２０１４年第０６期
ｄｏｉ：１０ ３９６９／ｊ ｉｓｓｎ １６７１－１１２２ ２０１４ ０６ ０１１
多机器人协同控制与编队方法研究
王文明，周帅
（北京理工大学计算机学院，北京１０００８１）
摘要：随着多机器人系统的研究和发展，其协同控制问题成为核心研究问题。文章针对多机器人
编队问题进行了研究，目的是探索一种通用、有效的编队控制领域的研究策略和研究方法，并给出了一
种编队控制方法，通过仿真实验对控制算法的可行性及稳定性进行了研究和验证，在多机器人环境下完
成了实体机器人实验，收到良好效果。
关键词：多机器人；队形控制；仿真实验；实体实验；Ｐｌａｙｅｒ／Ｓｔａｇｅ；Ｐｉｏｎｅｅｒ３－ＡＴ
中图分类号：ＴＰ３０９ 文献标识码：Ａ 文章编号：１６７１—１１２２（２０１４）０６—００５９—０８
Ｒｅｓｅａｒｃｈ ｏｎ Ｍｕｌｔｉ—ｒｏｂｏｔ Ｃｏｏｐｅｒａｔｉｖｅ Ｃｏｎｔｒｏｌ
ａｎｄ Ｆｏｒｍａｔｉｏｎ Ｍｅｔｈｏｄ
ＷＡＮＧ Ｗｅｎ．ｍｉｎｇ，ＺＨ０Ｕ Ｓｈｕａｉ
（Ｓｃｈｏｏｌ ｏｆＣｏｍｐｕｔｅｒ Ｓｃｉｅｎｃｅ，ＢｅｉｊｉｎｇＩｎｓｔｉｔｕｔｅ ｏｆＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｂｅｉｊｉｎｇ １０００８１，Ｃｈｉｎａ）
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ ａｎｄ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｏｆ ｍｕｌｔｉ ｒｏｂｏｔ ｓｙｓｔｅｍ，ｔｈｅ ｃｏｏｐｅｒａｔｉｖｅ ｃｏｎｔｒｏｌ ｐｒｏｂｌｅｍ ｈａｓ
ｂｅｃｏｍｅ ａ ｃｏｒｅ ｉｓｓｕｅ ｉｎ ｔｈｅ ｒｅｓｅａｒｃｈ．Ｍｕｌｔｉ ｒｏｂｏｔ ｆｏｒｍａｔｉｏｎ ｐｒｏｂｌｅｍｓ ａｒｅ ｓｔｕｄｉｅｄ，ｔｈｅ ｐｕｒｐｏｓｅ ｉｓ ｔｏ ｅｘｐｌｏｒｅ ａ ｋｉｎｄ ｏｆ
ｇｅｎｅｒａｌ，ｅｆｆｅｃｔｉｖｅ ｒｅｓｅａｒｃｈ ｓｔｒａｔｅｇｉｅｓ ａｎｄ ｍｅｔｈｏｄｓ ｉｎ ｆｏｒｍａｔｉｏｎ ｃｏｎｔｒｏｌ ｆｉｅｌｄ．Ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ ｐｒｅｓｅｎｔｅｄ ａ ｆｏｒｍａｔｉｏｎ ｃｏｎｔｒｏｌ
ｍｅｔｈｏｄ，ａｎｄ ｓｔｕｄｉｅｄ ａｎｄ ｖｅｒｉｆｉｅｄ ｆｅａｓｉｂｉｌｉｔｙ ａｎｄ ｓｔａｂｉｌｉｔｙ ｏｆ ｃｏｎｔｒｏｌ ａｌｇｏｒｉｔｈｍ ｔｈｒｏｕｇｈ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ．Ａｎｄ ｔｈｅ
ｒｅａｌ ｒｏｂｏｔ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ ｈａｓ ｂｅｅｎ ｆｉｎｉｓｈｅｄ ｉｎ ｍｕｌｔｉ ｒｏｂｏｔ ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ，ｒｅｃｅｉｖｅｄ ｇｏｏｄ ｒｅｓｕｌｔｓ．
Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｍｕｌｔｉ－ｒｏｂｏｔ；ｆｏｒｍａｔｉｏｎ ｃｏｎｔｒｏｌ；ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ；ｒｅａｌ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ；Ｐｌａｙｅｒ／Ｓｔａｇｅ；Ｐｉｏｎｅｅｒ３－ＡＴ
０引言
在多机器人研究领域中，编队控制主要研究机器人间的协作问题。该项研究日益成为多机器人研究领域的热门科目，
在实际应用方面有着强烈的需求和广阔的应用前景。在军事侦察 、搜寻 、空间探索、排雷排爆、编队飞行、战斗机器
人等领域的应用正在趋于成熟。特别是在任务复杂、环境多变的状况下，多机器人编队工作会大大强于单个机器人，例如
在深海搜索目标方面有待于进一步研究，以及应用水下多机器人编队协作问题。
在日常工作和学习中，人们经常提倡团队精神，这种团队精神就是指团队协作、互相帮助。在自然界中，人们也观察
到一些动物群居、编队行进等状态，这种状态往往呈现出一定的位置关系。研究发现，这种位置关系将有助于动物的生存、
捕食、抵御外来攻击等，而多机器人编队控制的思想正是来源于此。
多机器人编队控制技术是指多个机器人群体在向特定目标或者特定方向运动的过程中，相互之间保持预定的几何形
态，如四边形、三角形、直线等队形，同时又要适应环境约束的控制技术。
经过几十年的发展，多机器人系统在理论和实践方面都取得了较大的进步，也建立了一些适用于多机器人系统研究学
习的仿真系统。队形控制问题已经成为了多机器人系统的热点研究问题，在大部分环境下’通过合适的编队控制能提高系
统完成任务的能力和效率。
本文采用领导一跟随者（Ｌｅａｄｅｒ～Ｆｏｌｌｏｗｅｒ）方法，通过对参数，和 的设定，来控制每个跟随者的速度和转速，从而
实现对多机器人整体的编队控制、保持队形和队形变换；运用Ｐｌａｙｅｒ／Ｓｔａｇｅ仿真平台对算法的可行性和稳定性进行了验证；
●
收稿日期：２０１４—０４—２２
基金项目：科技部科技创新基金［１２Ｃ２６２１３６０３７７９】
作者简介：王文明（１９６７一），男，北京，副教授，硕士，主要研究方向：人机交互、信息安全等；周帅（１９９０一），男，重庆，硕士研究生，
主要研究方向：人机交互、信息安全等。
５９卜 ｌ
２０１４年第０６期＼
通过Ｐｌａｙｅｒ配置文件实现Ｐｌａｙｅｒ与实体机器人相连，进行
了Ｐｌａｙｅｒ与Ｐ３一ＡＴ编队实验设计，将Ｐｌａｙｅｒ／Ｓｔａｇｅ实现的
队形控制算法进行了实体实验。
１编队控制设计
一
般而言，多机器人编队控制包括集中式控制和分布
式控制两类。集中式控制是通过一个集中控制单元来监控 全队机器人，并分别命令控制每个机器人的运动。分布式 控制是指每个机器人利用局部信息自主运动。 到目前为止，研究群体移动机器人编队方法主要有 三种口】：领导一跟随者法（Ｌｅａｄｅｒ—Ｆｏｌｌｏｗｅｒ）、基于行为法 （Ｂｅｈａｖｉｏｒ—Ｂａｓｅｄ）和虚拟结构法（Ｖｉｒｔｕａｌ—Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ）。在这 三种编队方法中，主要区别是所使用的控制器不同，领导一 跟随者法一般采用分布式控制器，行为法也可使用分布式 控制器，而虚拟结构法一般使用集中式控制器。本文采用 领导一跟随者法（Ｌｅａｄｅｒ—Ｆｏｌｌｏｗｅｒ），即让群体中的某个机 器人作为领航者，群体中的其他机器人作为其跟随者，让跟 随者机器人以—定的方向、位置、速度跟踪领航者（也可根 据需要定义多个领航者机器人）。如果我们能正常跟踪领航 者的方向、位置、速度，也就说明解决了多机器人编队控制 问题。如果是战斗机器人编队的话，就可以设定多个领航 机器人，并将群体机器人分成若干战斗小组，作为跟随者 分别跟随自己的领航者机器人。因此，控制好领航和跟随 之间的方向、位置、速度（本文着重谈方向和位置），有重 要的实际意义。在该方法中，领航者机器人至关重要，一 旦失效，则整个编队就会出现混乱，因为所有跟随者机器 人都是根据领航者机器人的状态信息决定自己行为的，失 去这些信息，跟随者机器人就不知所措。这种方法的优点 是只需设定领航者机器人的行为轨迹就可以完美的控制整 个群体的行为和队形（由位置关系决定）。 领导一跟随者法有两种控制器形式： １） 一 控制器：通过控制跟随机器人与领航机器人间 的实际距离，和角度 ，使它们分别达到期望的距离 和 期望的角度 ，也就是让领航机器人与跟随机器人间的距 离和相对转角达到设定值。 ２） 一，控制器：该控制器是用于解决三个机器人之间 的相对位置问题的。其中包括领航者机器人一个，跟随者 机器人两个。当队形稳定时，则说明跟随机器人和两个领 航机器人之间的距离已经达到设定的值。 ２仿真实验 ２．１关于仿真实验 一般多机器人的研究需要大量的实体机器人，而实际 中单个机器人的造价是很昂贵的，直接导致了很多研究所
或者大学都无法承担起这些费用。所以，很多研究机构对
于多机器人的研究都是在仿真平台上进行的，有效地解决
了费用问题，同时也能高效率的进行多机器人的相关研究。
目前最有代表性的仿真平台就是美国南加州大学机器
人研究实验室于１９９９年开发的Ｐｌａｙｅｒ／Ｓｔａｇｅ＿４＿。因此，本文
采用Ｐｌａｙｅｒ／Ｓｔａｇｅ仿真平台进行多机器人编队研究，为机器
人实体实验总结经验。
２．２ Ｐｌａｙｅｒ／Ｓｔａｇｅ
２．２．１ Ｐｌａｙｅｒ
Ｐｌａｙｅｒ是一个能简便、灵活实现移动机器人控制的多
线程的机器人驱动服务器，其在移动机器人上运行时，可
以通过ＴＣＰ套接字技术（Ｓｏｃｋｅｔ）与客户端控制软件进行
双向通信。Ｐｌａｙｅｒ的最大特点是简洁，其与客户端的机器
人程序设计分离开来，有利于客户根据自己的需要和习惯
任意开发自己的机器人控制程序。每一个机器人均可运行
一
个Ｐｌａｙｅｒ程序，为其他机器人提供传感器信息以及控制
命令。相反，如果某个机器人（Ａ）需要获得另一个机器人（Ｂ）
的传感器等信息，则Ａ也是通过Ｂ的Ｐｌａｙｅｒ程序获得的。
２．２．２ Ｓｔａｇｅ
Ｓｔａｇｅ是一个移动类机器人仿真工具，它工作在二维位
图环境，对移动机器人及场景进行仿真模拟，能最大限度
地体现机器人所在的真实环境。Ｓｔａｇｅ的最大特 是提供了
声纳、激光扫描测距仪、色斑显示器、里程计、抓斗、防
撞器／触须器以及移动机器人基座等，可以对虚拟机器人
设备进行实验，并且适用于研究多机器人的路径规划、避
障、保持队形等功能。另外，Ｓｔａｇｅ的虚拟设备可以被网络
机器人服务器Ｐｌａｙｅｒ控制，即Ｐｌａｙｅｒ程序本身提供了丰富
的接口，可以驱动和控制一系列的实体机器人，也可以驱
动和控制Ｓｔａｇｅ仿真环境中的虚拟机器人；同时，这些虚
拟机器人也可以驱动和控制Ｐｌａｙｅｒ服务端的实体设备和机
器人。通过Ｓｔａｇｅ构造虚拟设备环境，有助于研究和开发