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🔥 内容介绍
一、引言：欠驱动 USV 编队控制的痛点与复现价值
1.1 研究背景与应用场景
在海洋探索与开发的进程中，无人水面艇（USV）已逐渐成为不可或缺的关键装备。凭借其可在复杂海洋环境下自主作业，无需人员随艇操作的优势，广泛应用于海洋探测、环境监测、海上救援、军事侦察等领域 。特别是多艘欠驱动 USV 的协同作业，能显著提升任务执行的效率与可靠性，比如在大面积海洋监测任务中，通过合理的编队路径规划，多艘欠驱动 USV 可实现对目标海域的全面覆盖，大大提高数据采集的全面性和准确性 。
欠驱动 USV，是指其控制输入数量少于自身自由度的水面航行器。以常见的欠驱动 USV 为例，通常仅有前进速度和转艏角速度两个控制输入，却要控制包括纵向位置、横向位置和航向角三个自由度 。这种特性使得欠驱动 USV 在运动控制上存在诸多难点，尤其是在编队路径跟踪任务中，既要保证每艘 USV 准确跟踪给定路径，又要维持编队的相对队形，面临着极大的挑战。同时，在实际海洋环境中，欠驱动 USV 还会受到风、浪、流等外部干扰，以及自身水动力参数变化等模型不确定性因素的影响，进一步降低了控制精度，增加了控制难度 。
为了应对这些挑战，IEEE 论文中提出了一种 “反步法 + Lyapunov 约束 + RBF 神经网络” 的复合控制策略。反步法作为一种逐步递推设计控制器的方法，能够有效处理非线性系统的控制问题；Lyapunov 稳定性理论则为控制系统的稳定性分析提供了坚实的理论基础，通过构造合适的 Lyapunov 函数，可以严格证明控制系统的稳定性；RBF 神经网络凭借其强大的非线性逼近能力，能够对欠驱动 USV 系统中的未知非线性部分和外部干扰进行在线估计和补偿 。这种复合控制策略有望为欠驱动 USV 编队路径跟踪控制提供一种高效、可靠的解决方案，具有重要的研究和复现价值。
1.2 复现目标与核心亮点
本次复现的核心目标是完整、准确地复现 IEEE 论文中提出的 “反步法 + Lyapunov 约束 + RBF 神经网络” 控制策略，并通过仿真验证该策略在提升欠驱动 USV 编队路径跟踪精度和系统鲁棒性方面的有效性。具体而言，就是要在 Matlab/Simulink 仿真环境中，搭建欠驱动 USV 编队的动力学模型，按照论文中的方法设计控制器，并对其在不同工况下的控制性能进行全面评估 。
本次复现工作的核心亮点在于，不仅对论文中的理论部分进行了深入剖析和严谨推导，确保每一个控制环节的设计都有坚实的理论依据；还将理论与实践紧密结合，通过 Matlab/Simulink 仿真平台，将抽象的控制算法转化为可运行的仿真模型，详细展示了从理论到实际应用的全流程。在仿真过程中，充分考虑了欠驱动 USV 在实际运行中可能遇到的各种复杂情况，如不同强度的外部干扰、模型参数的不确定性等，对控制策略的鲁棒性进行了全面测试。此外，还对仿真结果进行了详细的分析和对比，直观地展示了该控制策略相较于传统控制方法在编队路径跟踪精度和系统稳定性方面的显著优势，兼顾了学术严谨性与工程实操性 。
1.3 阅读指南与适用人群
本文适合具备自动控制理论、海洋工程或机器人控制基础的研究生、科研人员及工程技术人员阅读。对于想要深入了解欠驱动 USV 编队协同路径跟踪控制技术，以及对 IEEE 论文复现工作感兴趣的读者来说，本文将提供有价值的参考 。
在阅读本文时，建议读者首先重点掌握反步法的递推设计逻辑，理解如何通过逐步引入虚拟控制量，将复杂的非线性系统控制问题分解为多个简单的子问题进行处理；同时，深入学习 Lyapunov 稳定性证明的方法，明确如何通过构造合适的 Lyapunov 函数来保证控制系统的稳定性 。在掌握了反步法和 Lyapunov 稳定性理论的基础上，结合 Matlab/Simulink 仿真代码的实操，进一步理解 RBF 神经网络权重更新机制，了解其如何根据系统的实时状态对未知非线性部分和外部干扰进行在线估计和补偿 。此外，读者还可以通过调整仿真模型中的参数，如外部干扰强度、USV 的动力学参数等，观察控制策略的性能变化，加深对控制策略的理解和掌握 。
二、复现理论基石：三大核心技术原理拆解
2.1 欠驱动 USV 编队系统建模
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⛳️ 运行结果
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📣 部分代码
🔗 参考文献
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