自律移動ロボット群に向けたフリート階層のバッテリ健全性を考慮したスケジューリング

arXiv cs.RO / 2026/3/25

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要点

  • 本論文は、共有リソース制約のもとで自律移動ロボットの群(フリート)に対し、タスク実行と充電をどのようにスケジューリングするかを扱い、バッテリを静的なエネルギー上限として扱うのではなく、バッテリ劣化を明示的に考慮する。
  • フリート全体の最適化として、タスク割当、サービス順序、任意の充電の有無、充電モード選択、充電器へのアクセスを共同で決定し、実証的なバッテリ劣化研究に基づく劣化の代理指標によりロボット間の摩耗の均衡を図る。
  • 最適化の計算可能性を維持するため、アイドル状態のSOC(充電量)に関する劣化の二線形項を線形化し、分解した区分的McCormickによる定式化を用いる。また、LP緩和を改善するために、よりタイトなbig-M値を導出する。
  • スケーラビリティのため、階層型のマティヒューリスティック(matheuristic)を提案する。フリート階層のマスターが割当/経路計画/充電器利用を調整し、ロボット階層のサブ問題が、劣化を考慮した経路条件付きの充電スケジュールを計算する。これは、整数分解により小規模な独立した区画(パーティション)選択問題へと分割することで実現する。
  • 実験では、本手法をルールベースのディスパッチング、エネルギーは実行可能だが劣化を無視するベースライン、劣化は考慮するが充電器容量(共有制約)を考慮しないベースラインと比較し、劣化と共有充電器制約の双方を同時にモデル化する価値を示す。

Abstract

Autonomous mobile robot fleets must coordinate task allocation and charging under limited shared resources, yet most battery aware planning methods address only a single robot. This paper extends degradation cost aware task planning to a multi robot setting by jointly optimizing task assignment, service sequencing, optional charging decisions, charging mode selection, and charger access while balancing degradation across the fleet. The formulation relies on reduced form degradation proxies grounded in the empirical battery aging literature, capturing both charging mode dependent wear and idle state of charge dependent aging; the bilinear idle aging term is linearized through a disaggregated piecewise McCormick formulation. Tight big M values derived from instance data strengthen the LP relaxation. To manage scalability, we propose a hierarchical matheuristic in which a fleet level master problem coordinates assignments, routes, and charger usage, while robot level subproblems whose integer part decomposes into trivially small independent partition selection problems compute route conditioned degradation schedules. Systematic experiments compare the proposed method against three baselines: a rule based nearest available dispatcher, an energy aware formulation that enforces battery feasibility without modeling degradation, and a charger unaware formulation that accounts for degradation but ignores shared charger capacity limits.