第 31 卷 第 2 期
Vol. 31 No. 2
控 制 与 决 策
Control and Decision
2016 年 2 月
Feb. 2016
轨迹跟踪级联机器人编队控制方法
文章编号: 1001-0920 (2016) 02-0317-07 DOI: 10.13195/j.kzyjc.2014.1676
韩 青, 孙树栋, 智睿瑞
(西北工业大学 a. 机电学院，b. 现代设计与集成制造技术教育部重点实验室，西安 710072)
摘 要: 提出一种轨迹跟踪级联机器人编队控制方法. 该方法有效结合距离-角度 (𝑙-𝜑) 控制和距离-距离 (𝑙-𝑙) 控制方
案, 并利用无迹卡尔曼滤波算法对 Leader-Follower 级联机器人系统的状态进行估计; 根据状态估计结果设计输入-输
出动态反馈控制规律, 使得跟随机器人 (Follower) 准确跟踪领航机器人 (Leader), 确保编队的稳定性和较快的收敛性,
并达到理想的编队控制效果. 仿真实验验证了所提出方法的可行性.
关键词: 移动机器人；编队控制；无迹卡尔曼滤波；输入-输出动态反馈
中图分类号: TP24 文献标志码: A
Trajectory tracking cascade robot formation control
HAN Qing, SUN Shu-dong, ZHI Rui-rui
(a. School of Mechanical Engineering，b. Key Lab of Contemporary Design and Integrated Manufacturing Technology of
Ministry of Education，Northwestern Polytechnical University，Xi’an 710072，China．Correspondent：HAN Qing,
E-mail：hanqing@mail.nwpu.edu.cn)
Abstract：：：A trajectory tracking cascade formation control method for robots is proposed. The method effectively combines
distance-angle(𝑙-𝜑) control and distance-distance(𝑙-𝑙) control scheme, and the unscented Kalman filter(UKF) is employed
to estimate the state of Leader-Follower’ robots at all levels. The results are used for Follower-robot’s movement control
via the input-output dynamic feedback control law which can make the Follower-robot accurately track the Leader-robot, so
that stability and fast convergence of the robot formation are ensured and the desired formation of the robots is achieved.
Simulation results show the feasibility of the proposed approach.
Keywords：：：mobile robot；formation control；UKF；input-output dynamic feedback
0 引引引 言言言
多机器人系统具有广泛的应用前景, 是近年来机
器人研究的热点. 多机器人编队控制是一个典型的多
机器人协调控制问题, 与单机器人系统相比, 多机器
人系统在灵活性、适应性、鲁棒性方面具有更好的优
越性
[1-4]
. 但是, 多机器人编队控制是多机器人研究的
一个难点, 尤其是多机器人级联编队控制具有很强的
挑战性.
目前, 多机器人编队控制算法主要包括虚拟结构
(Virtual Structure) 法
[5-6]
、基于行为 (Behavior-based)的
方 法
[7]
、领 航-跟 随 (Leader-Follower) 法
[8-14]
等. 文 献
[8] 提出了车式移动机器人动态编队控制方法; 文献
[9] 提出了一种具有鲁棒性的领航-跟随机器人编队
控制方法; 文献 [10] 提出了适用于 2 个机器人距离-方
位-方向控制方法和适用于 3 个机器人的距离-距离-
方向控制方法来解决编队控制问题; 文献 [11] 分析了
不确定环境下多机器人的动态编队控制方法; 文献
[12] 针对车式移动机器人的运动学模型特点, 提出
了一种基于轨迹跟踪多机器人编队的控制方法; 文
献 [13] 针对车式移动机器人轨迹跟踪这一典型任务,
提出了一种滑模轨迹跟踪控制方法; 文献 [14] 利用
正则坐标变换, 将误差系统转换为一个非线性串联
系统, 然后利用反步法设计车式移动机器人轨迹追
踪控制器, 实现了对给定目标的全局渐近追踪; 文
献 [15] 研究了通过拉格朗日动力学建模的多机器人
系统编队控制和轨迹跟踪. 上述研究大多集中于对一
个领航机器人 (Leader) 和一个 (或多个) 跟随机器人
(Follower) 单级编队进行研究, 而对于每级都有一个
(或多个) 领航机器人 (Leader) 和一个 (或多个) 跟随机
器人 (Follower) 的级联编队的研究则较少.
收稿日期: 2014-11-04；修回日期: 2015-03-31.
基金项目: 国家自然科学基金项目(51475383, 51075337).
作者简介: 韩青(1973−), 男, 博士生, 从事智能机器人、多机器人协调控制、机电一体化与机电控制技术的研究；孙树
栋(1963−), 男, 教授, 博士生导师, 从事先进制造系统及生产调度、机器人控制等研究.
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