CN113504797A - 一种扑翼飞行机器人编队控制方法 - Google Patents

一种扑翼飞行机器人编队控制方法 Download PDF

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CN113504797A CN202111065723.6A CN202111065723A CN113504797A CN 113504797 A CN113504797 A CN 113504797A CN 202111065723 A CN202111065723 A CN 202111065723A CN 113504797 A CN113504797 A CN 113504797A
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Abstract

本发明提供一种扑翼飞行机器人编队控制方法，属于仿生机器人领域。所述方法包括：根据大雁集群编队飞行方式，确定大雁集群编队飞行的尾涡产生机制、节能原理及尾涡衰减机制；根据大雁集群编队飞行的尾涡产生机制、节能原理及尾涡衰减机制，结合扑翼飞行机器人自身扑动特性，从能耗均衡和节能角度，确定扑翼飞行机器人集群编队飞行以及编队队形切换方案；根据得到的扑翼飞行机器人集群编队飞行以及编队队形切换方案，通过控制扑翼飞行机器人集群的位置实现队形维持控制以及队形重构控制。采用本发明，能够节省飞行能量，增加扑翼飞行机器人集群的整体续航能力，实现能量高效利用。

Description

一种扑翼飞行机器人编队控制方法
技术领域
本发明涉及仿生机器人领域，特别是指一种扑翼飞行机器人编队控制方法。
背景技术
随着仿生机器人的高速发展，各个领域的仿生机器人引起了国内外科研人员的兴趣与关注。其中仿鸟扑翼飞行机器人作为仿生机器人领域的一个新型分支，是集力学、机械学、材料学、信号理论、控制理论等前沿交叉学科于一体的综合性系统，具有质量轻，敏捷性强，能量利用率高，隐蔽性好等优点，并且具备长时间低空飞行的能力，因此在军事侦察和民用监测领域具有广阔的应用前景。
另一方面，伴随着飞行任务复杂性的提高，对扑翼飞行机器人在大区域中执行任务时的动机性、快速性等性能提出了更高的标准和要求，单个扑翼飞行机器人往往很难完成规定任务。在扑翼飞行机器人集群执行任务侦察、救援等任务时，尤其是针对长时间侦察任务以及远距离救援任务，通常会遇到续航能力不足，任务执行效率过低等问题。因此，在执行复杂集群任务时，需要从能量高效利用的角度考虑，在个体续航能力达到极致的前提下通过合理的扑翼飞行机器人的集群编队方式发挥其整体优势，降低对单机的性能要求，提高整体飞行过程的能量利用效率，增加集群的整体续航能力，从而保证执行任务时的可靠性。
目前，针对扑翼飞行机器人的集群编队控制的研究是寥寥无几，尤其是针对以生物为仿生对象的仿生集群编队的节能机制的研究更是少之又少。
发明内容
本发明实施例提供了扑翼飞行机器人编队控制方法，能够节省飞行能量，增加扑翼飞行机器人集群的整体续航能力，实现能量高效利用。所述技术方案如下：
本发明实施例提供了一种扑翼飞行机器人编队控制方法，该方法包括：
根据大雁集群编队飞行方式，确定大雁集群编队飞行的尾涡产生机制、节能原理及尾涡衰减机制；
根据大雁集群编队飞行的尾涡产生机制、节能原理及尾涡衰减机制，结合扑翼飞行机器人自身扑动特性，从能耗均衡和节能角度，确定扑翼飞行机器人集群编队飞行以及编队队形切换方案；
根据得到的扑翼飞行机器人集群编队飞行以及编队队形切换方案，通过控制扑翼飞行机器人集群的位置实现队形维持控制以及队形重构控制。
进一步地，根据大雁集群编队飞行方式，确定大雁集群编队飞行的尾涡产生机制包括：
大雁在集群编队飞行时，在大雁翅膀后方产生一对涡流状的气流，该气流称为尾涡，其中，大雁产生的尾涡诱导速度
Figure 909975DEST_PATH_IMAGE001
表示为：
Figure 964650DEST_PATH_IMAGE002
其中，
Figure 770932DEST_PATH_IMAGE003
表示大雁翅膀到尾涡涡线的距离；
Figure 742299DEST_PATH_IMAGE004
表示与
Figure 857892DEST_PATH_IMAGE003
正交的单位向量；
Figure 117972DEST_PATH_IMAGE005
表示尾涡单位长度对应的尾涡强度，表示为：
Figure 727945DEST_PATH_IMAGE006
其中，
Figure 491501DEST_PATH_IMAGE007
表示流体速度，
Figure 279460DEST_PATH_IMAGE008
表示大雁的翅膀翼面面积，
Figure 26836DEST_PATH_IMAGE009
表示大雁的升力系数，
Figure 440500DEST_PATH_IMAGE010
表示大雁的翼展长度。
进一步地，根据大雁集群编队飞行方式，确定大雁集群编队飞行的节能原理包括：
在尾涡内侧产生一个下洗气流，同时在尾涡外侧产生一个上洗气流，当后方大雁在所述上洗气流中飞行时，能利用该上洗气流带来的抬升力，其中，前方大雁产生的尾涡作用于后方大雁横向的平均诱导上洗气流速度
Figure 324142DEST_PATH_IMAGE011
表示为：
Figure 843854DEST_PATH_IMAGE012
其中，
Figure 812947DEST_PATH_IMAGE013
表示前方大雁和后方大雁之间的横向距离，
Figure 764723DEST_PATH_IMAGE014
是前方大雁和后方大雁之间的垂向距离；
根据得到的
Figure 519183DEST_PATH_IMAGE015
，确定后方大雁受到的总升力
Figure 898212DEST_PATH_IMAGE016
与总阻力
Figure 354601DEST_PATH_IMAGE017
，表示为：
Figure 110067DEST_PATH_IMAGE018
其中，
Figure 217570DEST_PATH_IMAGE019
和
Figure 767500DEST_PATH_IMAGE020
分别表示前方大雁单独飞行时的升力和阻力，
Figure 711185DEST_PATH_IMAGE021
和
Figure 552233DEST_PATH_IMAGE022
分别表示后方大雁受到前方大雁的尾涡影响所带来的升力变化值和阻力变化值，
Figure 264974DEST_PATH_IMAGE021
和
Figure 985805DEST_PATH_IMAGE022
表示为：
Figure 197213DEST_PATH_IMAGE023
其中，
Figure 294482DEST_PATH_IMAGE024
是后方大雁受到的动压；
Figure 658467DEST_PATH_IMAGE025
和
Figure 159987DEST_PATH_IMAGE026
分别表示后方大雁的升力系数和阻力系数，当
Figure 327532DEST_PATH_IMAGE025
和
Figure 962912DEST_PATH_IMAGE026
同时取最大值时，后方大雁获得的总升力最大、承受的总阻力最小，
Figure 650246DEST_PATH_IMAGE025
和
Figure 978459DEST_PATH_IMAGE026
表示为：
Figure 869186DEST_PATH_IMAGE027
其中，
Figure 573836DEST_PATH_IMAGE028
表示后方大雁受到的升力对应的曲线斜率，
Figure 115676DEST_PATH_IMAGE029
是辅助项。
进一步地，根据大雁集群编队飞行方式，确定大雁集群编队飞行的尾涡衰减机制包括：
根据大雁集群编队飞行方式，确定前方大雁产生的尾涡强度的衰减公式为：
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE031A
其中，
Figure 660796DEST_PATH_IMAGE032
表示前方大雁和后方大雁之间的纵向距离，
Figure 288086DEST_PATH_IMAGE033
表示前方大雁的扑动幅值，
Figure 265270DEST_PATH_IMAGE034
表示前方大雁的扑动频率，
Figure 677927DEST_PATH_IMAGE035
表示尾涡的波长，
Figure 347943DEST_PATH_IMAGE036
和
Figure 462530DEST_PATH_IMAGE037
都表示系数常数。
进一步地，所述根据大雁集群编队飞行的尾涡产生机制、节能原理及尾涡衰减机制，结合扑翼飞行机器人自身扑动特性，从能耗均衡和节能角度，确定扑翼飞行机器人集群编队飞行以及编队队形切换方案包括：
根据大雁集群编队飞行的尾涡产生机制以及节能原理，得到扑翼飞行机器人集群编队飞行时的队形：V字形的长机-僚机集群编队排布队形；
对扑翼飞行机器人在风洞中的实验结果进行数据拟合，根据尾涡强度的衰减公式和拟合结果，确定后方扑翼飞行机器人受到的前方扑翼飞行机器人尾涡影响后的升阻比与前后方扑翼飞行机器人纵向距离之间的关系，表示为：
Figure 243404DEST_PATH_IMAGE038
其中，
Figure 9103DEST_PATH_IMAGE039
表示后方扑翼飞行机器人受到前方扑翼飞行机器人尾涡影响后的升阻比，
Figure 850021DEST_PATH_IMAGE040
表示后方扑翼飞行机器人单独飞行时受到升阻比值；
当前方扑翼飞行机器人的扑动频率改变时，长机-僚机集群编队排布队形按照公式
Figure 248641DEST_PATH_IMAGE041
进行调整，以确保长机通过扑动翅膀产生的上洗气流为僚机提供最大的额外升力和最小的额外阻力；
针对扑翼飞行机器人集群编队飞行过程中长机、僚机能量消耗不均的现象，构建基于能量消耗均衡的长机轮换方案，使得扑翼飞行机器人集群能耗均衡。
进一步地，在扑翼飞行机器人集群编队飞行时，最前方的扑翼飞行机器人作为后方所有扑翼飞行机器人的长机，后方所有的扑翼飞行机器人均作为僚机并分别按照排布顺序进行编号，以便按照编号顺序依次进行长进轮换。
进一步地，所述基于扑翼飞行机器人集群编队飞行过程中长机、僚机能量消耗不均的现象，构建基于能量消耗均衡的长机轮换方案，使得扑翼飞行机器人集群能耗均衡包括：
在整个扑翼飞行机器人集群编队飞行过程中，各扑翼飞行机器人获取彼此之间的位置信息和能量消耗情况，每当长机能量消耗为预设百分比或者更低时，则采用基于能量消耗均衡的长机轮换方案，将当前的V字形队形变换成另一个V字形队形，使得扑翼飞行机器人集群能耗均衡。
进一步地，所述根据得到的扑翼飞行机器人集群编队飞行以及编队队形切换方案，通过控制扑翼飞行机器人集群的位置实现队形维持控制以及队形重构控制包括：
对扑翼飞行机器人集群的位置控制环路进行非线性动力学建模，得到扑翼飞行机器人集群位置动力学模型，表示为：
Figure 583938DEST_PATH_IMAGE042
其中，
Figure 954877DEST_PATH_IMAGE043
表示第
Figure 966695DEST_PATH_IMAGE044
个扑翼飞行机器人的惯性矩阵；
Figure 790295DEST_PATH_IMAGE045
表示
Figure 427818DEST_PATH_IMAGE046
对时间
Figure 653263DEST_PATH_IMAGE047
的二阶导数，
Figure 835983DEST_PATH_IMAGE048
表示第
Figure 412458DEST_PATH_IMAGE044
个扑翼飞行机器人基于惯性坐标系下的位置状态量；
Figure 89558DEST_PATH_IMAGE049
表示第
Figure 169509DEST_PATH_IMAGE044
个扑翼飞行机器人的重力向量；
Figure 523130DEST_PATH_IMAGE050
表示第
Figure 321322DEST_PATH_IMAGE044
个扑翼飞行机器人受到尾涡影响的额外升力和阻力；
Figure 35069DEST_PATH_IMAGE051
表示第
Figure 235106DEST_PATH_IMAGE044
个扑翼飞行机器人受到的空气阻力；
Figure 25208DEST_PATH_IMAGE052
表示第
Figure 45116DEST_PATH_IMAGE044
个扑翼飞行机器人从惯性坐标系到机体坐标系的坐标系变换矩阵；
Figure 329598DEST_PATH_IMAGE053
表示第
Figure 384142DEST_PATH_IMAGE044
个扑翼飞行机器人对应的控制器，表示为：
Figure 79565DEST_PATH_IMAGE054
其中，
Figure 852349DEST_PATH_IMAGE055
和
Figure 173478DEST_PATH_IMAGE056
表示控制增益矩阵且，
Figure 82528DEST_PATH_IMAGE057
表示第
Figure 214432DEST_PATH_IMAGE058
个扑翼飞行机器人与第
Figure 208933DEST_PATH_IMAGE059
个扑翼飞行机器人之间的最佳位置偏置量，
Figure 835218DEST_PATH_IMAGE060
和
Figure 661091DEST_PATH_IMAGE061
分别表示第
Figure 698317DEST_PATH_IMAGE058
个扑翼飞行机器人与第
Figure 694961DEST_PATH_IMAGE062
个扑翼飞行机器人的速度状态量，
Figure 108625DEST_PATH_IMAGE063
表示第
Figure 992267DEST_PATH_IMAGE062
个扑翼飞行机器人基于惯性坐标系下的位置状态量；
每当长机能量消耗为预设百分比或者更低时，则采用基于能量消耗均衡的长机轮换方案进行队形切换，根据切换后的队形调整
Figure 200395DEST_PATH_IMAGE064
的值，实现队形重构。
本发明实施例提供的技术方案带来的有益效果至少包括：
本发明实施例中，根据大雁集群编队飞行方式，确定大雁集群编队飞行的尾涡产生机制、节能原理及尾涡衰减机制；根据大雁集群编队飞行的尾涡产生机制、节能原理及尾涡衰减机制，结合扑翼飞行机器人自身扑动特性，从能耗均衡和节能角度，确定扑翼飞行机器人集群编队飞行以及编队队形切换方案；根据得到的扑翼飞行机器人集群编队飞行以及编队队形切换方案，通过控制扑翼飞行机器人集群的位置实现队形维持控制以及队形重构控制。这样，将大雁集群作为仿生对象，以大雁集群编队飞行的尾涡产生机制、节能原理及尾涡衰减机制为基础，得到节省飞行能量的V字形的长机-僚机集群编队排布队形来保证集群整体能耗的最优性，并构建基于能量消耗均衡的长机轮换方案来保证集群整体能耗的均衡性，从而增加扑翼飞行机器人集群的整体续航能力，实现能量高效利用。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例提供的扑翼飞行机器人编队控制方法的流程示意图；
图2为本发明实施例提供的大雁集群飞行生成尾涡示意图；
图3为本发明实施例提供的升力变化关于横向距离与垂向距离的三维示意图；
图4为本发明实施例提供的阻力变化关于横向距离与垂向距离的三维示意图；
图5为本发明实施例提供的扑翼飞行机器人集群编队队形排布示意图；
图6为本发明实施例提供的升阻比变化与纵向距离之间的关系示意图；
图7为本发明实施例提供的扑翼飞行机器人集群编队队形变换示意图；
图8为本发明实施例提供的扑翼飞行机器人集群编队控制原理示意图；
图9为本发明实施例提供的扑翼飞行机器人集群编队飞行及队形变换三维仿真示意图；
图10位本发明实施例提供的扑翼飞行机器人集群编队飞行速度仿真示意图；
图11为本发明实施例提供的扑翼飞行机器人集群编队飞行功率消耗仿真示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地详细描述。
如图1所示，本发明实施例提供了一种扑翼飞行机器人编队控制方法，包括：
S101，根据大雁集群编队飞行方式，确定大雁集群编队飞行的尾涡产生机制、节能原理及尾涡衰减机制；
大雁集群编队飞行是自然界中存在的一种普遍现象，是群居性生物经历长期演化为了适应生存环境而具备的生存本领。大雁集群在迁徙时，为了实现长距离迁徙，从能量高效利用角度考虑，在集群编队飞行时需要保持“V”字队形或者“一”字队形，如图2所示，并定时交换头雁位置，其主要是大雁在集群编队飞行时，在大雁翅膀后方产生一对涡流状的气流，该气流称为尾涡，基于以往对该尾涡的研究经验，可以得到大雁飞行时生成的一对尾涡之间的距离大约为
Figure 920220DEST_PATH_IMAGE065
，其中，通过毕奥-萨伐尔定律，大雁产生的尾涡诱导速度
Figure 137575DEST_PATH_IMAGE066
可以表示为：
Figure 875724DEST_PATH_IMAGE067
其中，
Figure 520332DEST_PATH_IMAGE068
表示大雁翅膀到尾涡涡线的距离；
Figure 561926DEST_PATH_IMAGE069
表示与
Figure 317392DEST_PATH_IMAGE068
正交的单位向量；
Figure 175627DEST_PATH_IMAGE070
表示尾涡单位长度对应的尾涡强度，根据库塔-儒可夫斯基定理，
Figure 725557DEST_PATH_IMAGE070
可以表示为：
Figure 154395DEST_PATH_IMAGE071
其中，
Figure 713553DEST_PATH_IMAGE072
表示流体速度，
Figure 426294DEST_PATH_IMAGE073
表示大雁的翅膀翼面面积，
Figure 412704DEST_PATH_IMAGE074
表示大雁的升力系数，
Figure 92953DEST_PATH_IMAGE075
表示大雁的翼展长度。
在尾涡内侧产生一个下洗气流，同时在尾涡外侧产生一个上洗气流，当后方大雁在所述上洗气流中飞行时，能充分利用该上洗气流带来的抬升力，使得后方大雁能够使用更少的能量完成飞行，节省其飞行能量，缓解飞行疲劳发挥群体优势，有效提升大雁集群飞行的续航能力，从而实现长距离迁徙，此过程被称为“雁阵效应”；其中，前方大雁产生的尾涡作用于后方大雁横向的平均诱导上洗气流速度
Figure 190222DEST_PATH_IMAGE076
表示为：
Figure 757470DEST_PATH_IMAGE077
其中，
Figure 914782DEST_PATH_IMAGE078
表示前方大雁和后方大雁之间的横向距离，
Figure 318212DEST_PATH_IMAGE079
是前方大雁和后方大雁之间的垂向距离（所述垂向距离为垂直高度距离的简称）；
根据得到的
Figure 219172DEST_PATH_IMAGE080
，确定后方大雁受到的总升力
Figure 906506DEST_PATH_IMAGE081
与总阻力
Figure 234719DEST_PATH_IMAGE082
，表示为：
Figure 420718DEST_PATH_IMAGE083
其中，
Figure 63052DEST_PATH_IMAGE084
和
Figure 604892DEST_PATH_IMAGE085
分别表示前方大雁单独飞行时的升力和阻力，
Figure 104006DEST_PATH_IMAGE086
和
Figure 482029DEST_PATH_IMAGE087
分别表示后方大雁受到前方大雁的尾涡影响所带来的升力变化值和阻力变化值，升力、阻力变化与横向距离之间的关系示意图，如图3和图4所示，后方大雁受到上洗气流影响后，使得所述后方大雁获得的总升力
Figure 521529DEST_PATH_IMAGE081
最大，且承受的总阻力
Figure 183455DEST_PATH_IMAGE082
最小，从而达到了提高所述后方大雁飞行效率和减少其能耗的目的，
Figure 102738DEST_PATH_IMAGE086
和
Figure 155008DEST_PATH_IMAGE087
表示为：
Figure 201461DEST_PATH_IMAGE088
其中，
Figure 796522DEST_PATH_IMAGE089
是后方大雁受到的动压；
Figure 371860DEST_PATH_IMAGE090
和
Figure 708163DEST_PATH_IMAGE091
分别表示后方大雁的升力系数和阻力系数，当
Figure 292728DEST_PATH_IMAGE090
和
Figure 912934DEST_PATH_IMAGE091
同时取最大值时，后方大雁获得的总升力最大、承受的总阻力最小，
Figure 924753DEST_PATH_IMAGE090
和
Figure 13931DEST_PATH_IMAGE091
表示为：
Figure 136608DEST_PATH_IMAGE093
Figure 378365DEST_PATH_IMAGE094
其中，
Figure 357822DEST_PATH_IMAGE095
表示后方大雁受到的升力对应的曲线斜率；
Figure 668718DEST_PATH_IMAGE096
是辅助项，其目的为防止分母为0。
上述分析结果，可以为扑翼飞行机器人集群编队队形的研究和扑翼集群编队飞行整体能耗节省提供理论依据。
根据大雁集群编队飞行方式，确定前方大雁产生的尾涡强度随着前方大雁和后方大雁之间的纵向距离、前方大雁的扑动频率等因素的改变，得到前方大雁产生的尾涡强度的衰减公式为：
Figure 844353DEST_PATH_IMAGE097
其中，
Figure 189884DEST_PATH_IMAGE098
表示前方大雁和后方大雁之间的纵向距离，
Figure 543505DEST_PATH_IMAGE099
表示前方大雁的扑动幅值，
Figure 341696DEST_PATH_IMAGE100
表示前方大雁的扑动频率，
Figure 822487DEST_PATH_IMAGE101
表示尾涡的波长，
Figure 22525DEST_PATH_IMAGE102
都表示系数常数。
需要说明的是，当上述公式应用到扑翼飞行机器人中时，可以表示扑翼飞行机器人的相应物理含义，例如，
Figure 547047DEST_PATH_IMAGE103
表示机翼翼面面积，
Figure 832535DEST_PATH_IMAGE104
表示机翼升力曲线率等。
S102，本实施例以大雁集群飞行方式为灵感，受“雁阵效应”的启发，得到大雁集群编队飞行的尾涡产生机制、节能原理及尾涡衰减机制，并以此为基础，结合扑翼飞行机器人自身扑动特性，从能耗均衡和节能角度，确定扑翼飞行机器人集群编队飞行以及编队队形切换方案，具体可以包括以下步骤：
A1，根据大雁集群编队飞行的尾涡产生机制以及节能原理，得到扑翼飞行机器人集群编队飞行时的队形：V字形的长机-僚机集群编队排布队形；也就是说，扑翼飞行机器人集群编队队形可借鉴大雁集群节能飞行原理以“V”字形作为排布队形，形成“V”字形的“长机-僚机”集群编队排布队形，其中，最前方的扑翼飞行机器人作为后方所有扑翼飞行机器人的长机，后方所有的扑翼飞行机器人均作为僚机并分别按照排布顺序进行编号，从而形成一个完整的以“长机-僚机”为引导基准的集群结构，如图5所示；
本实施例中，扑翼飞行机器人正常飞行扑动频率通常为3-5Hz，在此扑动频率下的最佳纵向距离按照公式
Figure 615552DEST_PATH_IMAGE105
可以得出为
Figure 404516DEST_PATH_IMAGE106
。此外，再按照S101中所述的前后扑翼飞行机器人之间的横向距离为
Figure 99940DEST_PATH_IMAGE107
，纵向距离为
Figure 872724DEST_PATH_IMAGE106
（根据不同的扑动频率，调整不同的纵向距离），垂向距离为0的相对三维距离将每架扑翼飞行机器人排列开，形成如图5所示的排布队形，该排布队形为最优集群编队队形。为了区分长机和僚机，按照图5中的排布方式分别将扑翼飞行机器人进行1-5的数字编号，其中，1号扑翼飞行机器人为长机，2-5号扑翼飞行机器人为僚机。
根据上述的最优集群编队队形可以确保长机通过扑动翅膀产生上洗气流为僚机提供最大的额外升力和最小的额外阻力。从图5中可以得知其中对应的最大升力变化值为
Figure 695317DEST_PATH_IMAGE108
，最大的阻力变化值为
Figure 604367DEST_PATH_IMAGE109
。
A2，对扑翼飞行机器人在风洞中的实验结果（包括：升阻比与纵向距离和横向距离之间的关系，升阻比与扑动频率之间的关系，升阻比与扑动幅值之间的关系）进行数据拟合，根据尾涡强度的衰减公式和拟合结果，确定后方扑翼飞行机器人受到的前方扑翼飞行机器人尾涡影响后的升阻比与前后方扑翼飞行机器人纵向距离之间的关系，表示为：
Figure 736272DEST_PATH_IMAGE110
其中，
Figure 730772DEST_PATH_IMAGE111
表示后方扑翼飞行机器人受到前方扑翼飞行机器人尾涡影响后的升阻比，
Figure 855592DEST_PATH_IMAGE112
表示后方扑翼飞行机器人单独飞行时受到升阻比值；
随着前方大雁扑动频率的增加，其与前后大雁之间的最佳纵向距离在逐渐减小。因此，伴随前方大雁扑动频率的改变，集群编队排布队形也将按照公式
Figure 619149DEST_PATH_IMAGE113
进行调整。
A3，当前方扑翼飞行机器人的扑动频率改变时，长机-僚机集群编队排布队形按照公式
Figure 921954DEST_PATH_IMAGE114
进行调整，以确保长机通过扑动翅膀产生的上洗气流为僚机提供最大的额外升力和最小的额外阻力；
A4，针对扑翼飞行机器人集群编队飞行过程中长机、僚机能量消耗不均的现象，构建基于能量消耗均衡的长机轮换方案，使得扑翼飞行机器人集群能耗均衡。
本实施例中，扑翼飞行机器人集群飞行时受到环境多变和能量有限的约束，因此在执行编队飞行任务时需要采用适当的编队队形。同时随着飞行距离的增加将导致能量不足和机械磨损的情况，需要进行队形变换以使得所有扑翼飞行机器人的能量消耗均匀（简称：能耗均衡）从而保证扑翼飞行机器人不会出现机械故障的问题。
本实施例中，针对扑翼飞行机器人集群设计的集群编队队形与编队队形切换方案主要借鉴于大雁长途迁徙过程。在大雁长途迁徙过程中，后方大雁会飞在前方大雁的侧后方，目的是为了借助前方大雁拍动翅膀产生的抬升力而节省飞行能量。因此，大雁集群按照此规律呈现整齐的“V”字队形或者“一”字队形。同时随着飞行路途的增加，前方大雁由于不能获得上洗气流带来的额外抬升力，因此能量消耗会比后方大雁大，从而会通过改变头雁的方式来使得雁群整体的能量消耗达到均衡。本实施例以此现象为方案设计灵感，根据能量消耗情况的不同以及外界环境干扰的不同，设计了以能量消耗为导向的编队队形切换方案，具体的：
考虑到扑翼飞行机器人集群在编队飞行的过程中，由于长机没有获得上洗气流带来的额外抬升力，能量消耗比后方僚机严重，需要根据能量消耗情况进行前后轮换。借鉴于大自然中大雁的“头雁切换”机制，本实施例提出了一种以“雁阵效应”为参照的扑翼飞行机器人集群编队“基于能量消耗分布的长机轮换”方案。在整个扑翼飞行机器人集群编队飞行的过程中，扑翼飞行机器人之间均能通过通讯传输设备获取彼此之间的位置信息和能量消耗情况，每当长机能量消耗为预设百分比（例如，50%）或者更低时，则采用基于能量消耗均衡的长机轮换方案，将当前的V字形队形变换成另一个V字形队形，如图7所示，按照编号顺序，依次进行长进轮换，确保扑翼飞行机器人集群能耗均衡，从而实现能量高效利用。
本实施例中，以大雁集群为仿生对象，通过分析大雁集群编队飞行的“V”字形排布结构原理，研究后方大雁是如何利用前方大雁通过振翅产生的上洗气流来节省自身的飞行能量，从而结合扑翼飞行机器人集群飞行特性，得出能够节省飞行能量的扑翼飞行机器人集群编队飞行方案，即：采用V字形的长机-僚机集群编队排布队形进行飞行，并构建基于能量消耗均衡的长机轮换方案，从而提高扑翼飞行机器人集群飞行的续航能力。
S103，根据得到的扑翼飞行机器人集群编队飞行以及编队队形切换方案，通过控制扑翼飞行机器人集群的位置实现队形维持控制以及队形重构控制。
本实施例在保证结果合理性的基础上，做出了如下假设：
(1)扑翼飞行机器人的位置控制系统分别由三个独立的控制变量进行控制；
(2)扑翼飞行机器人集群编队控制中暂时不考虑姿态回路的控制；
(3)前后扑翼飞行机器人之间不受互相电磁干扰等因素的影响。
在上述假设条件下，考虑平稳巡航飞行状态，本实施例通过拉格朗日建模法，对扑翼飞行机器人集群中的各扑翼飞行机器人的位置控制环路进行非线性动力学建模，得到扑翼飞行机器人集群位置动力学模型表示为：
Figure 403751DEST_PATH_IMAGE115
其中，
Figure 568147DEST_PATH_IMAGE116
是
Figure 451790DEST_PATH_IMAGE117
的缩写形式，表示为
Figure 925496DEST_PATH_IMAGE118
对时间
Figure 894589DEST_PATH_IMAGE119
的二阶导数，
Figure 157949DEST_PATH_IMAGE120
表示第
Figure 99360DEST_PATH_IMAGE121
个扑翼飞行机器人基于惯性坐标系下的位置状态量；
Figure 743968DEST_PATH_IMAGE122
表示第
Figure 200357DEST_PATH_IMAGE121
个扑翼飞行机器人对应的惯性矩阵；
Figure 565611DEST_PATH_IMAGE123
表示第
Figure 407534DEST_PATH_IMAGE121
个扑翼飞行机器人的重力向量，
Figure 957464DEST_PATH_IMAGE124
表示第
Figure 697887DEST_PATH_IMAGE121
个扑翼飞行机器人的质量，
Figure 7776DEST_PATH_IMAGE125
表示重力加速度；
Figure 720518DEST_PATH_IMAGE126
表示第
Figure 441349DEST_PATH_IMAGE121
个扑翼飞行机器人受到尾涡影响的额外升力和阻力（如果该扑翼飞行机器人为长机，此项为0）；
Figure 606751DEST_PATH_IMAGE127
表示第
Figure 750025DEST_PATH_IMAGE128
个扑翼飞行机器人受到的空气阻力，其可视为外部扰动；
Figure 582852DEST_PATH_IMAGE129
表示第
Figure 740164DEST_PATH_IMAGE121
个扑翼飞行机器人从惯性坐标系到机体坐标系的坐标系变换矩阵；
Figure 143595DEST_PATH_IMAGE130
表示第
Figure 44554DEST_PATH_IMAGE121
个扑翼飞行机器人对应的控制器，如图8所示，可以表示为：
Figure 731888DEST_PATH_IMAGE131
其中，
Figure 60101DEST_PATH_IMAGE132
和
Figure 449363DEST_PATH_IMAGE133
表示控制增益矩阵且，
Figure 888434DEST_PATH_IMAGE134
表示第
Figure 430274DEST_PATH_IMAGE121
个扑翼飞行机器人与第
Figure 663809DEST_PATH_IMAGE135
个扑翼飞行机器人之间的最佳位置偏置量，
Figure 41832DEST_PATH_IMAGE136
和
Figure 284595DEST_PATH_IMAGE137
分别表示第
Figure 680941DEST_PATH_IMAGE121
个扑翼飞行机器人与第
Figure 350957DEST_PATH_IMAGE135
个扑翼飞行机器人的期望位置量，
Figure 245969DEST_PATH_IMAGE138
和
Figure 89160DEST_PATH_IMAGE139
分别表示第
Figure 90746DEST_PATH_IMAGE121
个扑翼飞行机器人与第
Figure 931663DEST_PATH_IMAGE135
个扑翼飞行机器人的速度状态量，
Figure 533545DEST_PATH_IMAGE140
表示第
Figure 852531DEST_PATH_IMAGE135
个扑翼飞行机器人基于惯性坐标系下的位置状态量。可以根据S102中所述的横向、纵向距离分别设置
Figure 472737DEST_PATH_IMAGE141
偏置值，将能进一步地保证扑翼飞行机器人集群在设置的编队队形下飞行。
每当长机能量消耗为预设百分比或者更低时，则采用基于能量消耗均衡的长机轮换方案进行队形切换，根据切换后的队形调整
Figure 484556DEST_PATH_IMAGE142
的值，最终实现稳定的队形重构。
本实施例中，假设预设百分比为50%，当长机能量消耗为自身的50%时，需要进行队形切换，即“长机轮换”，该过程可以保证扑翼飞行机器人集群编队飞行整体的能耗均衡性，增加扑翼飞行机器人集群飞行的续航时间，提高整体执行任务的成功率。
本发明实施例所述的扑翼飞行机器人编队控制方法，根据大雁集群编队飞行方式，确定大雁集群编队飞行的尾涡产生机制、节能原理及尾涡衰减机制；根据大雁集群编队飞行的尾涡产生机制、节能原理及尾涡衰减机制，结合扑翼飞行机器人自身扑动特性，从能耗均衡和节能角度，确定扑翼飞行机器人集群编队飞行以及编队队形切换方案；根据得到的扑翼飞行机器人集群编队飞行以及编队队形切换方案，通过控制扑翼飞行机器人集群的位置实现队形维持控制以及队形重构控制。这样，将大雁集群作为仿生对象，以大雁集群编队飞行的尾涡产生机制、节能原理及尾涡衰减机制为基础，得到节省飞行能量的V字形的长机-僚机集群编队排布队形来保证集群整体能耗的最优性，并构建基于能量消耗均衡的长机轮换方案来保证集群整体能耗的均衡性，从而增加扑翼飞行机器人集群的整体续航能力，实现能量高效利用。
本实施例提供的扑翼飞行机器人编队控制方法，能够解决扑翼飞行机器人集群编队过程中能量最优控制的问题，接着，通过MATLAB仿真验证本实施例提供的扑翼飞行机器人编队控制方法的有效性和稳定性，仿真结果如图9-图11所示。
如图9所示，5架扑翼飞行机器人集群编队飞行的三维仿真飞行曲线与上述理论结果一致。整个飞行过程经历了队形形成阶段，队形维持阶段以及队形重构阶段。
本实施例中的仿真实现分为以下几个步骤：
步骤一：队形形成
图9中的飞行距离
Figure 573734DEST_PATH_IMAGE143
和图10中的飞行时间
Figure 696411DEST_PATH_IMAGE144
，为队形形成，在该步骤中扑翼飞行机器人（扑翼飞行机器人也可以称为：扑翼飞行器）完成了由初始的随机起飞位置到指定飞行高度，并且按照S102中设计的最佳集群编队队形以1号扑翼飞行机器人为长机进行队形排布，同时各扑翼飞行机器人的飞行速度也达到了指定平稳飞行速度。
步骤二：队形维持
图9中的
Figure 672589DEST_PATH_IMAGE145
和图10中的
Figure 120887DEST_PATH_IMAGE146
，为队形维持，在该步骤中5架扑翼飞行机器人按照S102中的最优集群编队队形方案以1号扑翼飞行机器人为长机进行稳定飞行，且各扑翼飞行机器人的飞行速度均趋于一致。
步骤三：队形重构
图9中的
Figure 431783DEST_PATH_IMAGE147
和图10中的
Figure 358151DEST_PATH_IMAGE148
，为队形重构，在该步骤中5架扑翼飞行机器人按照S102中的“长机轮换”方案进行队形重构，以2号扑翼飞行机器人为长机进行队形排布，从而达到节省整体集群能量消耗的目的。
步骤四：队形重构后的队形维持
图9中的
Figure 952949DEST_PATH_IMAGE149
和图10中的
Figure 306570DEST_PATH_IMAGE150
，为队形重构后的队形维持，在该步骤中5架扑翼飞行机器人以2号扑翼飞行机器人为长机进行重构后的稳定飞行，各扑翼飞行机器人的飞行速度均趋于一致。最终实现了扑翼飞行机器人集群编队的队形维持控制以及队形重构控制。
本实施例在满足所述控制目标的同时，本发明针对扑翼飞行机器人集群编队飞行的节能机制进行了研究。扑翼飞行机器人能量消耗
Figure 104762DEST_PATH_IMAGE151
（具体指：功率消耗）计算公式表示为：
Figure 834820DEST_PATH_IMAGE152
当扑翼飞行机器人为长机时，
Figure 785590DEST_PATH_IMAGE153
，此时
Figure 310112DEST_PATH_IMAGE154
与
Figure 595600DEST_PATH_IMAGE155
均为最大值。因此按照S102描述的集群编队队形方案飞行时，长机由于不能获得上洗气流的影响而能量消耗最大。所述集群编队飞行方案对应的各扑翼飞行机器人能量消耗情况如图11所示。从图11中可以看出在各阶段长机的能量消耗均大于僚机，因此按照此基于大雁集群编队飞行方式的扑翼飞行机器人集群编队飞行方案，能够有效的达到节省扑翼飞行机器人集群整体能量消耗的目的。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种扑翼飞行机器人编队控制方法，其特征在于，包括：
根据大雁集群编队飞行方式，确定大雁集群编队飞行的尾涡产生机制、节能原理及尾涡衰减机制；
根据大雁集群编队飞行的尾涡产生机制、节能原理及尾涡衰减机制，结合扑翼飞行机器人自身扑动特性，从能耗均衡和节能角度，确定扑翼飞行机器人集群编队飞行以及编队队形切换方案；
根据得到的扑翼飞行机器人集群编队飞行以及编队队形切换方案，通过控制扑翼飞行机器人集群的位置实现队形维持控制以及队形重构控制。
2.根据权利要求1所述的扑翼飞行机器人编队控制方法，其特征在于，根据大雁集群编队飞行方式，确定大雁集群编队飞行的尾涡产生机制包括：
大雁在集群编队飞行时，在大雁翅膀后方产生一对涡流状的气流，该气流称为尾涡，其中，大雁产生的尾涡诱导速度
Figure 432995DEST_PATH_IMAGE001
表示为：
Figure 146873DEST_PATH_IMAGE002
其中，
Figure 457769DEST_PATH_IMAGE003
表示大雁翅膀到尾涡涡线的距离；
Figure 633404DEST_PATH_IMAGE004
表示与
Figure 978935DEST_PATH_IMAGE003
正交的单位向量；
Figure 332556DEST_PATH_IMAGE005
表示尾涡单位长度对应的尾涡强度，表示为：
Figure 130747DEST_PATH_IMAGE006
其中，
Figure 611538DEST_PATH_IMAGE007
表示流体速度，
Figure 811576DEST_PATH_IMAGE008
表示大雁的翅膀翼面面积，
Figure 336098DEST_PATH_IMAGE009
表示大雁的升力系数，
Figure 621586DEST_PATH_IMAGE010
表示大雁的翼展长度。
3.根据权利要求2所述的扑翼飞行机器人编队控制方法，其特征在于，根据大雁集群编队飞行方式，确定大雁集群编队飞行的节能原理包括：
在尾涡内侧产生一个下洗气流，同时在尾涡外侧产生一个上洗气流，当后方大雁在所述上洗气流中飞行时，能利用该上洗气流带来的抬升力，其中，前方大雁产生的尾涡作用于后方大雁横向的平均诱导上洗气流速度
Figure 404603DEST_PATH_IMAGE011
表示为：
Figure 193567DEST_PATH_IMAGE012
其中，
Figure 154570DEST_PATH_IMAGE013
表示前方大雁和后方大雁之间的横向距离，
Figure 927354DEST_PATH_IMAGE014
是前方大雁和后方大雁之间的垂向距离；
根据得到的
Figure 749948DEST_PATH_IMAGE015
，确定后方大雁受到的总升力
Figure 924577DEST_PATH_IMAGE016
与总阻力
Figure 790902DEST_PATH_IMAGE017
，表示为：
Figure 300249DEST_PATH_IMAGE018
其中，
Figure 910222DEST_PATH_IMAGE019
和
Figure 939358DEST_PATH_IMAGE020
分别表示前方大雁单独飞行时的升力和阻力，
Figure 242164DEST_PATH_IMAGE021
和
Figure 474693DEST_PATH_IMAGE022
分别表示后方大雁受到前方大雁的尾涡影响所带来的升力变化值和阻力变化值，
Figure 888357DEST_PATH_IMAGE021
和
Figure 771999DEST_PATH_IMAGE022
表示为：
Figure 245706DEST_PATH_IMAGE023
其中，
Figure 729646DEST_PATH_IMAGE024
是后方大雁受到的动压；
Figure 681421DEST_PATH_IMAGE025
和
Figure 685149DEST_PATH_IMAGE026
分别表示后方大雁的升力系数和阻力系数，当
Figure 329757DEST_PATH_IMAGE025
和
Figure 536879DEST_PATH_IMAGE026
同时取最大值时，后方大雁获得的总升力最大、承受的总阻力最小，
Figure 292345DEST_PATH_IMAGE025
和
Figure 885000DEST_PATH_IMAGE026
表示为：
Figure 700510DEST_PATH_IMAGE027
其中，
Figure 893462DEST_PATH_IMAGE028
表示后方大雁受到的升力对应的曲线斜率，
Figure 452620DEST_PATH_IMAGE029
是辅助项。
4.根据权利要求1所述的扑翼飞行机器人编队控制方法，其特征在于，根据大雁集群编队飞行方式，确定大雁集群编队飞行的尾涡衰减机制包括：
根据大雁集群编队飞行方式，确定前方大雁产生的尾涡强度的衰减公式为：
Figure DEST_PATH_IMAGE031A
其中，
Figure 509569DEST_PATH_IMAGE032
表示前方大雁和后方大雁之间的纵向距离，
Figure 964821DEST_PATH_IMAGE033
表示前方大雁的扑动幅值，
Figure 661381DEST_PATH_IMAGE034
表示前方大雁的扑动频率，
Figure 7918DEST_PATH_IMAGE035
表示尾涡的波长，
Figure 840745DEST_PATH_IMAGE036
和
Figure 732477DEST_PATH_IMAGE037
都表示系数常数。
5.根据权利要求1所述的扑翼飞行机器人编队控制方法，其特征在于，所述根据大雁集群编队飞行的尾涡产生机制、节能原理及尾涡衰减机制，结合扑翼飞行机器人自身扑动特性，从能耗均衡和节能角度，确定扑翼飞行机器人集群编队飞行以及编队队形切换方案包括：
根据大雁集群编队飞行的尾涡产生机制以及节能原理，得到扑翼飞行机器人集群编队飞行时的队形：V字形的长机-僚机集群编队排布队形；
对扑翼飞行机器人在风洞中的实验结果进行数据拟合，根据尾涡强度的衰减公式和拟合结果，确定后方扑翼飞行机器人受到的前方扑翼飞行机器人尾涡影响后的升阻比与前后方扑翼飞行机器人纵向距离之间的关系，表示为：
Figure 650755DEST_PATH_IMAGE038
其中，
Figure 302447DEST_PATH_IMAGE039
表示后方扑翼飞行机器人受到前方扑翼飞行机器人尾涡影响后的升阻比，
Figure 724201DEST_PATH_IMAGE040
表示后方扑翼飞行机器人单独飞行时受到升阻比值；
当前方扑翼飞行机器人的扑动频率改变时，长机-僚机集群编队排布队形按照公式
Figure 52414DEST_PATH_IMAGE041
进行调整，以确保长机通过扑动翅膀产生的上洗气流为僚机提供最大的额外升力和最小的额外阻力；
针对扑翼飞行机器人集群编队飞行过程中长机、僚机能量消耗不均的现象，构建基于能量消耗均衡的长机轮换方案，使得扑翼飞行机器人集群能耗均衡。
6.根据权利要求5所述的扑翼飞行机器人编队控制方法，其特征在于，在扑翼飞行机器人集群编队飞行时，最前方的扑翼飞行机器人作为后方所有扑翼飞行机器人的长机，后方所有的扑翼飞行机器人均作为僚机并分别按照排布顺序进行编号，以便按照编号顺序依次进行长进轮换。
7.根据权利要求5所述的扑翼飞行机器人编队控制方法，其特征在于，所述基于扑翼飞行机器人集群编队飞行过程中长机、僚机能量消耗不均的现象，构建基于能量消耗均衡的长机轮换方案，使得扑翼飞行机器人集群能耗均衡包括：
在整个扑翼飞行机器人集群编队飞行过程中，各扑翼飞行机器人获取彼此之间的位置信息和能量消耗情况，每当长机能量消耗为预设百分比或者更低时，则采用基于能量消耗均衡的长机轮换方案，将当前的V字形队形变换成另一个V字形队形，使得扑翼飞行机器人集群能耗均衡。
8.根据权利要求1所述的扑翼飞行机器人编队控制方法，其特征在于，所述根据得到的扑翼飞行机器人集群编队飞行以及编队队形切换方案，通过控制扑翼飞行机器人集群的位置实现队形维持控制以及队形重构控制包括：
对扑翼飞行机器人集群的位置控制环路进行非线性动力学建模，得到扑翼飞行机器人集群位置动力学模型，表示为：
Figure 192409DEST_PATH_IMAGE042
其中，
Figure 411906DEST_PATH_IMAGE043
表示第
Figure 953746DEST_PATH_IMAGE044
个扑翼飞行机器人的惯性矩阵；
Figure 718440DEST_PATH_IMAGE045
表示
Figure 96463DEST_PATH_IMAGE046
对时间
Figure 339225DEST_PATH_IMAGE047
的二阶导数，
Figure 735571DEST_PATH_IMAGE048
表示第
Figure 920434DEST_PATH_IMAGE044
个扑翼飞行机器人基于惯性坐标系下的位置状态量；
Figure 300600DEST_PATH_IMAGE049
表示第
Figure 81474DEST_PATH_IMAGE044
个扑翼飞行机器人的重力向量；
Figure 597906DEST_PATH_IMAGE050
表示第
Figure 189555DEST_PATH_IMAGE044
个扑翼飞行机器人受到尾涡影响的额外升力和阻力；
Figure 791438DEST_PATH_IMAGE051
表示第
Figure 376003DEST_PATH_IMAGE044
个扑翼飞行机器人受到的空气阻力；
Figure 746942DEST_PATH_IMAGE052
表示第
Figure 8027DEST_PATH_IMAGE044
个扑翼飞行机器人从惯性坐标系到机体坐标系的坐标系变换矩阵；
Figure 831627DEST_PATH_IMAGE053
表示第
Figure 219883DEST_PATH_IMAGE044
个扑翼飞行机器人对应的控制器，表示为：
Figure 992798DEST_PATH_IMAGE054
其中，
Figure 175518DEST_PATH_IMAGE055
和
Figure 751993DEST_PATH_IMAGE056
表示控制增益矩阵且，
Figure 927628DEST_PATH_IMAGE057
表示第
Figure 273158DEST_PATH_IMAGE044
个扑翼飞行机器人与第
Figure 892359DEST_PATH_IMAGE058
个扑翼飞行机器人之间的最佳位置偏置量，
Figure 690550DEST_PATH_IMAGE059
和
Figure 905762DEST_PATH_IMAGE060
分别表示第
Figure 105799DEST_PATH_IMAGE044
个扑翼飞行机器人与第
Figure 895901DEST_PATH_IMAGE058
个扑翼飞行机器人的速度状态量，
Figure 181389DEST_PATH_IMAGE061
表示第
Figure 698827DEST_PATH_IMAGE058
个扑翼飞行机器人基于惯性坐标系下的位置状态量；
每当长机能量消耗为预设百分比或者更低时，则采用基于能量消耗均衡的长机轮换方案进行队形切换，根据切换后的队形调整
Figure 753370DEST_PATH_IMAGE057
的值，实现队形重构。
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