Collective motion inspired by animal groups offers powerful design principles for autonomous aerial swarms. We present a bio-inspired 3D flocking algorithm in which each drone interacts only with a minimal set of influential neighbors, relying solely on local alignment and attraction cues. By systematically tuning these two interaction gains, we map a phase diagram revealing sharp transitions between swarming and schooling, as well as a critical region where susceptibility, polarization fluctuations, and reorganization capacity peak. Outdoor experiments with a swarm of ten drones, combined with simulations using a calibrated flight-dynamics model, show that operating near this transition enhances responsiveness to external disturbances. When confronted with an intruder, the swarm performs rapid collective turns, transient expansions, and reliably recovers high alignment within seconds. These results demonstrate that minimal local-interaction rules are sufficient to generate multiple collective phases and that simple gain modulation offers an efficient mechanism to adjust stability, flexibility, and resilience in drone swarms.


翻译:受动物群体启发的集体运动为自主空中集群提供了强大的设计原则。我们提出了一种生物启发的三维聚集算法,其中每架无人机仅与一组最小的影响邻居交互,完全依赖局部的对齐和吸引线索。通过系统地调节这两种交互增益,我们绘制了一个相图,揭示了集群与编队之间的急剧转变,以及一个易感性、极化涨落和重组能力达到峰值的临界区域。利用十架无人机集群进行的户外实验,结合使用校准飞行动力学模型的仿真表明,在该转变点附近运行能增强对外部干扰的响应能力。当面对入侵者时,集群能够执行快速的集体转向、瞬时扩张,并在数秒内可靠地恢复高度对齐。这些结果表明,极简的局部交互规则足以产生多种集体相,并且简单的增益调节为调整无人机集群的稳定性、灵活性和鲁棒性提供了一种高效机制。

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