多智能体机器人系统控制及其应用

无论是从理论研究还是从实际应用的角度来看，本书对于学习和推广多智能体系统控制都具有一定的意义。本书将成为多智能体系统控制领域的一本有用的教材和参考资料，对那些希望深入了解、学习和应用多智能体系统控制技术的学生、研究人员、学者和工程师来说，都将是一本不可或缺的指南。在写作风格上，既注重文字表达的严谨性以符合专业领域的知识性、科学性要求，又注重文字表达的通俗易懂以满足教材本身惠及大众学子的功能。

本书分为三篇内容。第1篇是多智能体机器人系统的基础(第1～3章)，介绍多智能体系统的概念、必要的控制原理和数理知识。第2篇是多智能体机器人系统的控制(第4～5章)，分别针对一阶和二阶多智能体系统进行了各种情况下的一致性和编队控制与验证。第3篇是多智能体机器人系统的应用(第6～8章)，分别针对多无人车系统、多无人机系统以及由它们组成的异构多智能体系统，讲述了在各种情况下的一致性控制、编队控制和最优控制等的实验与应用。

本书将课程思政和党的二十大对高等教育的要求有效地融合进了专业授课内容之中。本书配有PPT电子课件、程序、教学大纲和授课计划，以及各章习题的参考答案，免费提供给选用本书作为教材的授课教师和读者。需要者请登录化学工业出版社化工教育(www.cipedu.com.cn)下载或手机微信扫下方二维码获取。

本书为高等院校控制理论与控制工程、电子信息等专业的研究生教材，也可作为自动化类、人工智能、机器人工程等相关专业的本科教材，还可供相关领域的工程技术人员参考。

戴凤智
天津科技大学电子信息与自动化学院教师。北京理工大学自动化专业学士和硕士，日本国立大分大学博士。
主编科普类图书和教材13本，荣获中国轻工业优秀教材二等奖和信息通信科普教育精品图书奖。主持的工作分别于2018年和2022年获得天津市教学成果奖二等奖。获得“十三五”期间天津市全民科学素质工作先进个人和天津市工程专业学位优秀指导教师。
现为天津市机器人学会理事、中国机械工业教育协会机器人工程专业教学委员会委员、中国自动化学会“智向未来”自动化与人工智能科普百人团专家。

第1篇 多智能体机器人系统的基础
第1章 多智能体机器人系统
1.1 多智能体机器人系统简介
1.1.1 理论发展及其特点
1.1.2 多智能体系统的研究内容
1.1.3 多智能体系统的应用领域
1.2 多智能体机器人系统的控制
1.3 多智能体机器人系统的编队控制
1.4 多智能体机器人系统的控制形式
1.5 本书的结构安排
思考与练习题
第2章 多智能体机器人系统的控制原理
2.1 机器人的经典控制理论
2.1.1 线性连续系统
2.1.2 线性离散系统
2.2 机器人的线性系统理论
2.2.1 状态空间分析
2.2.2 定常连续系统求解
2.2.3 定常离散系统求解
2.2.4 可控性和可观性
2.3 李雅普诺夫稳定性分析
2.3.1 李雅普诺夫稳定性
2.3.2 李雅普诺夫稳定判据
2.3.3 李雅普诺夫第二法稳定性判据
本章小结
思考与练习题
第3章 多智能体机器人系统的数理知识
3.1 多智能体分析的代数图论
3.1.1 图的概念
3.1.2 图的类型
3.1.3 图的矩阵表示
3.2 多智能体相关的矩阵分析
3.2.1 矩阵基础
3.2.2 矩阵分析
3.3 机器人的坐标转换
3.3.1 二维空间转换
3.3.2 三维空间转换
本章小结
思考与练习题
第2篇 多智能体机器人系统的控制
第4章 一阶多智能体机器人系统
4.1 一阶机器人系统模型
4.2 连续时间下的机器人一致性控制
4.2.1 问题描述
4.2.2 设计控制器
4.2.3 实验验证
4.3 离散时间下的机器人一致性控制
4.3.1 问题描述
4.3.2 设计控制器
4.3.3 实验验证
4.4 切换拓扑系统的一致性控制
4.4.1 问题描述
4.4.2 设计控制器
4.4.3 实验验证
4.5 连续时间含时延系统的一致性控制
4.5.1 问题描述
4.5.2 设计控制器
4.5.3 实验验证
4.6 领航跟随系统的一致性控制
4.6.1 问题描述
4.6.2 设计控制器
4.6.3 实验验证
本章小结
思考与练习题
第5章 二阶多智能体机器人系统
5.1 二阶机器人系统模型
5.2 连续时间下的机器人一致性控制
5.2.1 问题描述
5.2.2 设计控制器
5.2.3 实验验证
5.3 离散时间下的机器人一致性控制
5.3.1 问题描述
5.3.2 设计控制器
5.3.3 实验验证
5.4 连续时间含时延系统的一致性控制
5.4.1 问题描述
5.4.2 设计控制器
5.4.3 实验验证
5.5 领航跟随系统的一致性控制
5.5.1 问题描述
5.5.2 设计控制器
5.5.3 实验验证
5.6 连续时间的机器人编队控制
5.6.1 问题描述
5.6.2 设计控制器
5.6.3 实验验证
本章小结
思考与练习题
第3篇 多智能体机器人系统的应用
第6章 地面多无人车系统的协同控制
6.1 无人车的运动原理
6.1.1 平移运动
6.1.2 旋转运动
6.2 建立无人车模型
6.2.1 无人车的动力学模型
6.2.2 无人车的运动学模型
6.3 多无人车系统建模
6.3.1 模型转换
6.3.2 建立多无人车系统的模型
6.4 多无人车系统的协同控制
6.4.1 多无人车的一致性控制
6.4.2 多无人车的编队控制
6.5 多无人车系统的实验验证
6.5.1 实验1：多无人车的一致性控制
6.5.2 实验2：多无人车的编队控制
本章小结
思考与练习题
第7章 空中多无人机系统的协同控制
7.1 无人机的飞行原理
7.1.1 高度（height）运动
7.1.2 横滚（roll）运动
7.1.3 俯仰（pitch）运动
7.1.4 偏航（yaw）运动
7.2 建立无人机模型
7.2.1 无人机的动力学模型
7.2.2 无人机的运动学模型
7.3 多无人机系统建模
7.3.1 模型的简化
7.3.2 建立多无人机系统的模型
7.4 多无人机系统的协同控制
7.4.1 多无人机的动态一致性控制
7.4.2 多无人机的静态一致性控制
7.4.3 多无人机的编队控制
7.5 多无人机系统的实验验证
7.5.1 实验1：多无人机的动态一致性控制
7.5.2 实验2：多无人机的静态一致性控制
7.5.3 实验3：多无人机的编队控制
本章小结
思考与练习题
第8章 异构多智能体系统的协同控制和最优控制
8.1 无人机和无人车组成的异构系统
8.1.1 系统的设置
8.1.2 建立模型
8.2 异构多智能体系统的协同控制
8.2.1 动态一致性控制
8.2.2 静态一致性控制
8.2.3 异构系统的编队控制
8.3 异构

多智能体机器人系统是一门较为新兴的复杂系统科学。多智能体系统在执行任务时具备单个机器人无法比拟的优势，如多无人车系统的协同作战、多无人机系统的编队表演，以及无人机和无人车组成的空地协同系统等。但是它在控制原理和技术应用上也会比单个机器人要复杂。

经过调研，我们发现目前关于机器人的控制及其应用的教材基本分为两类。其中一类主要是讲述单体机器人的控制问题，包括路径规划、智能算法、行为和运动控制等。而另一类则以数学分析为基础去推导机器人的各种控制以及多机器人间的协同控制问题，但是在应用方面没有给出详细的可操作性实例。

因此在人工智能算法和机器人技术发展的今天，关于不同种类多个机器人之间的协同控制方面的教材是短缺的，特别是能够有效提供应用性操作的教材更是较少。为了贯彻党的二十大报告提出的“深入实施人才强国战略”，按照“培养造就大批德才兼备的高素质人才，是国家和民族长远发展大计”的要求，编写新教材是必需的，也是紧迫的。

同时，党的二十大报告提出“实施科教兴国战略，强化现代化建设人才支撑”，指出要“开辟发展新领域新赛道，不断塑造发展新动能新优势”，并且要“加强基础学科、新兴学科、交叉学科建设，加快建设中国特色、世界一流的大学和优势学科”。

多智能体机器人系统正是以人工智能算法和机器人控制技术相结合的关键技术为核心，它必将为载人航天、探月探火、深海深地探测、卫星导航等国家提出的战略性新兴产业的发展壮大提供支撑。

该书是多位教师和研究生将学习和科研过程中的资料系统地汇总完善，将教师授课经验和科研方面的经历与摸索进行梳理的成果，曾以讲义形式在天津科技大学、河南理工大学、济源职业技术学院等多所院校使用。我们希望以此书作为桥梁，打通多智能体机器人在基础理论与高水平科学研究之间的通道。我们也希望该书可以部分地解决多智能体机器人的知识与传统控制理论之间缺乏连贯性的问题，填补它们之间存在的空白，力争使读者在阅读本书时不需要自己去寻找大量的基础知识和实例等资料来填补。

基于这些考虑，本书分为三篇。第1篇是多智能体机器人系统的基础(第1～3章)，第2篇是多智能体机器人系统的控制(第4～5章)，第3篇是多智能体机器人系统的应用(第6～8章)。本书在内容设计上先通过对两类机器人，即无人车和无人机建立数学模型，分析单个机器人的控制原理，然后组建成多智能体机器人系统，以此来完成教材知识体系框架的过渡。同时考虑到各类型学校及其各专业的课程大纲设计的不同，在本书的第一部分(基础知识部分)解释了多智能体机器人系统的基本概念，以及在后面学习和研究过程中将要遇到的相关控制理论和数理基础知识。

编者认为学习有三重境界：一为看进去;二为看明白;三为讲出来。关于本书的使用，建议读者在快速浏览第1篇(第1～3章)之后立即进入第2篇(第4～5章)的学习中。当在后面的学习过程中遇到相关定义及定理时，可以再回过头来仔细精读第1篇对应的内容。然后通过精读第3篇(第6～8章)来融会贯通。最后请通过自己的仿真、实验和成果汇报，把掌握的知识讲出来并运用到专业竞赛和撰写学术论文上。这样才真正完成了学习上的一个循环。

阅读本书时建议(但不局限于)读者具备基础的自动控制理论和高等数学知识，了解线性代数的基本概念及矩阵的基本运算。当然，在本书的第1篇中也对相关内容深入浅出地做了介绍。同时，因为本教材兼具教学的需要和进行研究时的参考用书功能，因此在必要的地方直接给出了相关的参考文献编号，便于读者针对某一部分内容进行深入研究时直接查阅相关文献。

本书的部分内容和工作分别获得2018年和2022年的天津市教学成果奖二等奖，以及2022年天津科技大学教学成果奖(研究生组)特等奖。本书得到了2021年教育部高等学校电子信息类专业教学指导委员会教改项目(2021-JG-03)，2021年度天津科技大学研究生教育改革创新类(教材建设)项目(2021YJCB02)，河南理工大学2022 年度研究生教育教学改革项目(2022YJ06)的支持。

本书具体编写分工如下：戴凤智、李芳艳、冯高峰负责前3章，赵继超、刘竹宁负责第4、5章，宋运忠、张普京负责第6～8章。张闯、贾芃、程宇辉、戴晟等对本书提出了建议并参与了文字校对工作。

感谢南开大学陈增强教授团队和王付永副教授，北京大学谢广明教授团队、王晨副研究员和李帅博士，北京科技大学的祝晓琳为该书所做的指导和支持。感谢天津工业大学人工智能学院副院长、天津市特聘教授夏承遗教授为本书写序并指导该书的撰写工作。本书是在中国自动化学会普及工作委员会、中国人工智能学会智能空天系统专业委员会、中国仿真学会机器人系统仿真专业委员会、中国机械工业教育协会机器人工程专业教学委员会和天津市机器人学会的指导下完成的。

本书为高等院校研究生教材，也可作为自动化类、电子信息类、机器人工程等相关专业的本科和职业院校教材，还可供相关领域的工程技术人员参考。

如果您对本书在编写和内容方面或者对书中提及的技术细节和硬件等有任何疑问，可以发邮件到作者的电子邮箱daifz@163.com、jichaozhao@163.com、songhpu@126.com 联系。

由于编者水平有限，书中不妥之处在所难免，恳请读者批评指正。

编者