一种基于粒子群算法的扑翼飞行器升力最大优化方法与流程

1.本发明涉及扑翼飞行器技术领域，尤其涉及一种基于粒子群算法的扑翼飞 行器升力最大优化方法。


背景技术：

2.由于扑翼飞行器结构特点，目前的扑翼飞行器通常尺寸较小，负载能力较 低。为了完成各种不同的任务，扑翼飞行器通常需要携带摄像机等各种不同的 设备，扑翼飞行器的升力越高，其带载能力就越强，适用范围就越广。目前扑 翼飞行器主要采用直流电机驱动、锂电池供电的方式，锂电池作为扑翼飞行器 的电源，需要完成姿态调整、高度调整、提供升力等一系列动作，因此在满足 扑翼飞行器稳定飞行和锂电池输出功率一定的前提下，尽量提高扑翼飞行器的 升力具有重要的价值和研究意义。


技术实现要素：

3.本发明目的是提供了一种基于粒子群算法的扑翼飞行器升力最大优化方 法，以解决上述问题。
4.本发明解决技术问题采用如下技术方案：
5.一种基于粒子群算法的扑翼飞行器升力最大优化方法，包括如下步骤：
6.s1，根据准定常假设建立扑翼飞行器空气动力学模型；
7.s2，根据扑翼飞行器空气动力学模型建立扑翼飞行器升力的目标函数和约 束函数；
8.s3，对粒子群算法进行适应性改进和优化，在刷新速度和位置时采用梯度 下降法并引入交叉和变异操作，搜寻全局最优解；
9.s4，输出最优控制变量给扑翼飞行器，使飞行器在稳定飞行时升力最大。
10.优选的，根据准定常假设，扑翼飞行器空气动力学模型为：
11.f＝f
l
fr12.其中f为扑翼飞行器的升力；
13.ρ为大气密度，v为扑翼拍动速度， α为攻角，w
l
,w1,为常量，r为扑翼飞行器翼展，r为扑翼的平均长度；
14.θ为俯仰角度，wr,w2,为常量。
15.优选的，扑翼飞行器升力控制的目标函数为：
16.max f，扑翼飞行器的升力最大。
17.优选的，约束条件为：
18.f＞g，g为扑翼飞行器的重力；
19.ρ＜ρ
max
，ρ
max
为安全飞行高度对应的大气密度；
20.v＜v
max
，v
max
为最大安全扑翼拍动速度；
21.0＜α＜α
max
，α
max
为攻角最大值；
22.0＜θ＜θ
max
，θ
max
为俯仰角最大值；
23.c1，c2，c3为常量，t1为驱动扑翼电机 拍动的转矩，t2为驱动攻角电机的转矩，t3为驱动俯仰电机的转矩，p为扑翼 飞行器的消耗功率，p
max
为锂电池的额定输出功率。
24.优选的，粒子群算法的流程为：
25.s31，粒子初始化，随机生成粒子的初始位置xi和初始速度vi；
26.s32，根据目标函数计算适应度值，根据适应度值计算每个个体的个体极值 xi，个体极值中的最大值即为全局极值pi；
27.s33，更新每个个体的速度和位置；
28.个体的速度为：
29.v
i 1
＝wvi cir1(x
i-xi) cir2(p
i-xi)
30.个体的位置为：
31.x
i 1
＝xi v
i 1
32.其中w为常量，r1和r2为随机变量；
33.为了提高粒子群算法的收敛速度，引入罚函数作为调整局部最优解 和全局最优解的系数，取常数τ＞0；
34.为了避免粒子群算法收敛到局部最优解，拓展算法的寻优空间，对个体的 速度采用交叉和变异操作；以一定概率p选择n个个体，对这n个个体的v
i 1
和 vi随机交换位置进行交叉，将交叉后的v
i 1
作为速度更新个体位置x
i 1
；以一定 概率q选择m个个体，对这m个个体的v
i 1
随机选择一个位置进行变异，将变异 后的v
i 1
作为速度更新个体位置x
i 1
；
35.s34，达到迭代次数后，停止迭代。
36.优选的，步骤s4中的控制变量包括飞行高度、扑翼拍动速度、攻角和俯仰 角。
37.本发明公开的一种基于粒子群算法的扑翼飞行器升力最大优化方法，具有 以下有益效果：
38.(1)本发明公开的基于粒子群算法的扑翼飞行器升力最大优化方法，输出 的最优控制参数能够使飞行器满足约束条件时输出最大升力，提高飞行器的有 效载荷，满足执行任务的多样性。
39.(2)本发明公开的基于粒子群算法的扑翼飞行器升力最大优化方法采用罚 函数更新粒子群算法中的速度和位置，提高算法的收敛速度，满足算法的是实 时性要求。
40.(3)本发明公开的基于粒子群算法的扑翼飞行器升力最大优化方法采用交 叉和变异操作对算法进行改进，拓展算法的搜索空间，避免陷入局部最优解， 使算法收敛到全局最优解，使扑翼飞行器输出最大升力。
附图说明
41.图1为本发明基于粒子群算法的扑翼飞行器升力最大优化方法的整体流程 图。
42.图2为本发明粒子群算法的流程图。
具体实施方式
43.为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明 实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然， 所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中 的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其 他实施例，都属于本发明保护的范围。
44.如图1所示，本实施例公开的一种基于粒子群算法的扑翼飞行器升力最大 优化方法，包括如下步骤：
45.s1，根据准定常假设建立扑翼飞行器空气动力学模型；
46.s2，建立扑翼飞行器升力的目标函数和约束函数，其中目标函数为扑翼飞 行器的升力最大，约束函数包括升力应大于自身重力、飞行高度应确保最小安 全高度、飞行速度小于最大设计速度、攻角在设计范围内、俯仰角在设计范围 内、扑翼飞行器的消耗功率小于锂电池的额定输出功率，输出的控制变量为飞 行高度、扑翼拍动速度、攻角和俯仰角；
47.s3，对粒子群算法进行适应性改进和优化，在刷新速度和位置时采用梯度 下降法并引入交叉和变异操作，提高粒子群算法的全局搜索能力，避免陷入局 部最优解；
48.s4，输出最优控制变量给扑翼飞行器，使飞行器在稳定飞行时升力最大。
49.根据准定常假设，扑翼飞行器空气动力学模型为：
50.f＝f
l
fr。
51.其中，f为扑翼飞行器的升力；
52.ρ为大气密度，v为扑翼拍动速度， α为攻角，w
l
,w1,为常量，r为扑翼飞行器翼展，r为扑翼的平均长度；
53.θ为俯仰角度，wr,w2,为常量。
54.通过上述模型可以得到扑翼飞行器的升力。
55.扑翼飞行器升力控制的目标函数为：
56.max f，扑翼飞行器的升力最大。
57.约束条件为：
58.f＞g，g为扑翼飞行器的重力；扑翼飞行器的升力大于重力；
59.ρ＜ρ
max
，ρ
max
为安全飞行高度对应的大气密度；高度越高，大气密度越低， 需保证扑翼飞行器的安全飞行高度；
60.v＜v
max
，v
max
为最大安全扑翼拍动速度；扑翼拍动速度小于最大安全扑翼拍 动速度；
61.0＜α＜α
max
，α
max
为攻角最大值；攻角在设计范围之内；
62.0＜θ＜θ
max
，θ
max
为俯仰角最大值；俯仰角在设计范围之内；
[0063][0064]
c1，c2，c3为常量，t1为驱动扑翼电机拍动的转矩，t2为驱动攻角电机的转矩， t3为驱动俯仰电机的转矩，p为扑翼飞行器的消耗功率，p
max
为锂电池的额定输 出功率。扑翼飞行器的消耗功率小于锂电池的额定输出功率，在飞行状态下， 扑翼飞行器的功耗主要是驱
动扑翼电机、驱动攻角和俯仰角电机的功率。
[0065]
由此建立目标函数和约束函数，输出的控制变量为飞行高度、扑翼拍动速 度、攻角和俯仰角。
[0066]
如图2所示，粒子群算法的流程为：
[0067]
s31，粒子初始化，随机生成粒子的初始位置xi和初始速度vi，初始种群的 数量对粒子群算法的收敛速度影响较小，同时一定数量的初始种群数量能保持 种群的多样性，确保搜寻到全局最优解，初始种群的大小通常应不小于60；
[0068]
s32，根据目标函数计算适应度值，适应度函数为目标函数，根据适应度 值计算每个个体的个体极值xi，取个体极值中的最大值即为全局极值pi。
[0069]
s33，更新每个个体的速度和位置。
[0070]
个体的速度更新函数为：
[0071]vi 1
＝wvi cir1(x
i-xi) cir2(p
i-xi)
[0072]
其中w为常量，w的取值范围为0＜w＜1，本实施例中w＝0.65，r1和r2为随 机变量取值范围为r1＞0，r2＞0，本实施例中r1＝r2＝0.24。
[0073]
为了提高粒子群算法的收敛速度，引入罚函数作为调整局部最优解 和全局最优解的系数，其中τ的取值范围为τ＞0，本实施例中τ＝0.8。
[0074]
为了避免粒子群算法收敛到局部最优解，拓展算法的寻优空间，对个体的 速度采用交叉和变异操作。首先以一定概率p选择从所有种群中选择n个个体， p的取值范围为0.4＜p＜0.8，对这n个个体的v
i 1
和vi进行二进制编码，然后随 机交换一个位置进行交叉，将交叉后的v
i 1
作为速度更新个体位置x
i 1
；然后以 一定概率q选择m个个体，q的取值范围为0.01＜q＜0.2，对这m个个体的v
i 1
进 行二进制编码，然后随机选择一个位置进行变异，将变异后的v
i 1
作为速度更新 个体位置x
i 1
。
[0075]
s34，将更新后的速度和位置信息继续迭代，重复步骤s32和s33，直到全 局极值pi不再增大或者达到了设定的迭代次数，本实施例中，迭代次数设置为 200。
[0076]
s35，停止迭代，输出最优解即为满足升力最大的输出控制变量；飞行高 度、扑翼拍动速度、攻角和俯仰角。
[0077]
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限 制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员 应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其 中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的 本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。