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🔥 内容介绍

该 MATLAB 代码实现了一种基于脉冲神经网络（SNN）的多智能体系统（MAS）群集控制仿真，主要用于解决屏障覆盖（Barrier Coverage）问题。通过协调多个智能体（Agents）的运动轨迹，在避开障碍物的同时形成有效的屏障覆盖区域，适用于边界监测、区域防护等应用场景。以下从代码结构、核心功能与仿真逻辑三个方面进行详细解析。

一、代码结构与参数定义

代码采用模块化设计，从参数初始化到仿真循环再到结果可视化形成完整闭环，核心结构包括参数定义、环境建模、控制算法与结果输出四部分。

（一）全局参数与仿真配置

代码开头通过global关键字定义了三个全局变量，用于在各模块间共享核心参数：

• Snum：每轮迭代的采样数（2000），影响控制算法的精度与计算量；

• iteration：算法迭代次数（300），决定仿真的持续优化周期；

• NOA：智能体数量（12），即参与屏障覆盖的自主个体总数。

仿真时间参数设置为：总时长tf = 285/2（142.5 秒），时间步长dt = 0.1秒，时间序列tspan包含 1426 个时间点，确保运动轨迹的平滑性。

（二）智能体与环境参数

1. 智能体性能参数：

• 群集移动速度Vx = 1m/s（x 方向），设定了整体运动的基准速率；

• 感知范围rd = 2m（探测区域半径）与安全距离rs = 1m（避障临界距离），定义了智能体的环境交互边界；

• 控制器增益矩阵Kpf（比例项）与Kvf（微分项），采用对角矩阵形式（diag([3,3,3])与diag([5,5,5])），用于调节轨迹跟踪的响应速度与稳定性。

1. 障碍物模型：

• 静态障碍物：3 个固定位置障碍物（x_obs、x_obs2、x_obs3），位置基于Obs_placer = [35,0,0]'偏移生成，半径obs_radious = 1m；

• 动态障碍物：1 个移动障碍物（x_obs4），在tspan(ii) >= 42秒时启动，以vx_obs = 0.2m/s、vy_obs = 0.05m/s 的速度运动；

• 感知视场角FOV_theta = 60°（弧度制pi/3），限制智能体的障碍物探测范围。

1. 初始状态：

• 智能体初始位置通过随机函数生成（x0 = 2*rand(1,NOA)，y0同理），z 轴初始高度为 0，形成平面分布；

• 状态矩阵X0_mat存储每个智能体的 6 维状态（x,y,z,vx,vy,vz），初始速度均为 0，确保从静止状态平稳启动。

二、核心控制算法与仿真逻辑

代码的核心是实现 "形成控制 - 避障控制 - 碰撞避免" 三位一体的智能体协作策略，通过四阶龙格 - 库塔法（RK4）更新运动状态，确保轨迹的连续性与稳定性。

（一）屏障覆盖的形成控制

1. 坐标系转换：通过TransMat(e1,e2,el)函数将惯性坐标系（I）转换为屏障坐标系（B），e1与e2为屏障的两个端点（[0;0;5]与[30;0;5]），el为侧向参考点，确保智能体在指定屏障区域内分布。

1. Voronoi 重心计算：在屏障坐标系下，通过Centroid_Calculator函数计算每个智能体的 Voronoi 重心，作为理想目标位置，实现均匀分布的屏障覆盖。重心坐标通过逆变换矩阵T_B_to_I转换回惯性坐标系，指导智能体运动。

1. 轨迹跟踪控制：控制输入Uf由比例 - 微分（PD）控制律生成：

TypeScript取消自动换行复制

Uf = -Kpf*(当前位置 - 目标重心) - Kvf*(当前速度 - 期望速度)

其中期望速度在 x 方向随时间线性增加（Vx*tspan(ii)），实现屏障的整体推进，y 与 z 方向保持稳定。

（二）障碍物规避与碰撞避免

1. 障碍物检测：通过计算智能体与障碍物的相对距离（OD_metric_range）和角度（OD_metric_FOV），判断是否进入感知范围（OD_metrico(i) = 1表示检测到障碍物）。

1. 避障控制输入Uo：

• 对检测到的障碍物，计算排斥势场梯度（delta_Vp）与旋转避障项（delta_Vr），通过旋转矩阵Tr（包含 x、y、z 轴旋转）调整避障方向；

• 控制律为Uo = -ko1*sum(Upk')' - sum(Urk')' - ko2*当前速度，确保远离障碍物的同时维持运动平滑性。

1. 智能体间碰撞避免：当智能体高度在 5±2m 范围内时，计算与其他智能体的相对位置（prel）和速度（vrel），生成排斥控制Uc，避免群体内部碰撞。

⛳️ 运行结果

📣 部分代码

function dist = distance(xi,xj)

dist = sqrt((xi(1)-xj(1))^2 +(xi(2)-xj(2))^2 +(xi(3)-xj(3))^2);

end

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