the efficacy of our method on simulation examples, which show competitive performance against the state-of-the-art.

在多代理路径查找（MAPF）问题中，一组在图表上移动的代理必须达到其自身各自的目的地，而无需间间冲突。在实用的MAPF应用中，如自动仓库导航，偶尔有数百个或更多代理商，MAPF必须在终身基础上迭代地解决。这种情景排除了离线计算密集型最佳方法的简单调整;因此，可扩展的子最优算法用于此类设置。理想的可扩展算法适用于可预测计算时间的迭代方案和输出合理的解决方案。对于上述目的，在本研究中，提出了一种具有回溯（PIBT）的优先级继承的新型算法以迭代地解决MAPF。 PIBT依赖于适应性优先级方案，专注于多个代理的相邻运动;因此它可以应用于若干域。我们证明，无论其数量如何，当环境是图形时，所有代理都保证在有限的时间内达到目的地，使得所有相邻节点属于一个简单的周期（例如，双绞线）。实验结果涵盖了各种场景，包括真正的机器人演示，揭示了所提出的方法的好处。即使用数百种代理商，PIBT也会立即产生可接受的解决方案，可以解决其他事实上MAPF方法的大型情况。此外，PIBT在运行时和解决方案质量的自动化仓库中的传送包中的迭代方案上占据了现有方法。

行为树（BT）是一种在自主代理中（例如机器人或计算机游戏中的虚拟实体）之间在不同任务之间进行切换的方法。 BT是创建模块化和反应性的复杂系统的一种非常有效的方法。这些属性在许多应用中至关重要，这导致BT从计算机游戏编程到AI和机器人技术的许多分支。在本书中，我们将首先对BTS进行介绍，然后我们描述BTS与早期切换结构的关系，并且在许多情况下如何概括。然后，这些想法被用作一套高效且易于使用的设计原理的基础。安全性，鲁棒性和效率等属性对于自主系统很重要，我们描述了一套使用BTS的状态空间描述正式分析这些系统的工具。借助新的分析工具，我们可以对BTS如何推广早期方法的形式形式化。我们还显示了BTS在自动化计划和机器学习中的使用。最后，我们描述了一组扩展的工具，以捕获随机BT的行为，其中动作的结果由概率描述。这些工具可以计算成功概率和完成时间。

Despite recent progress on trajectory planning of multiple robots and path planning of a single tethered robot, planning of multiple tethered robots to reach their individual targets without entanglements remains a challenging problem. In this paper, we present a complete approach to address this problem. Firstly, we propose a multi-robot tether-aware representation of homotopy, using which we can efficiently evaluate the feasibility and safety of a potential path in terms of (1) the cable length required to reach a target following the path, and (2) the risk of entanglements with the cables of other robots. Then, the proposed representation is applied in a decentralized and online planning framework that includes a graph-based kinodynamic trajectory finder and an optimization-based trajectory refinement, to generate entanglement-free, collision-free and dynamically feasible trajectories. The efficiency of the proposed homotopy representation is compared against existing single and multiple tethered robot planning approaches. Simulations with up to 8 UAVs show the effectiveness of the approach in entanglement prevention and its real-time capabilities. Flight experiments using 3 tethered UAVs verify the practicality of the presented approach.

多路径定向问题询问机器人团队的路径最大化收集的总奖励，同时满足路径长度上的预算约束。这个问题模拟了许多多机器人路由任务，例如探索未知的环境和环境监控信息。在本文中，我们专注于如何使机器人团队在对抗环境中运行时对故障的强大。我们介绍了强大的多路径定向事问题（RMOP），在那里我们寻求最糟糕的案例保证，反对能够在大多数$ \ Alpha $机器人处攻击的对手。我们考虑两个问题的两个版本：RMOP离线和RMOP在线。在离线版本中，当机器人执行其计划时，没有通信或重新扫描，我们的主要贡献是一种具有界限近似保证的一般近似方案，其取决于$ \ alpha $和单个机器人导向的近似因子。特别是，我们表明该算法在成本函数是模块化时产生（i）恒因子近似; （ii）在成本函数是子模具时，$ \ log $因子近似; （iii）当成本函数是子模块时的恒因子近似，但是允许机器人通过有界金额超过其路径预算。在在线版本中，RMOP被建模为双人顺序游戏，并基于蒙特卡罗树搜索（MCT），以后退地平线方式自适应解决。除了理论分析之外，我们还对海洋监测和隧道信息收集应用进行仿真研究，以证明我们的方法的功效。

在以并发方式解决团队范围的任务时，多机构系统可能非常有效。但是，如果没有正确的同步，则很难保证合并行为的正确性，例如遵循子任务的特定顺序或同时进行协作。这项工作解决了在复杂的全球任务下，将最低时间的任务计划问题称为线性时间逻辑（LTL）公式。这些任务包括独立本地动作和直接子团队合作的时间和空间要求。提出的解决方案是一种随时随地的算法，结合了对任务分解的基础任务自动机的部分顺序分析，以及用于任务分配的分支和绑定（BNB）搜索方法。提供最小的完成时间的合理性，完整性和最佳性分析。还表明，在搜索范围内持续在时间预算之内，可以迅速达成可行且近乎最佳的解决方案。此外，为了处理在线执行期间任务持续时间和代理失败的波动，提出了适应算法来同步执行状态并动态地重新分配未完成的子任务以保持正确性和最佳性。两种算法通过数值模拟和硬件实验在大规模系统上进行了严格的验证，该算法对几个强基地进行了验证。

当考虑$ N $标记的机器人的运动计划时，我们需要通过一系列平行，连续的，无碰撞的机器人运动来重新布置给定的启动配置为所需的目标配置。目的是在最短的时间内达到新配置；一个重要的约束是始终保持群体连接。以前已经考虑过这种类型的问题，最近值得注意的结果可实现不一定连接的重新配置：如果将起始配置映射到目标配置，则需要最大的曼哈顿距离$ D $，则总体时间表的总持续时间可以是限制为$ \ Mathcal {O}（d）$，这是最佳选择的恒定因素。但是，只有在允许断开连接的重新配置或用于缩放的配置（通过将给定对象的所有维度通过相同的乘法因子增加到相同的乘法因子增加）时，才能实现恒定拉伸。我们通过（1）建立$ \ omega（\ sqrt {n}）$的下限来解决这些主要的开放问题可以实现重新配置。此外，我们表明（3）决定是否可以实现2个制造物，而可以检查多项式时间是否可以实现1个制造pan。

\ textit {约束路径发现}的经典问题是一个经过充分研究但充满挑战的主题，在各个领域，例如沟通和运输等各个领域的应用。权重限制了最短路径问题（WCSPP），作为仅具有一个侧面约束的约束路径查找的基本形式，旨在计划成本最佳路径，其权重/资源使用受到限制。鉴于问题的双标准性质（即处理路径的成本和权重），解决WCSPP的方法具有一些带有双目标搜索的共同属性。本文在约束路径查找和双目标搜索中利用了最新的基于A*的最新技术，并为WCSPP提供了两种精确的解决方案方法，两者都可以在非常大的图表上解决硬性问题实例。我们从经验上评估了算法在新的大型和现实的问题实例上的性能，并在时空指标中显示出它们比最新算法的优势。本文还调查了优先级队列在被a*的约束搜索中的重要性。我们通过对逼真的和随机图进行了广泛的实验来展示，基于桶的队列没有打破打盘的方式可以有效地改善详尽的双标准搜索的算法性能。

Amoebot模型将主动的可编程物质抽象为简单的计算元素的集合，称为Amoebot，它们在本地交互以集体完成协调和运动任务。自2014年SPAA推出以来，越来越多的文献已经改编了其对各种问题的假设。但是，如果没有标准化的假设层次结构，则很难对Amoebot模型下的结果进行精确的系统比较。我们提出了规范的Amoebot模型，该模型是一个更新的形式化，可区分核心模型特征和假设变体系列。规范Amoebot模型解决的关键改进是并发。现有的许多文献隐含地假设Amoebot动作是孤立且可靠的，将分析降低到一个顺序设置，其中最多一次是Amoebot活跃的。但是，实际可编程系统是并发的。 Canonical Amoebot模型将所有Amoebot通信形式化为消息传递，利用并发执行的对抗激活模型。在这种颗粒状的时间处理下，我们采用两种互补方法来并发算法设计。我们首先在任何并发执行下建立一组足够的条件，以实现算法正确性，将并发控制直接嵌入算法设计中。然后，我们提出了一个并发控制框架，该框架使用锁来转换在顺序设置中终止的Amoebot算法，并满足某些约定在并发设置中表现出等效行为的算法中的某些约定。作为案例研究，我们使用简单的六边形形成算法证明了这两种方法。共同的Amoebot模型以及这些并发算法设计的互补方法设计开放的新方向，用于分布式计算可编程问题。

Path planning in the multi-robot system refers to calculating a set of actions for each robot, which will move each robot to its goal without conflicting with other robots. Lately, the research topic has received significant attention for its extensive applications, such as airport ground, drone swarms, and automatic warehouses. Despite these available research results, most of the existing investigations are concerned with the cases of robots with a fixed movement speed without considering uncertainty. Therefore, in this work, we study the problem of path-planning in the multi-robot automatic warehouse context, which considers the time-varying and uncertain robots' movement speed. Specifically, the path-planning module searches a path with as few conflicts as possible for a single agent by calculating traffic cost based on customarily distributed conflict probability and combining it with the classic A* algorithm. However, this probability-based method cannot eliminate all conflicts, and speed's uncertainty will constantly cause new conflicts. As a supplement, we propose the other two modules. The conflict detection and re-planning module chooses objects requiring re-planning paths from the agents involved in different types of conflicts periodically by our designed rules. Also, at each step, the scheduling module fills up the agent's preserved queue and decides who has a higher priority when the same element is assigned to two agents simultaneously. Finally, we compare the proposed algorithm with other algorithms from academia and industry, and the results show that the proposed method is validated as the best performance.

共识算法通过使多个机器人能够收敛到仅使用本地通信的全局变量的一致估计来构成许多分布式算法的基础。但是，标准共识协议可以轻松地由非合作团队成员误入歧途。因此，对于设计弹性分布式算法是必要的，对共识的弹性形式的研究是必要的。 W-MSR共识是一种这样的有弹性共识算法，它允许仅具有通信图的本地知识，而没有用于共享数据的先验模型。但是，给定通信图满足严格的图形连接要求的验证使W-MSR在实践中难以使用。在本文中，我们显示了机器人文献中常用的通信图结构，即基于Voronoi Tessellation构建的通信图，自动产生足够连接的图以拒绝单个非合作团队成员。此外，我们展示了如何增强该图，以拒绝两个非合作团队成员，并为修改进一步的弹性提供路线图。这项贡献将允许在已经依赖基于Voronoi的通信（例如分布式覆盖范围和探索算法）的算法中轻松应用弹性共识。

嘈杂的传感，不完美的控制和环境变化是许多现实世界机器人任务的定义特征。部分可观察到的马尔可夫决策过程（POMDP）提供了一个原则上的数学框架，用于建模和解决不确定性下的机器人决策和控制任务。在过去的十年中，它看到了许多成功的应用程序，涵盖了本地化和导航，搜索和跟踪，自动驾驶，多机器人系统，操纵和人类机器人交互。这项调查旨在弥合POMDP模型的开发与算法之间的差距，以及针对另一端的不同机器人决策任务的应用。它分析了这些任务的特征，并将它们与POMDP框架的数学和算法属性联系起来，以进行有效的建模和解决方案。对于从业者来说，调查提供了一些关键任务特征，以决定何时以及如何成功地将POMDP应用于机器人任务。对于POMDP算法设计师，该调查为将POMDP应用于机器人系统的独特挑战提供了新的见解，并指出了有希望的新方向进行进一步研究。

多机器人运动计划（MRMP）是在运动动力学约束下针对在环境中作用的多个机器人的非缩进轨迹的基本问题。由于其复杂性，现有算法要么利用简化的假设或不完整。这项工作引入了基于动力学冲突的搜索（K-CB），这是一种分散的（分离）MRMP算法，是一般，可扩展性和概率完成的。该算法从成功的解决方案到MRMP的离散类似物（被称为多试路径查找（MAPF））具有灵感。具体来说，我们将基于冲突的搜索（CBS）（一种流行的分散MAPF算法）调整为MRMP设置。这种适应的新颖性是我们直接在连续领域工作，而无需离散化。特别是，动力动力学的约束在本地进行治疗。 K-CBS计划使用低级规划师分别为每个机器人计划，并通过定义单个机器人的约束来解决机器人之间的冲突树以解决机器人之间的碰撞。低水平的计划者可以是用于运动动力学机器人的任何基于采样的树搜索算法，从而将单个机器人的现有计划者提升为多机器人设置。我们表明，K-CBS继承了低级计划者的（概率）完整性。我们说明了在几个案例研究和基准测试中K-CB的一般性和性能。

机械化新鲜市场水果的手工采伐构成了水果产业可持续性的最大挑战之一。在手动收获草莓和桌葡萄等新鲜市场作物时，拾取器花费大量的时间行走，将全托盘携带到领域边缘的收集站。增加对这种作物的收获自动化的一步是部署运输空和全托盘的收获辅助协作机器人（共用机器人），从而通过减少拾取器的非生产步行时间来增加收获效率。这项工作介绍了在商业草莓收获过程中开发合作机器收获援助系统及其评估。在系统的核心上，提示了一种预测随机调度算法，其最小化了预期的非拾取时间，从而最大化了收获效率。在评估实验期间，当机器人到拾取器的比例为1：3时，共同机器人将平均收获效率提高约10％并将平均非生产时间减少60％。在这项工作中开发的概念可以应用于机器人收获艾滋病，用于其他手动收获的作物，这些作物涉及用于行走的作物运输。

共享工作空间中无线轨迹的生成对于大多数多机器人应用程序至关重要。但是，许多基于模型预测控制（MPC）的广泛使用的方法缺乏基础优化的可行性的理论保证。此外，当以分布式的方式应用无中央协调员时，僵局通常会无限期地互相阻挡。尽管存在诸如引入随机扰动之类的启发式方法，但没有进行深入的分析来验证这些措施。为此，我们提出了一种系统的方法，称为Infinite-Horizo​​n模型预测性控制，并通过死锁解决。 MPC用警告范围对拟议的修改后的Voronoi进行了配方，作为凸优化。基于此公式，对僵局的状况进行了正式分析，并证明与力平衡相似。提出了一个检测分辨率方案，该方案可以在甚至在发生之前有效地在网上检测到僵局，并且一旦检测到，便利用自适应分辨率方案来解决僵局，并在绩效上进行理论保证。此外，所提出的计划算法可确保在输入和模型约束下每个时间步骤的基础优化的递归可行性，对于所有机器人都是并发的，并且只需要本地通信。全面的模拟和实验研究是通过大规模多机器人系统进行的。与其他最先进的方法相比，尤其是在拥挤和高速场景中，成功率的显着提高了成功率。

本文研究了运动和环境不确定性的最佳运动规划。通过将系统建模作为概率标记的马尔可夫决策过程（PL-MDP），控制目标是合成有限内存策略，在该策略下，该代理满足具有所需满足的线性时间逻辑（LTL）的高级复杂任务可能性。特别地，考虑了满足无限地平线任务的轨迹的成本优化，分析了降低预期平均成本和最大化任务满意度概率之间的权衡。而不是使用传统的Rabin Automata，LTL公式被转换为限制确定性的B \“UCHI自动机（LDBA），其具有更直接的接受条件和更紧凑的图形结构。这项工作的新颖性在于考虑案件LTL规范可能是不可行的，并且在PL-MDP和LDBA之间的轻松产品MDP的开发可能是不可行的和开发。放松的产品MDP允许代理在任务不完全可行的情况下进行修改其运动计划，并量化修订计划的违规测量。然后配制多目标优化问题，共同考虑任务满意度的概率，违反原始任务限制的违规以及策略执行的实施成本，通过耦合的线性计划解决。据最好我们的知识，它是第一个弥合规划修订版和计划前缀和计划的最佳控制合成之间的差距的工作在无限地平线上修复代理轨迹。提供实验结果以证明所提出的框架的有效性。

本文在具有部分未知语义的环境中解决了多机器人规划问题。假设环境具有已知的几何结构（例如，墙壁），并且由具有不确定位置和类的静态标记的地标占用。这种建模方法引发了语义SLAM算法生成的不确定语义地图。我们的目标是为配备有嘈杂感知系统的机器人设计控制策略，以便他们可以完成全局时间逻辑规范捕获的协同任务。为了指定考虑环境和感知不确定性的任务，我们采用了线性时间逻辑（LTL）的片段，称为CO-Safe LTL，定义了基于感知的原子谓性建模概率满意度要求。基于感知的LTL规划问题产生了通过新型采样的算法解决的最佳控制问题，它产生了在线更新的开环控制策略，以适应连续学习的语义地图。我们提供广泛的实验，以证明拟议的规划架构的效率。

本文提出了一种新颖的方法，用于在具有复杂拓扑结构的地下领域的搜索和救援行动中自动合作。作为CTU-Cras-Norlab团队的一部分，拟议的系统在DARPA SubT决赛的虚拟轨道中排名第二。与专门为虚拟轨道开发的获奖解决方案相反，该建议的解决方案也被证明是在现实世界竞争极为严峻和狭窄的环境中飞行的机上实体无人机的强大系统。提出的方法可以使无缝模拟转移的无人机团队完全自主和分散的部署，并证明了其优于不同环境可飞行空间的移动UGV团队的优势。该论文的主要贡献存在于映射和导航管道中。映射方法采用新颖的地图表示形式 - 用于有效的风险意识长距离计划，面向覆盖范围和压缩的拓扑范围的LTVMAP领域，以允许在低频道通信下进行多机器人合作。这些表示形式与新的方法一起在导航中使用，以在一般的3D环境中可见性受限的知情搜索，而对环境结构没有任何假设，同时将深度探索与传感器覆盖的剥削保持平衡。所提出的解决方案还包括一条视觉感知管道，用于在没有专用GPU的情况下在5 Hz处进行四个RGB流中感兴趣的对象的板上检测和定位。除了参与DARPA SubT外，在定性和定量评估的各种环境中，在不同的环境中进行了广泛的实验验证，UAV系统的性能得到了支持。

基于联系的决策和规划方法越来越重要，无法为腿机器人提供更高的自主性。源自符号系统的正式合成方法具有巨大的推理潜力，了解高级机器决策，并以正确的担保实现复杂的机动行动。本研究迈出了一种正式设计由受约束和动态变化环境中的任务规划和控制全身动态运动行为的架构组成的架构。在高级别，我们在多肢运动策划器和其动态环境之间制定了两个玩家时间逻辑游戏，以综合提供符号机置操作的获胜策略。这些运动动作满足时间逻辑片段中的所需高级任务规范。这些操作被发送到强大的有限转换系统，该过渡系统合成了满足状态可达性限制的运动控制器。该控制器进一步通过低级运动规划器执行，所述低级运动计划产生可行的机器人轨迹。我们构建一组动态运动模型，可用于腿机器人，作为用于处理各种环境事件的模板库。我们设计了一种重新调整策略，考虑到突然的环境变化或大状态干扰，以增加所产生的机器行为的鲁棒性。我们正式证明分层运动框架的正确性，保证了运动规划层的强大实现。在各种环境中的反应运动行为模拟表明我们的框架具有潜在的智能机置行为的理论基础。

This work considers the path planning problem for a team of identical robots evolving in a known environment. The robots should satisfy a global specification given as a Linear Temporal Logic (LTL) formula over a set of regions of interest. The proposed method exploits the advantages of Petri net models for the team of robots and B\"uchi automata modeling the specification. The approach in this paper consists in combining the two models into one, denoted Composed Petri net and use it to find a sequence of action movements for the mobile robots, providing collision free trajectories to fulfill the specification. The solution results from a set of Mixed Integer Linear Programming (MILP) problems. The main advantage of the proposed solution is the completeness of the algorithm, meaning that a solution is found when exists, this representing the key difference with our previous work in [1]. The simulations illustrate comparison results between current and previous approaches, focusing on the computational complexity.