[发明专利]一种基于CPG的仿生扑翼飞行机器人的编队控制方法

说明书

本发明一种基于CPG的仿生扑翼飞行机器人的编队控制方法，该方法包括：改进的仿生扑翼飞行机器人CPG网络，调节翅膀的上扑时间和下扑时间，减小飞行时上扑阻力的影响；通过改变CPG网络的振荡器参数，实现扑翼机器人的平飞、爬升、下降和转弯的多模态运动；采用二阶一致性算法估计仿生扑翼飞行机器人的目标位姿；采用模糊控制器将扑翼机器人的目标位姿和实际位姿的差值转换为CPG控制网络的输入参数，改变扑翼机器人的飞行模态，从而实现扑翼机器人的编队控制。本发明通过CPG控制的鲁棒性和适应性提高仿生扑翼飞行机器人的编队控制效果。

技术领域

本发明涉及扑翼飞行机器人控制领域，具体为一种基于CPG的仿生扑翼飞行机器人的编队控制方法。

背景技术

仿生扑翼飞行机器人是根据自然界中的鸟类或昆虫的飞行机理设计的一类仿生机器人，具有高隐蔽性、高机动性和长续航时间等优点，在国防军事、灾情救援和林场驱鸟等领域具有广泛的应用。随着仿生扑翼飞行机器人的快速发展，仿生扑翼飞行机器人的编队控制逐渐成为国内外研究团队更感兴趣的研究方向。一方面，编队控制研究有助于提高人类对鸟群阵型变换的认识；另一方面，编队控制研究可以使多个仿生扑翼飞行机器人更高效地完成更复杂的任务。

由于仿生扑翼飞行机器人的飞行控制具有非定常大时变特性，传统的控制方法对它们的控制效果往往不太理想，而仿生扑翼飞行机器人的编队控制与飞行控制具有紧密联系。专利《一种扑翼飞行机器人编队控制方法》(申请号202111065723.6)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从能耗的角度确定了扑翼飞行器的编队队形切换方案。该专利通过控制扑翼机器人的位置实现编队队形的保持和重构，但是没有提出扑翼机器人位置控制的具体实现方法。文献《基于莱维飞行鸽群优化的仿雁群无人机编队控制器设计》(中国科学：科学技术)提出了一种基于PID控制的仿雁群编队控制器，提高了编队的稳定性和可靠性，减少了远距离编队时的油耗。虽然传统PID控制方法具有良好的稳定性和鲁棒性，但是不能模拟生物的节律运动。中枢模式发生器(CPG)是一种仿生控制方法，可以产生周期性信号，实现生物的节律运动，如飞行、行走和游泳等。CPG控制具有强的鲁棒性和自适应性，通过改变CPG网络的参数，可以实现仿生机器人不同模态之间的平滑转换。因此，可以采用CPG控制进行仿生扑翼飞行机器人的飞行控制，从而提高编队控制效果。

发明内容

为了解决以上问题，本发明提出一种基于CPG的仿生扑翼飞行机器人的编队控制方法，提高仿生扑翼飞行机器人的编队控制效果。

为实现上述目的，本发明采取的技术方案是：

一种基于CPG的仿生扑翼飞行机器人的编队控制方法，包括以下步骤：

步骤一，搭建仿生扑翼飞行机器人的CPG控制网络，CPG控制器输入参数由模糊控制器转换，输出信号转换为翅膀扑动和尾翼摆动的控制信号；

仿生扑翼飞行机器人的CPG控制网络采用Hopf振荡器，扑翼机器人CPG控制网络数学模型为：

式中，i＝1,2,3表示第i个Hopf振荡器，第1个振荡器对应翅膀单元，第2个和第3个振荡器分别对应左尾翼和右尾翼单元；状态变量x_i和y_i为第i个振荡器的输出，其中x₁，x₂和x₃分别为翅膀、左尾翼和右尾翼的控制信号；和分别为状态变量x_i和y_i的倒数；ω_i为第i个振荡器的固有振荡频率；A_i0为第i个振荡器的幅值；α0为收敛到半径为A_i的极限环的速度；μ_i为偏移量；a_ij和b_ik分别为每个振荡器之间的耦合系数；