Switching control of underactuated multi-channel systems with input constraints for cooperative manipulation

📄 arXiv: 2511.22810v1 📥 PDF

作者: Dongjae Lee, Dimos V. Dimarogonas, H. Jin Kim

分类: eess.SY, cs.RO

发布日期: 2025-11-27

备注: 14 pages

💡 一句话要点

针对欠驱动多通道系统，提出基于事件触发切换控制的协同操作框架

🎯 匹配领域: 支柱一：机器人控制 (Robot Control)

关键词: 欠驱动系统 多通道系统 协同操作 事件触发控制 混合整数线性规划 非抓取操作 切换控制

📋 核心要点

  1. 现有方法难以同时处理欠驱动多通道系统的通道分配、输入约束和稳定性问题，尤其是在协同操作任务中。
  2. 论文提出一种事件触发切换控制框架，利用混合整数线性规划进行通道分配和稳定性分析，并采用二次规划保证切换间隙的稳定性。
  3. 通过2D/3D自由飞行器和多机器人非抓取推动任务的仿真验证，证明了该方法在欠驱动协同操作中的有效性和实时性。

📝 摘要（中文）

本文提出了一种针对具有输入约束的非线性欠驱动多通道系统的事件触发切换控制框架。该系统灵感来源于涉及欠驱动的协同操作任务，其中多个欠驱动智能体协同推或拉一个物体到目标姿态。与现有的多通道系统方法不同，我们的方法通过额外处理智能体的通道分配来解决欠驱动和潜在的可控性损失问题。为了同时考虑通道分配、输入约束和稳定性，我们将控制问题表述为混合整数线性规划，并推导出其可行性的充分条件。为了提高实时计算效率，我们引入了一种事件触发控制方案，该方案通过基于二次规划的稳定控制器来维持切换事件之间的稳定性。我们从理论上建立了该方法的半全局指数稳定性，以及其在非瞬时切换下扩展到非抓取协同操作的渐近稳定性。该框架通过在2D和3D自由飞行器系统以及多机器人非抓取推动任务上的数值模拟得到了进一步验证。

🔬 方法详解

问题定义：论文旨在解决欠驱动多通道系统在协同操作任务中的控制问题，尤其是在存在输入约束的情况下。现有的多通道系统控制方法通常难以同时处理欠驱动特性、通道分配问题以及输入约束，这可能导致可控性丧失和系统性能下降。

核心思路：论文的核心思路是将通道分配问题与控制问题相结合，通过切换控制策略来应对欠驱动特性带来的挑战。具体而言，通过混合整数线性规划（MILP）来优化通道分配，并设计事件触发机制来减少计算负担，同时保证系统的稳定性。

技术框架：整体框架包含以下几个主要模块：1) 通道分配模块：使用MILP来确定每个智能体的通道分配，以优化系统的可控性和性能。2) 事件触发机制：根据系统状态的变化，动态地触发控制器的切换，从而减少计算量。3) 稳定控制器：在切换事件之间，使用基于二次规划（QP）的稳定控制器来保证系统的稳定性。4) 切换逻辑：定义切换规则，决定何时进行通道分配的切换。

关键创新：论文的关键创新在于将通道分配问题纳入到控制框架中，并采用事件触发机制来提高计算效率。传统的控制方法通常假设通道分配是固定的，或者采用启发式方法进行分配，而本文通过优化方法来确定最佳的通道分配，从而提高了系统的性能和鲁棒性。此外，事件触发机制可以显著减少控制器的计算量，使其更适用于实时应用。

关键设计：MILP的约束条件包括输入约束、稳定性约束和通道分配约束。事件触发条件基于系统状态与预设阈值的比较，当系统状态偏离期望状态超过阈值时，触发控制器的切换。QP控制器的目标是最小化控制输入，同时保证系统的稳定性。

📊 实验亮点

论文通过数值仿真验证了所提出方法的有效性。在2D和3D自由飞行器系统以及多机器人非抓取推动任务中，该方法能够实现系统的稳定控制和目标姿态的跟踪。实验结果表明，该方法能够有效地处理欠驱动特性和输入约束，并具有良好的实时性能。此外，事件触发机制能够显著减少控制器的计算量，使其更适用于实际应用。

🎯 应用场景

该研究成果可应用于多机器人协同搬运、编队控制、以及其他涉及欠驱动系统的协同操作任务。例如，在仓库自动化中，多个无人车协同搬运大型货物；在灾难救援中，多个无人机协同搜索和搬运救援物资。该方法能够提高系统的鲁棒性和效率，降低对单个智能体性能的要求。

📄 摘要（原文）

This work presents an event-triggered switching control framework for a class of nonlinear underactuated multi-channel systems with input constraints. These systems are inspired by cooperative manipulation tasks involving underactuation, where multiple underactuated agents collaboratively push or pull an object to a target pose. Unlike existing approaches for multi-channel systems, our method addresses underactuation and the potential loss of controllability by additionally addressing channel assignment of agents. To simultaneously account for channel assignment, input constraints, and stabilization, we formulate the control problem as a Mixed Integer Linear Programming and derive sufficient conditions for its feasibility. To improve real-time computation efficiency, we introduce an event-triggered control scheme that maintains stability even between switching events through a quadratic programming-based stabilizing controller. We theoretically establish the semi-global exponential stability of the proposed method and the asymptotic stability of its extension to nonprehensile cooperative manipulation under noninstantaneous switching. The proposed framework is further validated through numerical simulations on 2D and 3D free-flyer systems and multi-robot nonprehensile pushing tasks.