[发明专利]基于三维轨迹跟踪的扑翼飞行机器人柔性翼的控制方法

说明书

本发明公开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，包括：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的动力学模型；设计柔性翼的翼梢在三维空间中的目标轨迹；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，设计施加于翼梢的带有输出约束的第二控制器，在运动过程中对翼梢施加作用力，抑制柔性翼的弹性形变。本发明可控制柔性翼在三维空间中进行椭圆轨迹运动，同时在已有的约束条件下有效抑制柔性翼的振动，提高轨迹跟踪准确性。

技术领域

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。

发明内容

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：