第9卷第3期 智能系统学报 Vol.9 No.3 2014年6月 CAAI Transactions on Intelligent Systems Jun.2014 D0l:10.3969/j.issn.1673-4785. 网络出版地址：http:/www.cnki.net/kcms/doi/10.3969/j-issn.1673-4785.201310010.html 一种多智能体领航跟随编队新型控制器的设计 王中林12，刘忠信2，陈增强2，孙青林2，吴垠12，马争光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：研究了基于离散时间模型的多智能体领航跟随编队控制算法。在该算法中，通过引入基于邻居的局部控制 律以及基于邻居的状态估计规则设计了一种新型控制器，在该控制器中通过简单地设定跟随者和领航者之间的相 对坐标即可方便地实现任意形状编队，同时该文引入了坐标旋转公式一用于实现整个队形能够随着领航者的运 动方向的变化做相应旋转，且文中分别给出了固定拓扑和切换拓扑时系统稳定编队的充分条件。最后分别通过 Matlab仿真和在Amigobot机器人平台上做实验来验证该算法的正确性及实际可行性。 关键词：多智能体系统；一致性；编队控制：领航跟随：机器人；坐标旋转公式 中图分类号：TP18文献标志码：A文章编号：1673-4785(2014)03-0298-09 中文引用格式：王中林，刘忠信，陈增强，等.一种多智能体领航跟随编队新型控制器的设计[J].智能系统学报，2014,9(3)：298 306. 英文引用格式：WANG Zhonglin,LIU Zhongxin,CHEN Zengqiang,etal.A kind of new type controller for multi-agent leader--fol- lower formation[J].CAAI Transactions on Intelligent Systems,2014,9(3):298-306. A kind of new type controller for multi-agent leader-follower formation WANG Zhonglin'2,IIU Zhongxin'2,CHEN Zengqiang'2,SUN Qinglin'2,WU Yin',MA Zhengguang' (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:In this paper,the algorithm of formation control concerning the Leader-Follower Multi-Agent System (MAS)based on the discrete-time model is researched.By introducing the neighbor-based local control law and the neighbor-based state estimation rules,a kind of new type controller for multi-agent leader-follower formation is de- signed.Arbitrary shape formations can be easily achieved by simply setting the follower and leader relative coordi- nates.At the same time,the coordinate rotating formula is introduced to realize the entire formation rotating accord- ingly with changes of the direction of the movement of the leader.This paper gives two sufficient conditions for the system's stable formation of fixed topology and switching topology,respectively.The correctness and the practical feasibility of this algorithm were verified through the MATLAB simulation and experiments were conducted using the Amigobot robot platform,respectively. Keywords:multi-agent system (MAS);consensus;formation control;leader-follower;robots;coordinate rotating formula 近年来，多智能体系统受到了越来越多的关注。 所谓多智能体系统是指由多个可自主计算的智能体 组成的系统，它具有自组织、学习和推理等能力以及 收稿日期：2013-10-08.网络出版日期：2014-06-14. 基金项目：国家白然科学基金资助项目(61174094)：天津市自然科学 自主性、分布性和协调性等特点，在系统中每个智能 基金资助项目(13 JCYBJC17400) 体仅需与邻居进行信息交互，便能完成一个整体的 通信作者：刘忠信.lhx@nankai.cdu.cn 期望目标。多智能体技术有着广泛的应用背景，譬第 ９ 卷第 ３ 期 智 能 系 统 学 报 Ｖｏｌ．９ №．３ ２０１４ 年 ６ 月 ＣＡＡＩ Ｔｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓ ｏｎ Ｉｎｔｅｌｌｉｇｅｎｔ Ｓｙｓｔｅｍｓ Ｊｕｎ． ２０１４ ＤＯＩ：１０．３９６９ ／ ｊ．ｉｓｓｎ．１６７３⁃４７８５． 网络出版地址：ｈｔｔｐ： ／ ／ ｗｗｗ．ｃｎｋｉ．ｎｅｔ ／ ｋｃｍｓ／ ｄｏｉ ／ １０．３９６９ ／ ｊ．ｉｓｓｎ．１６７３⁃４７８５．２０１３１００１０．ｈｔｍｌ 一种多智能体领航跟随编队新型控制器的设计 王中林１，２ ，刘忠信１，２ ，陈增强１，２ ，孙青林１，２ ，吴垠１，２ ，马争光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：研究了基于离散时间模型的多智能体领航跟随编队控制算法。 在该算法中，通过引入基于邻居的局部控制 律以及基于邻居的状态估计规则设计了一种新型控制器，在该控制器中通过简单地设定跟随者和领航者之间的相 对坐标即可方便地实现任意形状编队，同时该文引入了坐标旋转公式———用于实现整个队形能够随着领航者的运 动方向的变化做相应旋转，且文中分别给出了固定拓扑和切换拓扑时系统稳定编队的充分条件。 最后分别通过 Ｍａｔｌａｂ 仿真和在 Ａｍｉｇｏｂｏｔ 机器人平台上做实验来验证该算法的正确性及实际可行性。 关键词：多智能体系统；一致性；编队控制；领航跟随；机器人；坐标旋转公式 中图分类号： ＴＰ１８ 文献标志码：Ａ 文章编号：１６７３⁃４７８５（２０１４）０３⁃０２９８⁃０９ 中文引用格式：王中林，刘忠信，陈增强，等．一种多智能体领航跟随编队新型控制器的设计［ Ｊ］． 智能系统学报， ２０１４， ９（３）： ２９８⁃ ３０６． 英文引用格式：ＷＡＮＧ Ｚｈｏｎｇｌｉｎ， ＬＩＵ Ｚｈｏｎｇｘｉｎ， ＣＨＥＮ Ｚｅｎｇｑｉａｎｇ， ｅｔ ａｌ． Ａ ｋｉｎｄ ｏｆ ｎｅｗ ｔｙｐｅ ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ ｆｏｒ ｍｕｌｔｉ⁃ａｇｅｎｔ ｌｅａｄｅｒ⁃ｆｏｌ⁃ ｌｏｗｅｒ ｆｏｒｍａｔｉｏｎ［Ｊ］． ＣＡＡＩ Ｔｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓ ｏｎ Ｉｎｔｅｌｌｉｇｅｎｔ Ｓｙｓｔｅｍｓ， ２０１４， ９（３）： ２９８⁃３０６． Ａ ｋｉｎｄ ｏｆ ｎｅｗ ｔｙｐｅ ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ ｆｏｒ ｍｕｌｔｉ⁃ａｇｅｎｔ ｌｅａｄｅｒ⁃ｆｏｌｌｏｗｅｒ ｆｏｒｍａｔｉｏｎ ＷＡＮＧ Ｚｈｏｎｇｌｉｎ １，２ ， ＬＩＵ Ｚｈｏｎｇｘｉｎ １，２ ， ＣＨＥＮ Ｚｅｎｇｑｉａｎｇ １，２ ， ＳＵＮ Ｑｉｎｇｌｉｎ １，２ ， ＷＵ Ｙｉｎ １，２ ， ＭＡ Ｚｈｅｎｇｇｕａｎｇ 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：Ｉｎ ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ， ｔｈｅ ａｌｇｏｒｉｔｈｍ ｏｆ ｆｏｒｍａｔｉｏｎ ｃｏｎｔｒｏｌ ｃｏｎｃｅｒｎｉｎｇ ｔｈｅ Ｌｅａｄｅｒ⁃Ｆｏｌｌｏｗｅｒ Ｍｕｌｔｉ⁃Ａｇｅｎｔ Ｓｙｓｔｅｍ （ＭＡＳ） ｂａｓｅｄ ｏｎ ｔｈｅ ｄｉｓｃｒｅｔｅ⁃ｔｉｍｅ ｍｏｄｅｌ ｉｓ ｒｅｓｅａｒｃｈｅｄ． Ｂｙ ｉｎｔｒｏｄｕｃｉｎｇ ｔｈｅ ｎｅｉｇｈｂｏｒ⁃ｂａｓｅｄ ｌｏｃａｌ ｃｏｎｔｒｏｌ ｌａｗ ａｎｄ ｔｈｅ ｎｅｉｇｈｂｏｒ⁃ｂａｓｅｄ ｓｔａｔｅ ｅｓｔｉｍａｔｉｏｎ ｒｕｌｅｓ， ａ ｋｉｎｄ ｏｆ ｎｅｗ ｔｙｐｅ ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ ｆｏｒ ｍｕｌｔｉ⁃ａｇｅｎｔ ｌｅａｄｅｒ⁃ｆｏｌｌｏｗｅｒ ｆｏｒｍａｔｉｏｎ ｉｓ ｄｅ⁃ ｓｉｇｎｅｄ． Ａｒｂｉｔｒａｒｙ ｓｈａｐｅ ｆｏｒｍａｔｉｏｎｓ ｃａｎ ｂｅ ｅａｓｉｌｙ ａｃｈｉｅｖｅｄ ｂｙ ｓｉｍｐｌｙ ｓｅｔｔｉｎｇ ｔｈｅ ｆｏｌｌｏｗｅｒ ａｎｄ ｌｅａｄｅｒ ｒｅｌａｔｉｖｅ ｃｏｏｒｄｉ⁃ ｎａｔｅｓ． Ａｔ ｔｈｅ ｓａｍｅ ｔｉｍｅ， ｔｈｅ ｃｏｏｒｄｉｎａｔｅ ｒｏｔａｔｉｎｇ ｆｏｒｍｕｌａ ｉｓ ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ ｔｏ ｒｅａｌｉｚｅ ｔｈｅ ｅｎｔｉｒｅ ｆｏｒｍａｔｉｏｎ ｒｏｔａｔｉｎｇ ａｃｃｏｒｄ⁃ ｉｎｇｌｙ ｗｉｔｈ ｃｈａｎｇｅｓ ｏｆ ｔｈｅ ｄｉｒｅｃｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ ｍｏｖｅｍｅｎｔ ｏｆ ｔｈｅ ｌｅａｄｅｒ． Ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ ｇｉｖｅｓ ｔｗｏ ｓｕｆｆｉｃｉｅｎｔ ｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓ ｆｏｒ ｔｈｅ ｓｙｓｔｅｍ＇ｓ ｓｔａｂｌｅ ｆｏｒｍａｔｉｏｎ ｏｆ ｆｉｘｅｄ ｔｏｐｏｌｏｇｙ ａｎｄ ｓｗｉｔｃｈｉｎｇ ｔｏｐｏｌｏｇｙ， ｒｅｓｐｅｃｔｉｖｅｌｙ． Ｔｈｅ ｃｏｒｒｅｃｔｎｅｓｓ ａｎｄ ｔｈｅ ｐｒａｃｔｉｃａｌ ｆｅａｓｉｂｉｌｉｔｙ ｏｆ ｔｈｉｓ ａｌｇｏｒｉｔｈｍ ｗｅｒｅ ｖｅｒｉｆｉｅｄ ｔｈｒｏｕｇｈ ｔｈｅ ＭＡＴＬＡＢ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ａｎｄ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｓ ｗｅｒｅ ｃｏｎｄｕｃｔｅｄ ｕｓｉｎｇ ｔｈｅ Ａｍｉｇｏｂｏｔ ｒｏｂｏｔ ｐｌａｔｆｏｒｍ， ｒｅｓｐｅｃｔｉｖｅｌｙ． Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｍｕｌｔｉ⁃ａｇｅｎｔ ｓｙｓｔｅｍ （ＭＡＳ）； ｃｏｎｓｅｎｓｕｓ； ｆｏｒｍａｔｉｏｎ ｃｏｎｔｒｏｌ； ｌｅａｄｅｒ⁃ｆｏｌｌｏｗｅｒ； ｒｏｂｏｔｓ； ｃｏｏｒｄｉｎａｔｅ ｒｏｔａｔｉｎｇ ｆｏｒｍｕｌａ 收稿日期：２０１３⁃１０⁃０８． 网络出版日期：２０１４⁃０６⁃１４． 基金项目：国家自然科学基金资助项目（６１１７４０９４）； 近年来，多智能体系统受到了越来越多的关注。 所谓多智能体系统是指由多个可自主计算的智能 通信作者：刘忠信．ｌｚｈｘ＠ ｎａｎｋａｉ．ｅｄｕ．ｃｎ 体 组成的系统，它具有自组织、学习和推理等能力以及 自主性、分布性和协调性等特点，在系统中每个智能 体仅需与邻居进行信息交互，便能完成一个整体的 期望目标。 多智能体技术有着广泛的应用背景，譬 天津市自然科学 基金资助项目(13JCYBJC17400）