【无人艇编队】基于4虚拟领航员+人工势场APF+自适应控制的4 艘欠驱动水面船舶USV “包容控制 + 障碍规避 + 事件触发” 一体化仿真系统，解决复杂环境下的分布式协同控制问题附Matlab代码

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🔥 内容介绍

无人艇（USV）编队在海洋监测、搜救救援、港口安防等领域具有不可替代的优势，而4 艘欠驱动 USV 的分布式协同控制是典型场景（兼顾灵活性与任务冗余）。复杂水域环境（含静态障碍如暗礁、动态障碍如渔船，风 / 浪 / 流扰动）下，系统需同时满足三大核心需求：

1. 队形保持与包容控制：确保 4 艘 USV 在任务执行中（如矩形、菱形队形），跟随者始终处于领航员的 “包容集” 内，且适应欠驱动船舶 “仅可控前进（surge）、转向（yaw），横移（sway）弱可控” 的动力学约束；

1. 实时障碍规避：面对突发障碍（如航道内漂浮物），需快速生成避碰轨迹，避免编队溃散；

1. 分布式通信效率：传统持续通信导致带宽过载，需通过事件触发机制减少数据交互，同时保证控制精度。

当前技术面临三大瓶颈：

• 欠驱动耦合难题：sway 方向控制力不足，导致传统全驱动船舶的控制律（如 PID）无法直接适配，队形调整易出现超调；

• APF 局部极小值：人工势场（APF）在 “多障碍包围” 或 “障碍 - 目标连线” 场景下易陷入停滞，无法到达目标位置；

• 控制 - 通信协同弱：事件触发阈值与控制精度难以平衡，阈值过松导致队形偏差超差，过紧则通信频率居高不下。

为此，本文设计 **“4 虚拟领航员 + APF + 自适应控制” 一体化仿真系统 **：通过虚拟领航员分配分布式参考指令，APF 生成避碰修正量，自适应控制补偿扰动，事件触发优化通信，实现 “协同控制 - 障碍规避 - 通信优化” 的深度耦合。

1. 4 虚拟领航员分工：不依赖实体领航员，而是构建 4 个虚拟领航员（VN1~VN4），分别负责 “全局轨迹规划（VN1）、队形参数更新（VN2）、障碍信息融合（VN3）、事件触发决策（VN4）”，分布式向 4 艘 USV 下发参考指令（如 USV1 接收 VN1+VN2 指令，USV2 接收 VN2+VN3 指令）；

1. 信息交互规则：USV 间仅交互 “位姿偏差 + 障碍预警”，虚拟领航员与 USV 间交互 “参考轨迹 + 包容集边界”，均通过事件触发机制触发通信，非触发时刻仅本地计算；

1. 欠驱动适配：控制层专门设计 “sway 间接控制策略”，通过调整 yaw 角改变航向，间接补偿横移偏差，避免因 sway 弱可控导致的队形溃散。

⛳️ 运行结果

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