第8卷第5期 智能系统学报 Vol.8 No.5 2013年10月 CAAI Transactions on Intelligent Systems 0ct.2013 D0I:10.3969/i.issn.1673-4785.201302011 网络出版地址：http:/www.cnki.net/kcms/detail/23.1538.TP.20130929.1229.010.html 移动机器人队形控制关键技术及其进展 任立敏2，王伟东1，杜志江 (1.哈尔滨工业大学机器人技术与系统国家重点实验室，黑龙江哈尔滨150080：2.北华大学机械工程学院，吉林吉 林132021) 摘要：在明确了多机器人队形控制国内外发展现状的基础上，以地面移动机器人为研究对象，从系统结构、机器人 模型、队形形状表示方法、参考框架及编队控制策略等方面，对多机器人编队控制的研究成果进行了概述.同时，对队 形形状生成、编队跟踪与协调、队形变换与重组以及编队避障等队形控制子问题的国内外研究近况进行了总结和分 析最终指出：研究统一有效的编队控制框架、障碍环境下的队形优化变换、降低系统对通讯能力的要求以及编队控 制在实际物理环境下的应用是移动机器人队形控制领域未来可能的研究主题」 关键词：移动机器人：多机器人：队形控制：关键技术：发展现状 中图分类号：TP242.6文献标志码：A文章编号：1673-4785(2013)05-0381-14 中文引用格式：任立敏，王伟东，杜志江.移动机器人队形控制关键技术及其进展[J].智能系统学报，2013,8(5)：381-394. 英文引用格式：REN Limin,WANG Weidong,DU Zhijiang.Key Technologies and development of formation control of mobile ro- bots [J].CAAI Transactions on Intelligent Systems,2013,8(5):381-394. Key technologies and development of formation control of mobile robots REN Limin'.2,WANG Weidong',DU Zhijiang' (1.State Key Laboratory of Robotics and System,Harbin Institute of Technology,Harbin 150080,China;2.College of Mechanical Engineering,Beihua University,Jilin 132021,China) Abstract:On the basis of defining the present development of multi-robot formation control at home and abroad, with ground mobile robots as the research object,the research achievements on the multi-robot formation control are described in aspects of system structure,robot model,the formation shape representation method,reference frame and formation control strategy.In addition,the present domestic and foreign researches on such sub-problems of for- mation control as the generation of formation shape,formation tracking and coordination,formation change,recom- bination and formation,obstacle avoidance are also summarized and analyzed.It is pointed out finally that the uni- form and effective formation control frame,formation optimization and change in the obstacle environment,reducing system requirements on communication and the application of formation control in the actual physical environment are the future possible research topics. Keywords:mobile robot;multi-robot;formation control;key technology;present development 几十年来，队形控制已经成为多机器人系统制问题的挑战及近年来对多机器人系统应用需求的 (muli-robot system,MRS)研究领域中最重要的问 不断增加.上述因素促进了多机器人系统及其队形 题之一.队形控制是指一组机器人向目标点协调运 控制技术不断向前发展.1997年以后，一些机器人研 动的过程中，形成并维持某一队形形状，同时适应当 究工作者对多机器人系统的研究进展进行了全面深 前工作环境的约束（如障碍物或空间的物理限制）. 入地总结[3)]，其中Chen和Wang于2005年在知名 吸引研究人员对这一问题不断展开深入研究的原因 国际会议ROS上给出了队形控制的详细综述4」 包括来自于生物学的灵感、多机器人系统带来的控 K.Kanjanawanishkul则以面向问题的原则对队形控 制进行了总结).不同于上述文献，本文将研究范围 限制于地面移动机器人地队形控制领域，主要关注 收稿日期：2013-02-23.网络出版日期：2013-09-29. 基金项目：国家自然科学基金资助项目(61105088). 近几年地面移动机器人队形控制相关技术的发展状 通信作者：杜志江.E-mail:Duzj01@hit.cu.cn. 况，对队形控制中涉及到的关键技术及重点研究问第 ８ 卷第 ５ 期 智 能 系 统 学 报 Ｖｏｌ．８ №．５ ２０１３ 年 １０ 月 ＣＡＡＩ Ｔｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓ ｏｎ Ｉｎｔｅｌｌｉｇｅｎｔ Ｓｙｓｔｅｍｓ Ｏｃｔ． ２０１３ ＤＯＩ：１０．３９６９ ／ ｊ．ｉｓｓｎ．１６７３⁃４７８５．２０１３０２０１１ 网络出版地址：ｈｔｔｐ： ／ ／ ｗｗｗ．ｃｎｋｉ．ｎｅｔ ／ ｋｃｍｓ／ ｄｅｔａｉｌ ／ ２３．１５３８．ＴＰ．２０１３０９２９．１２２９．０１０．ｈｔｍｌ 移动机器人队形控制关键技术及其进展 任立敏１，２ ，王伟东１ ，杜志江１ （１．哈尔滨工业大学 机器人技术与系统国家重点实验室，黑龙江 哈尔滨 １５００８０； ２．北华大学 机械工程学院，吉林 吉 林 １３２０２１） 摘 要：在明确了多机器人队形控制国内外发展现状的基础上，以地面移动机器人为研究对象，从系统结构、机器人 模型、队形形状表示方法、参考框架及编队控制策略等方面，对多机器人编队控制的研究成果进行了概述．同时，对队 形形状生成、编队跟踪与协调、队形变换与重组以及编队避障等队形控制子问题的国内外研究近况进行了总结和分 析．最终指出：研究统一有效的编队控制框架、障碍环境下的队形优化变换、降低系统对通讯能力的要求以及编队控 制在实际物理环境下的应用是移动机器人队形控制领域未来可能的研究主题． 关键词：移动机器人；多机器人；队形控制；关键技术；发展现状 中图分类号：ＴＰ２４２．６ 文献标志码：Ａ 文章编号：１６７３⁃４７８５（２０１３）０５⁃０３８１⁃１４ 中文引用格式：任立敏，王伟东，杜志江．移动机器人队形控制关键技术及其进展［Ｊ］． 智能系统学报， ２０１３， ８（５）： ３８１⁃３９４． 英文引用格式：ＲＥＮ Ｌｉｍｉｎ， ＷＡＮＧ Ｗｅｉｄｏｎｇ， ＤＵ Ｚｈｉｊｉａｎｇ． Ｋｅｙ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ ａｎｄ ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ ｏｆ ｆｏｒｍａｔｉｏｎ ｃｏｎｔｒｏｌ ｏｆ ｍｏｂｉｌｅ ｒｏ⁃ ｂｏｔｓ ［Ｊ］． ＣＡＡＩ Ｔｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓ ｏｎ Ｉｎｔｅｌｌｉｇｅｎｔ Ｓｙｓｔｅｍｓ， ２０１３， ８（５）： ３８１⁃３９４． Ｋｅｙ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ ａｎｄ ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ ｏｆ ｆｏｒｍａｔｉｏｎ ｃｏｎｔｒｏｌ ｏｆ ｍｏｂｉｌｅ ｒｏｂｏｔｓ ＲＥＮ Ｌｉｍｉｎ １，２ ， ＷＡＮＧ Ｗｅｉｄｏｎｇ １ ， ＤＵ Ｚｈｉｊｉａｎｇ １ （１． Ｓｔａｔｅ Ｋｅｙ Ｌａｂｏｒａｔｏｒｙ ｏｆ Ｒｏｂｏｔｉｃｓ ａｎｄ Ｓｙｓｔｅｍ， Ｈａｒｂｉｎ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ ｏｆ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ， Ｈａｒｂｉｎ １５００８０， Ｃｈｉｎａ； ２． Ｃｏｌｌｅｇｅ ｏｆ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ， Ｂｅｉｈｕａ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ， Ｊｉｌｉｎ １３２０２１， Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｏｎ ｔｈｅ ｂａｓｉｓ ｏｆ ｄｅｆｉｎｉｎｇ ｔｈｅ ｐｒｅｓｅｎｔ ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ ｏｆ ｍｕｌｔｉ⁃ｒｏｂｏｔ ｆｏｒｍａｔｉｏｎ ｃｏｎｔｒｏｌ ａｔ ｈｏｍｅ ａｎｄ ａｂｒｏａｄ， ｗｉｔｈ ｇｒｏｕｎｄ ｍｏｂｉｌｅ ｒｏｂｏｔｓ ａｓ ｔｈｅ ｒｅｓｅａｒｃｈ ｏｂｊｅｃｔ， ｔｈｅ ｒｅｓｅａｒｃｈ ａｃｈｉｅｖｅｍｅｎｔｓ ｏｎ ｔｈｅ ｍｕｌｔｉ⁃ｒｏｂｏｔ ｆｏｒｍａｔｉｏｎ ｃｏｎｔｒｏｌ ａｒｅ ｄｅｓｃｒｉｂｅｄ ｉｎ ａｓｐｅｃｔｓ ｏｆ ｓｙｓｔｅｍ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ， ｒｏｂｏｔ ｍｏｄｅｌ， ｔｈｅ ｆｏｒｍａｔｉｏｎ ｓｈａｐｅ ｒｅｐｒｅｓｅｎｔａｔｉｏｎ ｍｅｔｈｏｄ， ｒｅｆｅｒｅｎｃｅ ｆｒａｍｅ ａｎｄ ｆｏｒｍａｔｉｏｎ ｃｏｎｔｒｏｌ ｓｔｒａｔｅｇｙ． Ｉｎ ａｄｄｉｔｉｏｎ， ｔｈｅ ｐｒｅｓｅｎｔ ｄｏｍｅｓｔｉｃ ａｎｄ ｆｏｒｅｉｇｎ ｒｅｓｅａｒｃｈｅｓ ｏｎ ｓｕｃｈ ｓｕｂ⁃ｐｒｏｂｌｅｍｓ ｏｆ ｆｏｒ⁃ ｍａｔｉｏｎ ｃｏｎｔｒｏｌ ａｓ ｔｈｅ ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ ｏｆ ｆｏｒｍａｔｉｏｎ ｓｈａｐｅ， ｆｏｒｍａｔｉｏｎ ｔｒａｃｋｉｎｇ ａｎｄ ｃｏｏｒｄｉｎａｔｉｏｎ， ｆｏｒｍａｔｉｏｎ ｃｈａｎｇｅ， ｒｅｃｏｍ⁃ ｂｉｎａｔｉｏｎ ａｎｄ ｆｏｒｍａｔｉｏｎ， ｏｂｓｔａｃｌｅ ａｖｏｉｄａｎｃｅ ａｒｅ ａｌｓｏ ｓｕｍｍａｒｉｚｅｄ ａｎｄ ａｎａｌｙｚｅｄ． Ｉｔ ｉｓ ｐｏｉｎｔｅｄ ｏｕｔ ｆｉｎａｌｌｙ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｕｎｉ⁃ ｆｏｒｍ ａｎｄ ｅｆｆｅｃｔｉｖｅ ｆｏｒｍａｔｉｏｎ ｃｏｎｔｒｏｌ ｆｒａｍｅ， ｆｏｒｍａｔｉｏｎ ｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ ａｎｄ ｃｈａｎｇｅ ｉｎ ｔｈｅ ｏｂｓｔａｃｌｅ ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ， ｒｅｄｕｃｉｎｇ ｓｙｓｔｅｍ ｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔｓ ｏｎ ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ ａｎｄ ｔｈｅ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｏｆ ｆｏｒｍａｔｉｏｎ ｃｏｎｔｒｏｌ ｉｎ ｔｈｅ ａｃｔｕａｌ ｐｈｙｓｉｃａｌ ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ ａｒｅ ｔｈｅ ｆｕｔｕｒｅ ｐｏｓｓｉｂｌｅ ｒｅｓｅａｒｃｈ ｔｏｐｉｃｓ． Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｍｏｂｉｌｅ ｒｏｂｏｔ； ｍｕｌｔｉ⁃ｒｏｂｏｔ； ｆｏｒｍａｔｉｏｎ ｃｏｎｔｒｏｌ； ｋｅｙ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ； ｐｒｅｓｅｎｔ ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ 收稿日期：２０１３⁃０２⁃２３． 网络出版日期：２０１３⁃０９⁃２９． 基金项目：国家自然科学基金资助项目（６１１０５０８８）． 通信作者：杜志江． Ｅ⁃ｍａｉｌ： Ｄｕｚｊ０１＠ ｈｉｔ．ｅｄｕ．ｃｎ． 几十年来，队形控制已经成为多机器人系统 （ｍｕｌｔｉ⁃ｒｏｂｏｔ ｓｙｓｔｅｍ， ＭＲＳ） 研究领域中最重要的问 题之一．队形控制是指一组机器人向目标点协调运 动的过程中，形成并维持某一队形形状，同时适应当 前工作环境的约束（如障碍物或空间的物理限制）． 吸引研究人员对这一问题不断展开深入研究的原因 包括来自于生物学的灵感、多机器人系统带来的控 制问题的挑战及近年来对多机器人系统应用需求的 不断增加．上述因素促进了多机器人系统及其队形 控制技术不断向前发展．１９９７ 年以后，一些机器人研 究工作者对多机器人系统的研究进展进行了全面深 入地总结［１⁃３］ ，其中 Ｃｈｅｎ 和 Ｗａｎｇ 于 ２００５ 年在知名 国际会议 ＩＲＯＳ 上给出了队形控制的详细综述［４］ ， Ｋ． Ｋａｎｊａｎａｗａｎｉｓｈｋｕｌ 则以面向问题的原则对队形控 制进行了总结［５］ ．不同于上述文献，本文将研究范围 限制于地面移动机器人地队形控制领域，主要关注 近几年地面移动机器人队形控制相关技术的发展状 况，对队形控制中涉及到的关键技术及重点研究问