Formation Control

• 又称: formation keeping
• 类别: Learning & autonomy › Multi-robot
• 标签: multi-robot, distributed-control, coordination, swarms, uav

协调一组机器人，使它们达到并保持一个规定的几何布局，例如固定的距离、偏移量或沿路径的间距，通常依靠局部感知和通信。

定义

编队控制（Formation control）是这样一个问题：操控多个机器人，使它们的相对位置形成并保持一个期望的形状，例如一条直线、一个楔形、一个圆环，或沿一条曲线等距排列，同时整个群体在移动或保持定点。每个机器人通常只知道自己的状态，以及它能从附近邻居处感知或接收到的信息，因此控制器必须利用局部信息实现全局形状。它是多机器人系统中的核心课题，应用范围从无人机群和航天器编队一直到卡车车队。

经典架构包括：领航-跟随方案，其中跟随者跟踪相对领航者的偏移量；虚拟结构方案，把编队视为一个刚体，机器人占据其上的各个点；以及基于行为的方案，把保持队形、避障和到达目标等目标融合在一起。Oh、Park 和 Ahn（2015）的一篇被广泛引用的综述按照方法所感知和控制的量对其进行分类：基于位置的（共同坐标系中的绝对位置）、基于位移的（在对齐坐标系中的相对位置向量，常常建立在一致性算法之上）和基于距离的（仅使用机器人之间的距离，这要求编队图是刚性的，使距离能够确定形状）。在所有这些方法中，通信图都很重要：连通性决定了群体能否达成一致，而延迟和丢包会影响稳定性。

编队控制与协同路径跟踪密切相关，在协同路径跟踪中，每个机器人沿各自的路径行进，群体协调各自沿路径的进度，例如让在同一轨道上盘旋的飞机之间保持设定的弧长距离。它不同于群体机器人学，后者通常依靠简单的局部规则和涌现的群体行为，而不预先规定形状；也不同于多智能体路径规划，后者在图上规划无碰撞路线，而不是调节连续的相对几何关系。实际部署还要加入避碰、执行限制（例如固定翼飞机近乎恒定的速度）以及对邻居位置的估计，而在户外，后者往往是最困难的部分。

为何重要

许多多机器人任务都需要机器人保持某种几何关系：传感器阵列需要基线，车队需要安全间距，协同搬运需要固定的抓取点。编队控制为在有限通信下做到这一点提供了方法和稳定性保证。

主要应用

• 多旋翼和固定翼无人机（UAV）群的协同飞行
• 高速公路上的车辆队列行驶
• 多机器人协同搬运
• 围绕目标的分布式感知与监视
• 航天器编队飞行
• 海上航行器的船队与测量队形

实际应用

几架固定翼 UAV 必须以相等的间距绕一个关注点盘旋。每架飞机都沿一个收敛到该圆的引导向量场飞行，一个协调项根据它与邻机之间的弧长距离调整它沿路径的进度，这些距离通过本地无线电链路接收。由于飞机无法悬停或停下，间距只能通过改变每架飞机沿路径或绕路径的运动方式来修正，而不能靠等待。在飞行试验之前，团队对链路中断进行仿真：通信图连通时，间距能够恢复；而通信图一旦分裂，分开的子群就会逐渐漂离。

常见误解

• 编队控制需要一台知道所有位置的中央计算机 — 许多方法是分布式的，只使用来自邻居的信息
• 保持两两之间的距离就能固定编队的形状 — 只有当距离图是刚性的时候才成立；否则，在每个规定距离都保持不变的情况下，形状仍可能变形
• 编队控制和群体机器人学是一回事 — 群体方法通常由局部规则产生涌现的群体行为，而编队控制调节的是一个规定的几何形状

谁需要了解

• 多机器人系统工程师
• UAV 和无人机机队开发者
• 研究网络化系统的控制工程师
• 自动驾驶车辆队列行驶工程师

相关技术

• 一致性算法（Consensus Algorithms）
• 图刚性理论（Graph Rigidity Theory）
• 领航-跟随控制（Leader-Follower Control）
• 虚拟结构法（Virtual Structure Method）
• 引导向量场（Guiding Vector Fields）
• 协同自适应巡航控制（Cooperative Adaptive Cruise Control）

相关术语

• Swarm Robotics
• Multi-Agent Path Finding
• Dubins Car
• UAV
• Unicycle Model

相关项目

• ArduPilot: World's most trusted open-source autopilot for drones, planes, rovers, and submarines
• PX4 Autopilot: Open-source flight control software for drones and other unmanned vehicles
• Open X-Embodiment (OXE): Largest open robotics dataset: 1M+ episodes from 22 embodiments
• Paparazzi UAV: Complete university-developed open-source UAV system for research and fixed-wing drones
• MAVROS: ROS gateway for MAVLink-compatible autopilots (PX4, ArduPilot)
• IR-SIM: Lightweight pure-Python 2D robot simulator for navigation, control and RL research