随着通信、传感、群控技术以及机器人技术的不断发展,多机器人协同控制成为目前的一个研究热点。多机器人协作在经过多年的发展后,无论在军事、工业、国防,还是生活、生产等领域都有广泛的应用。针对一些具体的任务场景,如多机协作运输、地图探索、目标抓捕、大型舞台表演等,要求多机器人系统能够形成所需的队形结构,并在完成复杂任务的过程中,保持队形或改变队形形状。本文以非完整轮式移动机器人为研究对象,以协作表演为应用背景,对多机器人系统的编队保持、队形变换、编队避障等关键问题展开研究,具体内容如下:首先,对多机器人系统的编队保持问题进行了分析:对轮式机器人进行动力学和运动学分析,在此基础上建立系统的领导-虚拟跟随和虚拟结构模型,得出多机器人系统的误差方程,利用单个机器人对目标点或虚拟机器人的状态误差,并结合Lyapunov稳定性定理（李雅普诺夫稳定性定理）和Backstepping法（反步法）,设计出多机器人协同编队保持控制算法。最后,设计与其他控制律的对比分析实验,验证了算法的有效性和优势。其次,对多机器人编队队形变换问题进行研究:基于完成时间最小和能源消耗最少的目标函数,提出了一种惯性权重线性递减的离散粒子群算法;将速度差的思想应用到多机器人队形变换的方案中;并结合队形变换问题重新定义了算法中的操作算子;给出了在不发生碰撞的前提下的最优队形变换的匹配方案。再次,以一致性理论为基础,对多机器人系统的队形变换及变换过程中的避障问题进行了探讨:以期望队形作为多机器人编队的任务目标,在控制律中加入对目标点的控制;设计光滑的冲击函数,使用σ-范数替代传统的欧式范数,并构造光滑的集体势能函数和空间邻接矩阵来保证编队的平滑性和稳定性;最后,考虑多机器人系统在队形变换的过程中存在障碍物的情况,重新设计系统的拓扑结构,在控制律中加入障碍物的斥力影响,设计出具有避障能力的改进一致性编队算法,能够避开静态障碍物和动态障碍物的干扰。最后,基于前面章节的研究成果,考虑了实际应用场景中多机器人系统如何实现编队保持和队形变换,设计了多机器人实现编队保持和队形变换的总体编队控制策略。针对队形变换问题,还提出了基于粒子群和一致性算法的混合式队形变换策略,提高了整体求解效率。