第10卷第4期 智能系统学报 Vol.10 No.4 2015年8月 CAAI Transactions on Intelligent Systems Feh.2015 D0:10.3969/j.issn.1673-4785.201407014 网s络出版地址：http:/www.cnki.net/kcms/detail/23.1538.TP.20150720.0912.004.html 一种基于模糊方法的领导-跟随型多机器人编队控制 吴垠12，刘忠信2，陈增强2，孙青林12 (1.南开大学计算机与控制工程学院，天津300071：2.天津市智能机器人技术重点实验室，天津300071) 摘要：该文采用领导-跟随方式实现多机器人的编队控制针对移动机器人模型复杂性及不确定性等因素，采用不 依赖系统模型的模糊控制方法，对领导者进行路径跟踪控制通过模糊控制器的输出实时调整线速度和角速度，使领 导者能够达到并沿着给定的路径运动同时通过设计合适的控制律使每个跟随者与领导者的相对距离和角度收敛到 给定值，从而达到编队控制效果通过数值仿真及实际的场地实验表明，该算法可有效实现多移动机器人路径跟踪及 编队运动的控制。 关键词：模糊控制：路径跟踪：移动机器人：运动学模型：领导者：跟随者：SBC控制：编队控制 中图分类号：TP18文献标志码：A文章编号：1673-4785(2015)04-0533-08 中文引用格式：吴垠，刘忠信，陈增强，等.一种基于模糊方法的领导-跟随型多机器人编队控制[J].智能系统学报，2015,10(4)： 533.540. 英文引用格式：WU Yin,LIU Zhongxin,Chen Zengqiang,etal.Formation control of leader-following type multi-robot based on fuzzy control method [J].CAAI Transactions on Intelligent Systems,2015,10(4):533-540. Formation control of leader-following type multi-robot based on fuzzy control method WU Yin2,LIU Zhongxin,CHEN Zengqiang'2,SUN Qinglin'2 (1.College of Computer and Control Engineering,Nankai University,Tianjin 300071,China;2.Key Laboratory of Intelligent Robot- ics of Tianjin,Tianjin 300071,China) Abstract:The leader-following method is adopted in this paper to achieve formation control of multi-robot.In order to overcome the complexity and uncertainty of mobile robot model,fuzzy control which is independent of system model is chosen as the path tracking strategy for the leader robot.The velocity and angular velocity of the leader are adjusted in real time by the output of fuzzy controller,guaranteeing that the leader can reach and move along the desired path.At the same time,the appropriate control law is designed to make the relative distance and angle be- tween the leader and each follower converge to the given value,so as to achieve the desired formation control.Nu- merical simulations and actual field experiments are provided in this paper,showing the effectiveness of the control strategy in path tracking and the formation control of multiple mobile robots. Keywords:fuzzy control;path following;mobile robot;kinematic model;leader;follower;SBC control;formation control 在实际工程应用中，由于单个智能体自身能力 协同控制吸引了越来越多的研究者。如今，随着研 的局限性，在处理复杂任务或处于复杂环境下仅靠 究的不断深入和发展，多智能体编队协同控制已经 个体行为往往无法解决。人们受到自然界中鱼群、 得到了广泛的应用，如环境勘探、残留有毒物清理、 鸟群等生物种群协作完成捕食、迁移等生物集群协 大型物体运输、搜寻与救援任务等4。而多机器 作行为的启发，将这种生物集群编队协作的特点运 人编队控制是多智能体系统研究中最典型的问题之 用到多智能体系统中)。近年来，多智能体编队 一。同时随着人工智能科学的不断发展，越来越多 的人工智能算法被应用到多智能体系统中来，其中 收稿日期：2014-07-09.网络出版日期：2015-07-20 模糊控制是人工智能研究的热点之一。模糊控制本 基金项目：国家自然科学基金资助项目(61174094,61273138)：天津市 自然科学基金资助项目(13 JCYBJC17400,14 JCYBJC18700. 身属于一种非线性控制，它不依赖于被控对象的数 14 JCZDJC39300). 通信作者：刘忠信Email:lzhx@nankai.cdu.cn 学模型。对于模型中具有高度非线性和不确定性因第 １０ 卷第 ４ 期 智 能 系 统 学 报 Ｖｏｌ．１０ №．４ ２０１５ 年 ８ 月 ＣＡＡＩ Ｔｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓ ｏｎ Ｉｎｔｅｌｌｉｇｅｎｔ Ｓｙｓｔｅｍｓ Ｆｅｂ． ２０１５ ＤＯＩ：１０．３９６９ ／ ｊ．ｉｓｓｎ．１６７３⁃４７８５．２０１４０７０１４ 网络出版地址：ｈｔｔｐ： ／ ／ ｗｗｗ．ｃｎｋｉ．ｎｅｔ ／ ｋｃｍｓ／ ｄｅｔａｉｌ ／ ２３．１５３８．ＴＰ．２０１５０７２０．０９１２．００４．ｈｔｍｌ 一种基于模糊方法的领导－跟随型多机器人编队控制 吴垠１，２ ，刘忠信１，２ ，陈增强１，２ ，孙青林１，２ （１．南开大学计算机与控制工程学院，天津 ３０００７１；２．天津市智能机器人技术重点实验室，天津 ３０００７１） 摘 要：该文采用领导－跟随方式实现多机器人的编队控制．针对移动机器人模型复杂性及不确定性等因素，采用不 依赖系统模型的模糊控制方法，对领导者进行路径跟踪控制．通过模糊控制器的输出实时调整线速度和角速度，使领 导者能够达到并沿着给定的路径运动．同时通过设计合适的控制律使每个跟随者与领导者的相对距离和角度收敛到 给定值，从而达到编队控制效果．通过数值仿真及实际的场地实验表明，该算法可有效实现多移动机器人路径跟踪及 编队运动的控制。 关键词：模糊控制；路径跟踪；移动机器人；运动学模型；领导者；跟随者；ＳＢＣ 控制；编队控制 中图分类号：ＴＰ１８ 文献标志码：Ａ 文章编号：１６７３⁃４７８５（２０１５）０４⁃０５３３⁃０８ 中文引用格式：吴垠，刘忠信，陈增强，等．一种基于模糊方法的领导－跟随型多机器人编队控制［ Ｊ］． 智能系统学报， ２０１５， １０（４）： ５３３⁃５４０． 英文引用格式：ＷＵ Ｙｉｎ， ＬＩＵ Ｚｈｏｎｇｘｉｎ， Ｃｈｅｎ Ｚｅｎｇｑｉａｎｇ， ｅｔ ａｌ ．Ｆｏｒｍａｔｉｏｎ ｃｏｎｔｒｏｌ ｏｆ ｌｅａｄｅｒ⁃ｆｏｌｌｏｗｉｎｇ ｔｙｐｅ ｍｕｌｔｉ⁃ｒｏｂｏｔ ｂａｓｅｄ ｏｎ ｆｕｚｚｙ ｃｏｎｔｒｏｌ ｍｅｔｈｏｄ ［Ｊ］． ＣＡＡＩ Ｔｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓ ｏｎ Ｉｎｔｅｌｌｉｇｅｎｔ Ｓｙｓｔｅｍｓ， ２０１５， １０（４）： ５３３⁃５４０． Ｆｏｒｍａｔｉｏｎ ｃｏｎｔｒｏｌ ｏｆ ｌｅａｄｅｒ⁃ｆｏｌｌｏｗｉｎｇ ｔｙｐｅ ｍｕｌｔｉ⁃ｒｏｂｏｔ ｂａｓｅｄ ｏｎ ｆｕｚｚｙ ｃｏｎｔｒｏｌ ｍｅｔｈｏｄ ＷＵ Ｙｉｎ １，２ ， ＬＩＵ Ｚｈｏｎｇｘｉｎ １，２ ， ＣＨＥＮ Ｚｅｎｇｑｉａｎｇ １，２ ， ＳＵＮ Ｑｉｎｇｌｉｎ １，２ （１． Ｃｏｌｌｅｇｅ ｏｆ Ｃｏｍｐｕｔｅｒ ａｎｄ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ， Ｎａｎｋａｉ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ， Ｔｉａｎｊｉｎ ３０００７１， Ｃｈｉｎａ； ２． Ｋｅｙ Ｌａｂｏｒａｔｏｒｙ ｏｆ Ｉｎｔｅｌｌｉｇｅｎｔ Ｒｏｂｏｔ⁃ ｉｃｓ ｏｆ Ｔｉａｎｊｉｎ， Ｔｉａｎｊｉｎ ３０００７１， Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ ｌｅａｄｅｒ⁃ｆｏｌｌｏｗｉｎｇ ｍｅｔｈｏｄ ｉｓ ａｄｏｐｔｅｄ ｉｎ ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ ｔｏ ａｃｈｉｅｖｅ ｆｏｒｍａｔｉｏｎ ｃｏｎｔｒｏｌ ｏｆ ｍｕｌｔｉ⁃ｒｏｂｏｔ． Ｉｎ ｏｒｄｅｒ ｔｏ ｏｖｅｒｃｏｍｅ ｔｈｅ ｃｏｍｐｌｅｘｉｔｙ ａｎｄ ｕｎｃｅｒｔａｉｎｔｙ ｏｆ ｍｏｂｉｌｅ ｒｏｂｏｔ ｍｏｄｅｌ， ｆｕｚｚｙ ｃｏｎｔｒｏｌ ｗｈｉｃｈ ｉｓ ｉｎｄｅｐｅｎｄｅｎｔ ｏｆ ｓｙｓｔｅｍ ｍｏｄｅｌ ｉｓ ｃｈｏｓｅｎ ａｓ ｔｈｅ ｐａｔｈ ｔｒａｃｋｉｎｇ ｓｔｒａｔｅｇｙ ｆｏｒ ｔｈｅ ｌｅａｄｅｒ ｒｏｂｏｔ． Ｔｈｅ ｖｅｌｏｃｉｔｙ ａｎｄ ａｎｇｕｌａｒ ｖｅｌｏｃｉｔｙ ｏｆ ｔｈｅ ｌｅａｄｅｒ ａｒｅ ａｄｊｕｓｔｅｄ ｉｎ ｒｅａｌ ｔｉｍｅ ｂｙ ｔｈｅ ｏｕｔｐｕｔ ｏｆ ｆｕｚｚｙ ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ， ｇｕａｒａｎｔｅｅｉｎｇ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｌｅａｄｅｒ ｃａｎ ｒｅａｃｈ ａｎｄ ｍｏｖｅ ａｌｏｎｇ ｔｈｅ ｄｅｓｉｒｅｄ ｐａｔｈ． Ａｔ ｔｈｅ ｓａｍｅ ｔｉｍｅ， ｔｈｅ ａｐｐｒｏｐｒｉａｔｅ ｃｏｎｔｒｏｌ ｌａｗ ｉｓ ｄｅｓｉｇｎｅｄ ｔｏ ｍａｋｅ ｔｈｅ ｒｅｌａｔｉｖｅ ｄｉｓｔａｎｃｅ ａｎｄ ａｎｇｌｅ ｂｅ⁃ ｔｗｅｅｎ ｔｈｅ ｌｅａｄｅｒ ａｎｄ ｅａｃｈ ｆｏｌｌｏｗｅｒ ｃｏｎｖｅｒｇｅ ｔｏ ｔｈｅ ｇｉｖｅｎ ｖａｌｕｅ， ｓｏ ａｓ ｔｏ ａｃｈｉｅｖｅ ｔｈｅ ｄｅｓｉｒｅｄ ｆｏｒｍａｔｉｏｎ ｃｏｎｔｒｏｌ． Ｎｕ⁃ ｍｅｒｉｃａｌ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｓ ａｎｄ ａｃｔｕａｌ ｆｉｅｌｄ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｓ ａｒｅ ｐｒｏｖｉｄｅｄ ｉｎ ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ， ｓｈｏｗｉｎｇ ｔｈｅ ｅｆｆｅｃｔｉｖｅｎｅｓｓ ｏｆ ｔｈｅ ｃｏｎｔｒｏｌ ｓｔｒａｔｅｇｙ ｉｎ ｐａｔｈ ｔｒａｃｋｉｎｇ ａｎｄ ｔｈｅ ｆｏｒｍａｔｉｏｎ ｃｏｎｔｒｏｌ ｏｆ ｍｕｌｔｉｐｌｅ ｍｏｂｉｌｅ ｒｏｂｏｔｓ． Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｆｕｚｚｙ ｃｏｎｔｒｏｌ； ｐａｔｈ ｆｏｌｌｏｗｉｎｇ； ｍｏｂｉｌｅ ｒｏｂｏｔ； ｋｉｎｅｍａｔｉｃ ｍｏｄｅｌ； ｌｅａｄｅｒ； ｆｏｌｌｏｗｅｒ； ＳＢＣ ｃｏｎｔｒｏｌ； ｆｏｒｍａｔｉｏｎ ｃｏｎｔｒｏｌ 收稿日期：２０１４⁃０７⁃０９． 网络出版日期：２０１５⁃０７⁃２０． 基金项目：国家自然科学基金资助项目（ ６１１７４０９４， ６１２７３１３８）；天津市 自然科学基金资助项目（ １３ＪＣＹＢＪＣ１７４００， １４ＪＣＹＢＪＣ１８７００， １４ＪＣＺＤＪＣ３９３００）． 通信作者：刘忠信．Ｅｍａｉｌ：ｌｚｈｘ＠ ｎａｎｋａｉ．ｅｄｕ．ｃｎ． 在实际工程应用中，由于单个智能体自身能力 的局限性，在处理复杂任务或处于复杂环境下仅靠 个体行为往往无法解决。 人们受到自然界中鱼群、 鸟群等生物种群协作完成捕食、迁移等生物集群协 作行为的启发，将这种生物集群编队协作的特点运 用到多智能体系统中［１⁃３］ 。 近年来，多智能体编队 协同控制吸引了越来越多的研究者。 如今，随着研 究的不断深入和发展，多智能体编队协同控制已经 得到了广泛的应用，如环境勘探、残留有毒物清理、 大型物体运输、搜寻与救援任务等［４⁃５］ 。 而多机器 人编队控制是多智能体系统研究中最典型的问题之 一。 同时随着人工智能科学的不断发展，越来越多 的人工智能算法被应用到多智能体系统中来，其中 模糊控制是人工智能研究的热点之一。 模糊控制本 身属于一种非线性控制，它不依赖于被控对象的数 学模型。 对于模型中具有高度非线性和不确定性因