本发明涉及自动控制技术领域,特别涉及一种基于三维轨迹跟踪的扑翼飞行机器人柔性翼的控制方法。
背景技术:
随着航空航天工程的发展,无人机技术受到人们广泛的关注。受到鸟类和昆虫的启发,科学家们设计了一种新型无人机——扑翼飞行机器人。扑翼飞行机器人拥有质量轻,体积小,易于操作,功耗低等优点,具有低空飞行的能力,因此在军用和民用领域具有广阔的应用前景。
由于传统的刚性材料相对较重,扑翼飞行机器人的机翼结构通常使用柔性材料。但是柔性材料由于自身的特性会产生明显的弹性振动和形变,对扑翼飞行机器人机翼的稳定性及轨迹跟踪的准确性造成很大负面的影响。同时,自然界中鸟类翅膀的运动不仅仅是简单的上下扑动,同时还带有一些前后掠动,使得鸟类翼梢轨迹在三维空间中形成不同的曲线,鸟类常见的翼梢轨迹有椭圆形。相较于建立在二维空间中只考虑上下扑动运动的柔性翼模型,带有扑动和掠动的三维空间柔性翼模型使得扑翼飞行机器人更具有仿生性,同时有助于飞行器的升力、推力以及飞行效率的提高。
因此,为了提高柔性翼系统的鲁棒性以及实现飞行器的预期飞行目标,在三维空间中对柔性翼进行精准地轨迹跟踪控制是非常有必要的。与此同时,在扑翼飞行机器人实际飞行过程中,柔性翼会因弹性形变过大而对扑翼飞行机器人造成损害并引发安全问题,同时,柔性翼的弹性形变会影响柔性翼轨迹跟踪的准确性,因此需要对柔性翼的弹性形变进行输出约束控制。
目前,针对扑翼飞行机器人机翼的研究多数是将其建立在二维空间中进行控制,在三维空间中对柔性翼进行建模和控制的研究是寥寥无几的,导致现有的扑翼飞行机器人柔性翼控制算法的性能不能满足更高的需求。
技术实现要素:
本发明提供了一种基于三维轨迹跟踪的扑翼飞行机器人柔性翼的控制方法,以解决现有的在二维空间对扑翼飞行机器人柔性翼进行控制的方法不能满足更高需求的技术问题。
为解决上述技术问题,本发明提供了如下技术方案:
一方面,本发明提供了一种基于三维轨迹跟踪的扑翼飞行机器人柔性翼的控制方法,该基于三维轨迹跟踪的扑翼飞行机器人柔性翼的控制方法包括:
根据待控制的扑翼飞行机器人柔性翼的动力学特征,在三维空间中建立所述柔性翼的动力学模型;
设计所述柔性翼翼梢在三维空间中的目标轨迹;
基于所述动力学模型和期望的目标轨迹,设计施加于柔性翼根部的第一控制器,控制所述柔性翼进行三维空间的目标轨迹跟踪,同时获取所述柔性翼的弯曲形变和扭转形变的边界值,设计施加于柔性翼翼梢的带有输出约束的第二控制器,以在运动过程中对所述翼梢施加作用力,抑制所述柔性翼的弹性形变。
进一步地,所述根据待控制的扑翼飞行机器人柔性翼的动力学特征,在三维空间中建立所述柔性翼的动力学模型,包括:
获取所述柔性翼的动能、势能以及非保守力对所述柔性翼所做的虚功;
根据所述柔性翼的动能、势能以及非保守力对所述柔性翼所做的虚功,基于哈密顿原理,得到所述柔性翼的动力学模型。
进一步地,所述动力学模型的表达式为:
其中,
其中,
进一步地,设计所述柔性翼翼梢在三维空间中的目标轨迹,包括:
在三维空间中设计所述柔性翼进行上下扑动和前后掠动,使得所述柔性翼翼梢形成椭圆轨迹,在平面直角坐标系
进一步地,所述目标轨迹的表达式为:
其中,
进一步地,基于所述动力学模型和期望的目标轨迹,设计施加于柔性翼根部的第一控制器,控制所述柔性翼进行三维空间的目标轨迹跟踪,包括:
基于所述动力学模型和期望的目标轨迹,获取所述柔性翼轨迹跟踪误差信号以及相应的角度信号值;基于所述轨迹跟踪误差信号以及相应的角度信号值设计施加于柔性翼根部的第一控制器的控制力矩
其中,
进一步地,获取所述柔性翼的弯曲形变和扭转形变的边界值,设计施加于柔性翼翼梢的带有输出约束的第二控制器,以在运动过程中对所述翼梢施加作用力,抑制所述柔性翼的弹性形变,包括:
设定所述柔性翼的弯曲形变和扭转形变在
获取所述柔性翼的弯曲形变和扭转形变在
其中,
进一步地,所述控制方法还包括:
基于所述动力学模型和所设计的第一控制器及第二控制器,设计障碍lyapunov函数
进一步地,所述障碍lyapunov函数
其中,
通过证明所述障碍lyapunov函数具有上下界且为正定,验证所述柔性翼的稳定性;通过证明所述障碍lyapunov函数对时间t的一阶导数是有上界的且是半负定的,验证所述柔性翼是渐进稳定的。
进一步地,在对柔性翼进行稳定性分析后,所述控制方法还包括:
通过matlab仿真,验证所述第一控制器和所述第二控制器的有效性以及所述柔性翼的稳定性。
另一方面,本发明还提供了一种电子设备,其包括处理器和存储器;其中,存储器中存储有至少一条指令,所述指令由处理器加载并执行以实现上述方法。
再一方面,本发明还提供了一种计算机可读存储介质,所述存储介质中存储有至少一条指令,所述指令由处理器加载并执行以实现上述方法。
本发明提供的技术方案带来的有益效果至少包括:
本发明根据扑翼飞行机器人柔性翼的动力学特征,在三维空间中建立柔性翼动力学模型;基于自然界中鸟类翅膀运动的规律,设计柔性翼翼梢在三维空间中的运动轨迹;基于柔性翼动力学模型,设计边界控制器,对柔性翼进行三维空间的目标轨迹跟踪,同时为确保轨迹跟踪控制准确性,设计带有输出约束的边界控制器抑制柔性翼的弹性形变。相较于以往在二维平面建立的柔性翼模型,本发明在三维平面建立的柔性翼模型考虑了上下扑动和前后掠动,使得柔性翼末梢形成椭圆型轨迹,可以提高扑翼飞行机器人的升力,推力以及飞行效率,有利于改善扑翼飞行机器人的飞行性能。同时,由于扑翼飞行机器人承载能力有限,相较于现有的分布式参数控制,本发明的边界控制方法只需要少量的控制器和传感器,从而有助于扑翼飞行机器人减轻负载。
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为本发明第一实施例提供的基于三维轨迹跟踪的扑翼飞行机器人柔性翼的控制方法的流程示意图;
图2为本发明第二实施例提供的基于三维轨迹跟踪的扑翼飞行机器人柔性翼的控制方法的流程示意图;
图3为本发明第二实施例提供的柔性翼系统在三维空间中的结构示意图
图4为本发明第二实施例提供的控制器的控制原理图
图5为本发明第二实施例提供的未施加控制时柔性翼系统的弯曲形变仿真示意图;
图6为本发明第二实施例提供的未施加控制时柔性翼系统的扭转形变仿真示意图;
图7为本发明第二实施例提供的施加控制后柔性翼系统的弯曲形变仿真示意图;
图8为本发明第二实施例提供的施加控制后柔性翼系统的扭转形变仿真示意图;
图9为本发明第二实施例提供的柔性翼系统的角度的轨迹跟踪仿真示意图;
图10为本发明第二实施例提供的柔性翼系统的角度跟踪误差仿真示意图;
图11为本发明第二实施例提供的柔性翼系统末端的弯曲形变仿真示意图;
图12为本发明第二实施例提供的柔性翼系统末端的扭转形变仿真示意图;
图13为本发明第二实施例提供的柔性翼系统的翼梢在三维空间坐标系中的运动轨迹的仿真示意图;
图14为本发明第二实施例提供的柔性翼系统的翼梢在平面直角坐标系中的运动轨迹示意图。
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。
第一实施例
本实施例提供了一种基于三维轨迹跟踪的扑翼飞行机器人柔性翼的控制方法,该方法可以由电子设备实现,该方法的执行流程如图1所示,包括:
s101,根据待控制的扑翼飞行机器人柔性翼的动力学特征,在三维空间中建立柔性翼的动力学模型;
s102,设计柔性翼翼梢在三维空间中的目标轨迹;
s103,基于动力学模型和期望的目标轨迹,设计施加于柔性翼根部的第一控制器,控制柔性翼进行三维空间的目标轨迹跟踪,同时获取柔性翼的弯曲形变和扭转形变的边界值,设计施加于柔性翼翼梢的带有输出约束的第二控制器,以在运动过程中对翼梢施加作用力,抑制柔性翼的弹性形变。
本实施例的控制方法在三维平面建立的柔性翼模型考虑了上下扑动和前后掠动,使得柔性翼末梢形成椭圆型轨迹,可以提高扑翼飞行机器人的升力,推力以及飞行效率,有利于改善扑翼飞行机器人的飞行性能。同时,由于扑翼飞行机器人承载能力有限,相较于现有的分布式参数控制,本实施例的边界控制方法只需要少量的控制器和传感器,从而有助于扑翼飞行机器人减轻负载。
第二实施例
本实施例提供了一种基于三维轨迹跟踪的扑翼飞行机器人柔性翼的控制方法,首先,为了更好地理解本实施例,首先对本文中出现的一些符号进行说明:
其中,
本实施例的控制方法的执行流程如图2所示,包括:
s101,根据扑翼飞行机器人柔性翼的动力学特征,在三维空间中建立柔性翼动力学模型。
如图3所示,三维空间中的扑翼飞行机器人柔性翼oa位于oxyz坐标系中,柔性翼oa左侧固定于坐标原点,称为固定端o,柔性翼右侧可自由运动,a称为翼梢端,其中a’为a在xoy平面上的投影,
柔性翼的动能表示为:
其中,m表示单位长度柔性翼的质量,
考虑柔性翼在水平方向和竖直方向的运动、柔性翼在运动过程中产生的弹性形变以及在水平方向和竖直方向受到的干扰,可以得到柔性翼的动能、势能以及非保守力对柔性翼系统所做的虚功;其中,柔性翼的势能表示为:
其中,ei表示柔性翼的弯曲刚度,gj表示柔性翼的扭转刚度,
非保守力对柔性翼系统所做的虚功表示为:
其中,
其中,
其中,
其中,
将上述柔性翼的动能,势能以及非保守力所做的虚功带入哈密顿公式(
其中,
其中,
s102,基于自然界中鸟类翅膀运动的规律,设计柔性翼翼梢在三维空间中的运动轨迹。
需要说明的是,自然界中鸟类的翅膀在进行运动时翼梢轨迹并非简单的上下扑动,而是上下扑动和前后掠动结合,运动轨迹常为椭圆形,有助于飞行过程中升力和推力的提升,因此翼梢轨迹通常会在三维空间中形成不同的曲线。常见的翼梢轨迹曲线为椭圆形。因此,在三维空间中,设计柔性翼进行上下扑动和前后掠动使得柔性翼末梢形成椭圆型轨迹,在平面直角坐标系
使用
因此,可以得到
s103,基于柔性翼动力学模型设计边界控制器,对柔性翼进行三维空间的目标轨迹跟踪控制,使得柔性翼在三维空间中跟踪目标椭圆轨迹以提升扑翼飞行机器人的飞行性能,同时为确保轨迹跟踪控制准确性,获取弯曲形变和扭转形变的边界值,设计带有输出约束的边界控制器抑制柔性翼的弹性形变。
具体如下:
基于柔性翼模型和期望的目标轨迹,获取柔性翼轨迹跟踪误差信号以及相应的角度信号值,设计实际输入
其中,
在飞行过程中柔性翼会产生弹性形变,为系统的稳定性以及轨迹跟踪的准确性,获取所述柔性翼的弯曲形变和扭转形变的边界值,设计施加于柔性翼翼梢的带有输出约束的第二控制器,以在运动过程中对所述翼梢施加作用力,抑制所述柔性翼的弹性形变,包括:
设定所述柔性翼的弯曲形变和扭转形变在
获取所述柔性翼的弯曲形变和扭转形变在
其中,
根据得到的控制律使得柔性翼可以在三维空间中跟踪到预设的期望轨迹,同时控制在运动过程中柔性翼所产生过的弹性形变不会超出预先设定的界,确保柔性翼轨迹跟踪的准确性,所述控制器的控制原理如图4所示。
需要说明的是,本实施例设计的控制器位于柔性翼根部和末梢,通过主动控制,将作用力施加在柔性翼根部和末梢,不仅可对柔性翼运动过程中产生的弯曲形变和扭转形变进行抑制,还能实现对柔性翼的轨迹跟踪控制。位于柔性翼末梢的边界控制器可通过使用新型材料的控制器实现,比如压电材料,离子交换聚合金属材料,人工肌肉等等,控制器的信号均可以通过差分法计算得到。
s104,基于柔性翼动力学模型和所设计的边界控制器,设计柔性翼的障碍lyapunov函数
其中,
通过证明障碍lyapunov函数具有上下界且为正定,可以验证柔性翼系统的稳定性;而通过证明lyapunov函数对时间t的一阶导数是有上界的且是半负定的,可以验证柔性翼系统是渐进稳定的。具体如下:
首先,证明lyapunov函数具有上下界且为正定,即
定义辅助变量:
因此,可以得到:
其中:
根据不等式
其中:
可以得到以下不等式:
使
接着,证明lyapunov函数对时间t的一阶导数是有上界的且是半负定的,即
首先,对李雅普诺夫候选函数v(t)对时间t求导:
其中:
接着,将以上四个公式相加,可得:
其中:
使得
对不等式
由上式可知
接着,可以得出以下不等式:
从上述公式中,可以证明
从上述公式中,可以得到
因此,由以上分析可知,当lyapunov函数
s105,通过matlab仿真验证边界控制器的有效性和柔性翼系统的稳定性。
在本实施例中,除了对所设计的边界控制器的有效性进行理论上的验证,还需要利用matlab仿真验证其有效性及可行性。利用有限差分法进行matlab仿真,对柔性翼系统施加所设计的控制器,通过调节控制器的参数使其达到期望的控制效果。仿真结果如图5-图14所示。
其中,柔性翼系统参数及控制参数如下表1所示:
表1仿真参数
本实施例根据扑翼飞行机器人柔性翼的动力学特征,在三维空间中建立柔性翼动力学模型;基于自然界中鸟类翅膀运动的规律,设计柔性翼翼梢在三维空间中的运动轨迹;基于柔性翼动力学模型,设计带有输出约束的边界控制器,对柔性翼进行三维空间的目标轨迹跟踪和振动抑制。因此,对于在三维空间运动的柔性翼系统模型,所设计的边界控制器只需要少量的传感器和执行器,就可减少柔性翼在运动过程中产生的振动,同时控制柔性翼在三维空间中跟踪特定轨迹。最后,通过matlab仿真验证所设计的控制的有效性和系统的稳定性。
第三实施例
本实施例提供一种电子设备,其包括处理器和存储器;其中,存储器中存储有至少一条指令,所述指令由处理器加载并执行,以实现第一实施例的方法。
该电子设备可因配置或性能不同而产生比较大的差异,可以包括一个或一个以上处理器(centralprocessingunits,cpu)和一个或一个以上的存储器,其中,存储器中存储有至少一条指令,所述指令由处理器加载并执行上述方法。
第四实施例
本实施例提供一种计算机可读存储介质,该存储介质中存储有至少一条指令,所述指令由处理器加载并执行,以实现上述第一实施例的方法。其中,该计算机可读存储介质可以是rom、随机存取存储器、cd-rom、磁带、软盘和光数据存储设备等。其内存储的指令可由终端中的处理器加载并执行上述方法。
此外,需要说明的是,本发明可提供为方法、装置或计算机程序产品。因此,本发明实施例可采用完全硬件实施例、完全软件实施例或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且,本发明实施例可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质上实施的计算机程序产品的形式。
本发明实施例是参照根据本发明实施例的方法、终端设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理终端设备的处理器以产生一个机器,使得通过计算机或其他可编程数据处理终端设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理终端设备以特定方式工作的计算机可读存储器中,使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品,该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理终端设备上,使得在计算机或其他可编程终端设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理,从而在计算机或其他可编程终端设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
还需要说明的是,在本文中,诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来,而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含,从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者终端设备不仅包括那些要素,而且还包括没有明确列出的其他要素,或者是还包括为这种过程、方法、物品或者终端设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下,由语句“包括一个……”限定的要素,并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者终端设备中还存在另外的相同要素。
最后需要说明的是,以上所述是本发明优选实施方式,应当指出,尽管已描述了本发明优选实施例,但对于本技术领域的技术人员来说,一旦得知了本发明的基本创造性概念,在不脱离本发明所述原理的前提下,还可以做出若干改进和润饰,这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。所以,所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本发明实施例范围的所有变更和修改。