技術特征：

1.一種基于小型鳥類集群飛行機制的無人機編隊方法，特征在于：其步驟如下：

步驟一：設計基于鳥群層級結構的無人機通信網(wǎng)絡

因為每架無人機對環(huán)境的感知能力有限，需要多機構成傳感器網(wǎng)絡增強感知能力，獲得必要的編隊信息；

無人機集群采用三層“領導-中繼-跟隨”結構；領導層無人機負責匯總編隊內所有無人機運動狀態(tài)，并做出決策，如計算下一步的飛行方向與速度，會參考中繼層、跟隨層個體的狀態(tài)，當中繼層無人機速度較慢時，領導層無人機同樣會減速，保持構型；反之加速；中繼層個體在集群運動時，圍繞在領導個體周圍，實時探測領導個體行為，并調整自身狀態(tài)與其保持一致；“領導-中繼”之間采用雙向通信；跟隨層無人機參考中繼層，計算下一時刻自身的運動狀態(tài)，“中繼-跟隨”同樣采用雙向通信；外部信息經(jīng)由基于鳥群層級結構的無人機通信拓撲，從領導層傳向中繼層，最終傳遞到跟隨層；該通信網(wǎng)絡基于拓撲距離，即無人機保持固定的通信關系，不受實際間距影響；該設計使得無人機編隊具備較強的環(huán)境適應性，如需要急轉彎時，可以避免由速度差異過大，導致無人機間距超過鄰域通信距離，鄰居間通信失效，編隊解體的問題；

步驟二：設計基于鳥群覓食行為的編隊導航器

鳥群在覓食時，一些經(jīng)驗豐富，感覺敏銳的個體會第一時間發(fā)現(xiàn)食物，并朝之飛行，這些個體便充當領導層；剩余成員只需要跟隨領導，就可以獲取食物，成為中繼或跟隨層；

采用雙積分動力學描述編隊中無人機個體的運動，無人機受力得到加速度，加速度積分得到速度，二次積分得到位置增量；

$\frac{d\stackrel{\→}{v}}{dt}={\stackrel{\→}{f}}_{individual}+{\stackrel{\→}{f}}_{social}---\left(1\right)$

其中是導航力，模擬食物源對鳥的吸引，對于無人機，則用目的地代替食物源，吸引無人機飛向指定位置；是社會力，模擬鳥群中鄰居個體保持間距和協(xié)調速度的效果；此處將無人機質量取為1，這是從鳥群模型繼承而來的，因為不同鳥類個體質量不同，建模統(tǒng)一刻畫鳥群行為時忽略其質量；

${\stackrel{\→}{f}}_{individual}=\stackrel{\→}{a}-\mathrm{\γ}\stackrel{\→}{v}---\left(2\right)$

由距離誤差a和速度反饋v構成，代表無人機的目標位置，x是其當前位置，二者距離誤差越大，產(chǎn)生的加速度越大，驅動無人機加速飛行；速度反饋v用于增大二階系統(tǒng)阻尼比，產(chǎn)生滿足系統(tǒng)穩(wěn)定條件的控制力，γ是速度反饋系數(shù)，一般取值為2；

$\left[\begin{array}{c}{\stackrel{\→}{a}}_1\\ {\stackrel{\→}{a}}_{flo}\end{array}\right]=\left[\begin{array}{c}{k}_{slow}({\stackrel{\→}{x}}_{des}-{\stackrel{\→}{x}}_1)\\ \frac{1}{k_{slow}}({\stackrel{\→}{x}}_{des,flo}-{\stackrel{\→}{x}}_{flo})\end{array}\right]---\left(3\right)$

$k_{slow}=e^{-{\mathrm{dis}}^2}---\left(4\right)$

領導層無人機的距離誤差項與中繼、跟隨層不同，差異在于縮放系數(shù)，領導層無人機受目的地吸引，速度較快，中繼、跟隨層無人機相比之下，速度較小，需要協(xié)調兩種速度；采用縮放系數(shù)k_slow，領導層個體距離目的地越遠，該系數(shù)越小，領導層收到的目的地吸引力越小，同時中繼、跟隨層受到的吸引力越大，加速跟蹤領導層無人機；

$dis=\left|\right|{\stackrel{\→}{x}}_1-\[\frac{({\stackrel{\→}{x}}_2+{\stackrel{\→}{x}}_5)}{2}+\frac{{\stackrel{\→}{v}}_2+{\stackrel{\→}{v}}_5}{\left|\right|{\stackrel{\→}{v}}_2+{\stackrel{\→}{v}}_5\left|\right|}\×L\]\left|\right|---\left(5\right)$

其中dis是領導層個體實際位置與期望位置的距離差，是領導無人機位置，是中繼層無人機平均位置，表示中繼層無人機平均速度方向，L是領導無人機超前中繼無人機的期望距離；

步驟三：設計基于鳥群鄰居交互行為的編隊控制器

基于鳥群鄰居交互行為的編隊控制器服從基于幾何距離的通信關系，依據(jù)兩架無人機的間距大小和夾角，兩者之間存在斥力、隊列力、引力或者前向作用力；

${\stackrel{\→}{f}}_{social}={\mathrm{\ω}}_{sep}{\stackrel{\→}{f}}_{rep}+{\mathrm{\ω}}_{ali}{\stackrel{\→}{f}}_{ali}+{\mathrm{\ω}}_{att}{\stackrel{\→}{f}}_{att}+{\mathrm{\ω}}_{front}{\stackrel{\→}{f}}_{front}---\left(6\right)$

其中是基于鳥群鄰居交互行為的編隊控制力，其由四項單位力構成，即力的幅值為1，但方向各異；力的大小由對應系數(shù)ω_sep、ω_ali、ω_att、ω_front；編隊控制力各項列舉如下，

第i架無人機收到的引力采用高斯力形式，r_sep是斥力最遠距離，是編隊中第i架無人機位置，是第j架無人機位置，||.||代表2范數(shù)；引力方向從無人機j指向i，作用區(qū)域是以無人機縱軸為中線，夾角大于30度，距離小于r_sep的扇形區(qū)域；

表示第i架無人機受到的隊列力，表示無人機i的速度方向，是無人機j的速度方向，r_ali是隊列力作用半徑；隊列力修正無人機i的速度方向，使之與無人機j方向一致；其作用域位是距離無人機ir_sep到r_ali，夾角大于30度的扇環(huán)內；

表示無人機i受到的吸引力，從無人機i指向無人機j，吸引i向j靠攏；r_att是吸引力作用半徑；吸引力作用域是距離無人機ir_ali到r_att，夾角大于30度的扇環(huán)；

表示無人機i受到的前向作用力，r_att是前向作用力的半徑；前向作用力分為前向引力和前向斥力，r_mid是二者分界線，前者吸引鄰居無人機j飛向無人機i，后者將i推離j；前向作用力的作用域是與無人機縱軸夾角30度的扇形；

基于鳥群鄰居交互行為的編隊控制力基于距離的控制力，包括引力、斥力和前向作用力，因為隊列力與距離無關，只依賴于鄰居速度；無人機i最外側與最內側受力最大，這兩個區(qū)域最不穩(wěn)定，與無人機縱軸夾角大于30度的相鄰無人機在編隊力的作用下調整位置，最終落在隊列力作用區(qū)域；在隊列力作用下，速度趨于一致，實現(xiàn)雷納德集群三原則：吸引、分離、列隊，這是形成穩(wěn)定編隊構型的基礎；夾角小于30度的無人機會落在前向引力、前向斥力的分界線處，該位置處兩種力大小相等方向相反，是穩(wěn)定位置；

步驟四：基于鳥群行為的飛行模式切換器

所述的無人機編隊方法包含三種飛行模式：平飛、等半徑轉彎和編隊重構；平飛模式用于編隊巡航，要求無人機俯仰角、滾轉角保持為零，穩(wěn)定飛行，期間執(zhí)行任務；

當下一個目的地與當前編隊飛行方向夾角超過45度時，進入等半徑轉彎模式；否則維持平飛，進行小幅度轉彎；等半徑轉彎來源于歐椋鳥群躲避捕食的應急行為，歐椋鳥獲得使能信號后，群體協(xié)商得出相同的轉彎半徑R，每只歐椋鳥以自身當前位置為起始點，在當前速度的法方向上截取長度R，終點即為轉彎圓心，繞此圓心以相同角速度劃弧，得出等半徑轉彎軌跡；該模式會暫時解散編隊構型，相應的益處是增大轉彎的靈活性，每架無人機不受目標位置的約束，此時基于鳥群覓食行為的編隊導航器不起作用，但設計基于鳥群鄰居交互行為的編隊控制器仍然工作，將多機間距控制在合理范圍內，避免無人機過于分散，為編隊重構提供方便；

編隊重構模式起到過渡作用，從等半徑轉彎模式恢復到平飛模式，重建原先編隊構型；當每架無人機結束轉彎后，維持自身速度方向不變，調整速度大??；當領導無人機落后于中繼層無人機時，領導無人機以二倍速度平飛，中繼無人機速度折半，當領導無人機在前進方向上超過所有中繼無人機后，認為重構模式結束，多無人機恢復到原穩(wěn)定構型，進入平飛模式。