双臂干预型自主水下航行器协同操作的鲁棒模型预测控制运动规划方法

本文针对水下双臂协同作业的复杂优化建模与扰动抑制难题，创新性地提出了一种分层任务分解策略，将协同模式分为松散、部分约束与完全约束三类，并构建了加权子任务多目标模型预测控制（WS-MOMPC）框架。通过设计双模块管式MPC（DTMPC）策略，有效应对洋流扰动与系统耦合，显著提升了运动稳定性与规划精度，为水下高冗余系统协同操作提供了可扩展的解决方案。

　　

Highlight

• (a)针对双臂I-AUV协同运动规划中的建模复杂性挑战，本研究建立了分层规划框架，将协同运动模式分为两类：允许双臂相对独立执行任务的松散协同模式，以及强制双臂间协同约束的紧密协同模式。每种模式进一步分解为跟踪、协调与交互子任务，实现灵活的运动模式表征。通过动态配置这些子任务，框架构建了精细化优化模型，有效降低规划复杂度的同时，提升了动态水下环境中的稳定性与适应性。
• (b)开发了双臂I-AUV的WS-MOMPC协同规划框架，在工作空间中纳入多目标加权组合模型。基于运动精度要求与流体动力阻力估计推导的运动成本函数作为软约束，优化载体-机械臂协调。包含关节物理限制的硬约束则确保水下局部环境中的操作安全。所提出的WS-MOMPC框架同时满足了协同任务的多目标优化与严格安全要求，并通过仿真结果验证。
• (c)引入了改进的管式MPC（Tube MPC）方法以应对海流扰动与载体-机械臂耦合效应。通过将“管”约束从状态空间映射至关节空间，并设计基于MPC的辅助扰动补偿求解器模块，系统利用冗余自由度实现精确运动规划。与传统方法相比，DTMPC在冗余系统中表现出色：关节空间管约束实现协同抗扰，而MPC优化确保严格遵循运动限位，防止超调与不可行解。仿真结果表明，DTMPC显著提升了双臂协同期间的抗扰能力与操作稳定性。

Conclusion

本文解决了水下双臂机器人在协同任务中的运动规划问题。通过系统分析不同的协同运动模式，我们研究了载体与双臂间以及臂间协同。结合鲁棒规划概念，我们成功实现了双臂机器人的水下协同操作。针对扰动环境中的动态协同任务，我们提出了一种基于鲁棒运动规划方法。