The Single Robot Line Coverage Problem: Theory, Algorithms, and Experiments

要約

ライン カバレッジは、環境内の特定の 1 次元フィーチャのセットを処理するタスクです。
道路網、送電線、石油やガスのパイプラインなどの直線インフラの検査にとって重要です。
この論文では、グラフ上の最適化問題としてモデル化することで、空中ロボットと地上ロボットの単一ロボット ライン カバレッジ問題に取り組みます。
この問題は、アーク ルーティング問題の広範なクラスに属し、非対称グラフ上の田舎の郵便配達人問題 (RPP) と密接に関連しています。
この論文では、正しさの証明とともに整数線形計画法を提示します。
最小コストフロー問題を使用して、解の品質を保証する近似アルゴリズムを開発します。
これらの保証により、非対称 RPP の既存の結果も改善されます。
主なアルゴリズムは、必要なグラフ、つまりサービスを必要とする機能によって引き起こされるグラフの構造に基づいて、問題を 3 つのケースに分割します。
私たちは、最大 730 の道路セグメントで構成される、世界で最も人口の多い 50 都市の道路ネットワークに関するアルゴリズムを評価します。
改善ヒューリスティックで強化されたアルゴリズムは 3 秒以内に実行され、最適値の 10% 以内のソリューションを生成します。
私たちは市販の UAV を使用してアルゴリズムを実験的に実証します。

要約(オリジナル)

Line coverage is the task of servicing a given set of one-dimensional features in an environment. It is important for the inspection of linear infrastructure such as road networks, power lines, and oil and gas pipelines. This paper addresses the single robot line coverage problem for aerial and ground robots by modeling it as an optimization problem on a graph. The problem belongs to the broad class of arc routing problems and is closely related to the rural postman problem (RPP) on asymmetric graphs. The paper presents an integer linear programming formulation with proofs of correctness. Using the minimum cost flow problem, we develop approximation algorithms with guarantees on the solution quality. These guarantees also improve the existing results for the asymmetric RPP. The main algorithm partitions the problem into three cases based on the structure of the required graph, i.e., the graph induced by the features that require servicing. We evaluate our algorithms on road networks from the 50 most populous cities in the world, consisting of up to 730 road segments. The algorithms, augmented with improvement heuristics, run within 3s and generate solutions that are within 10% of the optimum. We experimentally demonstrate our algorithms with commercial UAVs.

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