从单体智能到群体智能：自主无人系统协同控制与优化

当无人系统从 “按指令执行”的工具，发展为能够感知环境、理解任务并自主行动的智能体时，真正的挑战并不止于让单个设备跑得更快、看得更准、算得更清。更关键的是，在真实复杂环境中，多个无人平台如何在信息不完备、通信受限、状态受约束乃至个体故障的条件下形成稳定协同，共同完成单机难以胜任的任务。智能制造、精准农业、高效物流、应急救援、国家安全和深空探索等场景，正在把无人系统推向从“个体自主”到“群体协作”的新阶段。

自主无人系统的核心能力，体现在“感知—决策—执行”闭环中对复杂任务的持续适应；而其规模化应用的关键，则在于群体层面的协同控制与优化。面对动态环境、复杂约束和多目标任务，系统不仅要“看得见、想得清、动得准”，还要“协同得稳、约束得住、优化得快”。这正是《自主无人系统协同控制与优化》试图回答的根本问题：如何让分散的智能体在局部信息和有限资源条件下，形成可证明、可计算、可验证的群体智能。

多无人机自主编队

对于自主无人系统，协同控制与优化不是锦上添花的算法模块，而是关系到系统能否走出实验演示、进入真实部署的基础能力。单个无人平台的自主性解决的是“我能做什么”，群体协同解决的则是“我们如何在复杂环境中可靠地共同完成任务”。当任务规模扩大、环境变化加快、约束条件增多时，中心化指挥和全局信息假设往往难以成立，自组织、分布式、可验证的控制与优化方法就成为支撑系统能力跃迁的关键。围绕这一主线，本书聚焦自主无人系统协同控制与优化中的三类核心问题。

• 第一，在动态环境中保证群体智能体的有序协作，使个体通过局部交互产生稳定、可调、可扩展的整体行为；

• 第二，在强约束条件下实现精准安全操作，使多移动机械臂等复杂系统在协同搬运、队形保持与避障安全之间取得协调；

• 第三，在多重指标之间寻求全局优化平衡，使多智能体系统能够在非光滑指标、状态约束、输入约束和收敛速度要求下实现高效管控。

这些问题分别对应机器人编队、机械臂协同和多智能体优化，共同指向一个更深层的科学命题：如何在不确定、受限、强耦合的现实条件下，把分散的个体能力组织成可靠的系统能力。解决这一问题，不仅能够推动现代控制理论和分布式优化方法的发展，也可直接服务于工业物流、智能制造、航空航天、应急救援和国家安全等重大需求。

障碍环境下多移动机械臂协同队形变换

《自主无人系统协同控制与优化》是国家出版基金项目“智能机器人基础理论与关键技术丛书”中的一部学术著作。全书并非对若干算法结果的简单汇编，而是以自主无人系统在复杂任务中的真实需求为牵引，将控制理论、优化方法、系统建模、稳定性分析与实验验证贯通起来，形成从问题提出到方法设计、从理论证明到仿真和实验验证的完整研究链条。作者团队长期围绕自主无人系统、复杂系统多指标优化与控制、多智能体协同控制等方向开展研究。本书系统凝练出三条相互衔接的技术路线：面向多机器人集群的自组织编队控制，面向复杂环境下多移动机械臂协同搬运的分布式优化控制，面向受限多智能体系统的分布式优化与一致性控制。三条路线分别回应“群体如何形成秩序”“协同如何保证安全”“多指标如何实现高效优化”三个关键问题。

☟上下滑动查看更多

Slide for more photos

自主无人系统协同控制与优化购买

方浩等著

北京 : 科学出版社,2026. 6

(智能机器人基础理论与关键技术丛书)任选

ISBN 978-7-03-085021-8

责任编辑：朱英彪 李 娜

全书共11章，围绕具有强动态、强耦合及多约束特征的自主无人系统展开，覆盖地面移动机器人、无人机集群、多关节机械臂和智能体编队等典型对象。

• 第1章从自主无人系统的概念、研究意义和发展现状出发，梳理多机器人集群自组织编队、多移动机械臂协同控制和多智能体分布式优化控制等方向的研究脉络；第2章介绍数值分析、代数图论、凸分析与投影、非连续系统理论、刚性理论、矩阵论、近端算子和稳定性理论等基础知识，为后续方法设计与理论分析奠定基础。

• 第3~5章聚焦多机器人集群的自组织编队控制问题，围绕环状拓扑、相对位置测量和时变拓扑等条件，设计自组织编队控制器、分布式集群规模估计器以及基于区域的协同部署方法，并通过数值仿真和无人机实验验证方法有效性。这一部分强调在全局信息不可得、通信负担需要降低的条件下，如何通过局部交互形成稳定的群体秩序。

• 第6~8章面向复杂环境下的多移动机械臂协同搬运任务，系统研究冗余自由度优化、任务优先级分层优化、约束位姿优化与安全控制等关键问题。相关方法使多机械臂系统能够在完成末端协同控制任务的同时，兼顾操作度、末端队形、关节协调和障碍环境下的安全可靠性，回应了自主无人系统从“能动”走向“可安全执行”的工程需求。

• 第9~11章进一步面向多指标约束下的多智能体系统分布式优化控制问题，讨论非光滑优化指标、受限一致性控制、原始-对偶加速方法以及混合输入条件下的混杂分布式优化控制。这一部分从理论层面回应了复杂任务中“指标多、约束强、收敛要求高”的共性难题，为多智能体系统在复杂指标约束下的高效管控提供方法支撑。

本书主要特点如下：

一

以“自组织协同”为主线，揭示群体秩序如何从局部交互中产生。多机器人系统不再依赖集中式全局指挥，而是在相对测量、拓扑变化和通信受限条件下，通过分布式估计与控制实现可扩展、鲁棒的编队协同。这对于大规模无人平台的区域覆盖、协作搜索和集群部署具有重要启发。

二

以“安全约束控制”为抓手，回应复杂环境中自主系统可部署性的核心要求。多移动机械臂协同搬运并非简单地同步运动，而是在冗余自由度、任务优先级、末端队形和障碍避让之间进行实时协调。书中提出的分布式优化与安全控制方法，使协同操作从“完成动作”进一步走向“安全、灵活、可靠地完成任务”。

三

以“多指标全局优化”为支撑，推动多智能体系统从稳定协同走向高效协同。面对非光滑指标、状态约束、输入限制和收敛速度要求，从近端算子、原始-对偶加速方法到混合输入分布式优化，构建了较为系统的理论工具，为未来自主无人系统在复杂任务中的在线优化和高效管控提供基础。

本书兼具理论前沿性和工程应用性，可为控制科学、机器人、无人系统、人工智能等相关领域的科研人员、高校师生和工程技术人员提供理论基础、方法支撑和应用参考，也为理解自主无人系统从“单体智能”迈向“群体智能”的关键路径提供了有力的学术坐标。

国家出版基金项目

“十四五”国家重点出版物出版规划项目

智能机器人基础理论与关键技术丛书

↑ 点击图片选购

为深入贯彻落实《“十四五”机器人产业发展规划》，加快推动机器人产业高质量发展，持续促进我国科研成果知识产权保护和研究成果示范推广，科学出版社策划出版了“十四五”国家重点出版物出版规划项目“智能机器人基础理论与关键技术丛书”。本丛书集中展现了我国学者在智能机器人领域的自主创新研究成果，内容涵盖基础前沿技术、新一代机器人、关键共性技术、工业机器人、服务机器人、特种机器人等研究方向，对机械、自动化、信息技术尤其是机器人领域的广大科研人员、高等院校师生具有重要的参考价值。

（本文编辑：刘四旦）

专业品质 学术价值

原创好读 科学品位

一起阅读科学