基于人工势场算法实现单长机+多僚机的编队运动与避障Matlab仿真
✅作者简介：热爱科研的Matlab仿真开发者，擅长毕业设计辅导、数学建模、数据处理、建模仿真、程序设计、完整代码获取、论文复现及科研仿真。
🍎 往期回顾关注个人主页：Matlab科研工作室
👇 关注我领取海量matlab电子书和数学建模资料
🍊个人信条：格物致知,完整Matlab代码获取及仿真咨询内容私信。
🔥 内容介绍
一、多无人机协同任务的需求与挑战
需求：在三维空间中执行多无人机协同任务，如搜索救援、军事侦察、区域测绘等，需要无人机编队能够高效、安全地到达目标区域，并在运动过程中保持特定的队形。例如，在搜索救援任务中，无人机编队需要以特定队形快速覆盖目标区域，确保无遗漏地进行搜索；在军事侦察中，编队需保持紧凑且合理的队形，以提高侦察效率和信息收集的全面性。
挑战：三维空间环境复杂，无人机不仅要在运动过程中避免相互碰撞，还要避开诸如建筑物、山脉等各种障碍物。同时，要确保整个编队在向目标区域推进时，能够保持稳定的队形，这需要精确的控制算法来协调各无人机的运动。
二、“单长机 + 多僚机” 编队结构
结构优势：采用 “单长机 + 多僚机” 的编队结构，长机作为编队的核心，负责引导整个编队向目标区域运动。长机的运动规划相对简单，只需专注于到达目标点。而僚机则根据与长机的相对几何关系，跟随长机运动，这种结构简化了多无人机协同控制的复杂性，提高了编队的可管理性和协同效率。
编队几何关系建立：系统给定多架无人机初始坐标后，通过定义各僚机相对于长机的位置向量来建立编队相对几何结构。例如，可以设定僚机在长机周围呈对称分布，或者按照特定的几何图形（如三角形、菱形等）排列。这种几何关系在整个编队运动过程中保持不变，是实现队形保持的基础。
三、整体队形推进与目标驱动
长机目标设定：设定长机的目标点，长机将朝着该目标点运动。长机的运动路径可以通过路径规划算法（如 A * 算法、Dijkstra 算法等）来确定，确保长机能够安全、高效地到达目标。
编队整体机动：长机的运动带动整个编队向目标区域推进。僚机根据与长机的相对几何关系，跟随长机的运动。在运动过程中，编队整体的速度和方向由长机的运动状态决定，僚机通过调整自身速度和方向来保持与长机的相对位置，从而实现编队的整体机动。
四、队形参考坐标系旋转
参考坐标系的重要性：为了精确计算各僚机的期望位置，需要建立一个合适的参考坐标系。以长机为中心建立队形参考坐标系，该坐标系随着长机的姿态与航向变化而实时旋转。这样可以方便地描述僚机相对于长机的位置关系，并且在长机运动过程中，能够准确地确定僚机在空间中的期望位置。
期望位置计算：根据长机的姿态（俯仰角、滚转角、偏航角）和航向变化，通过坐标变换矩阵将僚机在相对几何结构中的位置转换到实际的三维空间坐标系中，得到各僚机的期望位置。例如，当长机转弯时，参考坐标系随之旋转，僚机的期望位置也会相应地发生变化，以保持编队的形状。
五、势场斥力修正
机间与障碍的碰撞风险：在无人机运动过程中，机间碰撞和与障碍物碰撞是主要风险。为了降低这些风险，引入机间与障碍的势场斥力。势场斥力的原理是将无人机和障碍物看作具有一定势能的物体，当无人机靠近其他无人机或障碍物时，势能增加，产生一个向外的斥力，推动无人机远离潜在的碰撞点。
期望位置修正：根据机间距离和无人机与障碍物的距离，计算势场斥力的大小和方向。将这个斥力作用于僚机的期望位置上，对其进行修正。例如，当某架僚机与另一架无人机距离过近时，机间势场斥力会使该僚机的期望位置向外偏移，避免碰撞。同样，当无人机靠近障碍物时，障碍物的势场斥力会修正无人机的期望位置，使其绕过障碍物。
六、基于误差调节的控制指令生成
距离误差与姿态误差：为了使僚机准确跟随期望队形，需要考虑距离误差和姿态误差。距离误差是指僚机当前位置与期望位置之间的距离偏差，姿态误差是指僚机当前姿态与期望姿态之间的差异。通过实时监测这两种误差，来调整僚机的运动。
速度与角速度指令生成：基于距离误差和姿态误差，设计调节机制生成僚机的速度和角速度指令。例如，当距离误差较大时，增加僚机的速度，使其尽快靠近期望位置；当姿态误差较大时，调整僚机的角速度，使其姿态尽快与期望姿态一致。通过不断地调整速度和角速度，僚机能够精确地跟随期望队形。
七、安全性分析与指标统计
最小机间距离指标：最小机间距离是衡量编队安全性的重要指标。在编队运动过程中，实时统计各无人机之间的最小距离。如果最小机间距离小于安全阈值，则表明存在碰撞风险，需要进一步调整控制策略。通过统计最小机间距离，可以评估编队在运动过程中的安全性，并对控制算法进行优化。
其他安全性指标：除了最小机间距离，还可以统计其他指标，如无人机与障碍物的最小距离、编队整体的稳定性指标等，全面评估编队在运动过程中的安全性和队形保持性能。
八、队形重构机制
适应任务需求变化：在多无人机协同任务中，任务需求可能会发生变化，例如从搜索阶段切换到救援阶段，或者需要改变飞行高度层级。此时，原有的队形可能不再适合新的任务需求，需要进行队形重构。
重构实现方式：根据新的任务需求和编队的整体目标，重新调整各无人机之间的相对几何关系。通过重新计算僚机相对于长机的位置向量，确定新的期望队形。然后，利用上述的控制算法，使无人机从当前队形快速、平稳地过渡到新的队形，以适应机动与高度层级变化等需求。
⛳️ 运行结果
📣 部分代码
if rand<pm
temp=round(rand(1,dimension));
mu_site=find(temp);
for j=1:size(mu_site,2)
if rand<0.5
cs(i,mu_site(j))=cs(i,mu_site(j))+(high(j)-cs(i,mu_site(j)))*rand;
else
cs(i,mu_site(j))=cs(i,mu_site(j))+(low(j)-cs(i,mu_site(j)))*rand;
end
end
end
end
mu=cs;
🔗 参考文献
[1]张佳龙,闫建国,张普,等.基于改进人工势场的无人机编队避障控制研究[J].西安交通大学学报, 2018, 52(11):8.DOI:10.7652/xjtuxb201811017.
🍅更多创新智能优化算法模型和应用场景可扫描关注
1.机器学习/深度学习类：BP、SVM、RVM、DBN、LSSVM、ELM、KELM、HKELM、DELM、RELM、DHKELM、RF、SAE、LSTM、BiLSTM、GRU、BiGRU、PNN、CNN、XGBoost、LightGBM、TCN、BiTCN、ESN、Transformer、模糊小波神经网络、宽度学习等等均可~
方向涵盖风电预测、光伏预测、电池寿命预测、辐射源识别、交通流预测、负荷预测、股价预测、PM2.5浓度预测、电池健康状态预测、用电量预测、水体光学参数反演、NLOS信号识别、地铁停车精准预测、变压器故障诊断
2.组合预测类：CNN/TCN/BiTCN/DBN/Transformer/Adaboost结合SVM、RVM、ELM、LSTM、BiLSTM、GRU、BiGRU、Attention机制类等均可（可任意搭配非常新颖）~
3.分解类：EMD、EEMD、VMD、REMD、FEEMD、TVFEMD、CEEMDAN、ICEEMDAN、SVMD、FMD、JMD等分解模型均可~
4.路径规划类：旅行商问题（TSP）、车辆路径问题（VRP、MVRP、CVRP、VRPTW等）、无人机三维路径规划、无人机协同、无人机编队、机器人路径规划、栅格地图路径规划、多式联运运输问题、 充电车辆路径规划（EVRP）、 双层车辆路径规划（2E-VRP）、 油电混合车辆路径规划、 船舶航迹规划、 全路径规划规划、 仓储巡逻、公交车时间调度、水库调度优化、多式联运优化等等~
5.小众优化类：生产调度、经济调度、装配线调度、充电优化、车间调度、发车优化、水库调度、三维装箱、物流选址、货位优化、公交排班优化、充电桩布局优化、车间布局优化、集装箱船配载优化、水泵组合优化、解医疗资源分配优化、设施布局优化、可视域基站和无人机选址优化、背包问题、 风电场布局、时隙分配优化、 最佳分布式发电单元分配、多阶段管道维修、 工厂-中心-需求点三级选址问题、 应急生活物质配送中心选址、 基站选址、 道路灯柱布置、 枢纽节点部署、 输电线路台风监测装置、 集装箱调度、 机组优化、 投资优化组合、云服务器组合优化、 天线线性阵列分布优化、CVRP问题、VRPPD问题、多中心VRP问题、多层网络的VRP问题、多中心多车型的VRP问题、 动态VRP问题、双层车辆路径规划（2E-VRP）、充电车辆路径规划（EVRP）、油电混合车辆路径规划、混合流水车间问题、 订单拆分调度问题、 公交车的调度排班优化问题、航班摆渡车辆调度问题、选址路径规划问题、港口调度、港口岸桥调度、停机位分配、机场航班调度、泄漏源定位、冷链、时间窗、多车场等、选址优化、港口岸桥调度优化、交通阻抗、重分配、停机位分配、机场航班调度、通信上传下载分配优化、微电网优化、无功优化、配电网重构、储能配置、有序充电、MPPT优化、家庭用电、电/冷/热负荷预测、电力设备故障诊断、电池管理系统（BMS）SOC/SOH估算（粒子滤波/卡尔曼滤波）、 多目标优化在电力系统调度中的应用、光伏MPPT控制算法改进（扰动观察法/电导增量法）、电动汽车充放电优化、微电网日前日内优化、储能优化、家庭用电优化、供应链优化\智能电网分布式能源经济优化调度，虚拟电厂，能源消纳，风光出力，控制策略，多目标优化，博弈能源调度，鲁棒优化等等均可~
6.原创改进优化算法（适合需要创新的同学）：原创改进2025年的波动光学优化算法WOO以及三国优化算法TKOA、白鲸优化算法BWO等任意优化算法均可，保证测试函数效果，一般可直接核心