多机器人编队控制技术涉及机械、电子、计算机、控制、通信、人工智能等多个学科和技术领域,已在国防、工业、农业、生活等领域得到了广泛应用。编队控制是对多机器人协同完成复杂任务的基本要求,是多机器人系统研究中最基本的问题之一,也是学术界和从业者的研究热点。基于距离、位置等观测信息的多机器人编队控制已有大量研究,但是此类编队控制方法需要处理的信息量大、算法复杂,且只有在距离或位置观测信息可以获得的某些特殊环境下应用。而基于纯角度观测信息的编队控制不需要距离和位置等观测信息,能克服基于距离或位置观测信息的编队控制的局限性,已成为新的研究热点与前沿。本文以基于纯角度观测信息的多机器人编队控制为研究对象,以非线性系统秩和面元分析法为理论基础,围绕多机器人领航-跟随编队控制系统的可控性、可观测性、稳定性三方面要求,对多机器人编队控制涉及的状态估计、闭环控制、轨迹跟踪、机器人定位、自主导航等关键技术问题展开了深入研究。主要研究内容及取得的成果包括:1.提出基于纯角度观测信息的多机器人领航-跟随和级联领航-跟随编队控制方法。基于非线性系统秩理论,证明跟随机器人在仅观测领航机器人的纯角度观测信息的条件下,多机器人领航-跟随编队系统的可控性和可观测性;利用无迹卡尔曼滤波算法对观测角度进行滤波,减少跟随机器人对领航机器人角度信息的观测误差,提高观测信息的精度;设计了一种输入-输出状态反馈闭环控制系统,实现跟随机器人对领航机器人的有效跟踪。2.提出基于观测路标纯角度信息的领航机器人粒子滤波定位方法,解决非结构化环境下,基于纯角度观测信息的多机器人领航-跟随和级联领航-跟随编队控制问题。在实际的非结构环境中,领航机器人可能偏离其理想位置而难以准确按照其规划轨迹运动是制约多机器人编队实际控制效果的瓶颈之一。针对此问题,本文提出了一种基于观测路标纯角度信息的领航机器人粒子滤波定位方法,进而研究了该方法的可观测性,实验结果验证了该定位方法可有效减少领航机器人真实轨迹和规划轨迹之间的偏差,并显著改善非结构化环境中多机器人领航-跟随及级联领航-跟随编队控制效果。3.基于面元分析法提出一种领航机器人自主导航与编队避障方法。在实际非结构环境中,多机器人编队在执行任务时不可避免会遇到障碍物,多机器人既要保持队形又要合理避开障碍物,导致多机器人编队控制变得更加复杂。针对基于纯角度观测信息的多机器人领航-跟随编队避障问题,本文提出一种基于面元分析法的领航机器人自主导航与避障方法。该方法有关计算仅集中在刚体障碍物的边界而非整个流域,可以有效降低问题求解的复杂度,提高算法的求解效率。论文基于Matlab和Webots软件进行了大量的仿真验证,基于Turtlebot移动机器人实验平台进行了实验验证,仿真和实验结果都验证了本文提出的方法/算法的实时性和有效性。