基于PID神经网络的四旋翼飞行器控制算法研究.pdf

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1、嗣应用技术基于PID神经网络的四旋翼飞行器控制算法研究胡锦添舒怀林(1．广州市光机电技术研究院2．广州大学机械与电气工程学院)摘要：针对四旋翼飞行器的姿态与位置控制问题，提出基于PID神经网络的控制方法。建立四旋翼飞行器的数学模型，引入四旋翼飞行器联合仿真平台，利用Matlab设计PID神经网络姿态控制器，训练后能达到良好的控制效果，最后设计PID神经网络位置控制器并进行训练。仿真结果表明，该控制方法在性能上明显优于传统PID，对飞行器有良好的控制效果。关键词：四旋翼飞行器；PID神经网络；姿态控制0引言模型以及使用现代控制技术设计控制器。本文利

2、用PID神经网络技术设计四旋翼飞行器控制器，并在联微型飞行器概念从2O世纪90年代提出后，迅速合仿真平台上进行仿真，结果显示PID神经网络能很引起了世界各国的关注。同常规飞机相比，微型飞行好地对四旋翼飞行器多变量系统进行解耦控制，获得器具有体积小、隐蔽性好、质量轻、成本低、灵活性良好的飞行控制效果。强、携带方便、操作简单等突出特点，因此无论在军事领域还是民用领域，微型飞行器都有十分诱人的应1数学模型的建立用前景【1]。一些工业先进国家已投入大量人力和财力四旋翼飞行器的结构图如图1所示。研制各种微型飞行器。微型四旋翼飞行器是由4个旋翼驱动的无人机，

3、其结构简单、灵活性强、负载能力大，并可实现垂直起降、空中悬停等动作。它有6个自由度，通过4个旋翼的转动提供升力，只要分别改变4个旋翼的转速，即可改变飞行器的飞行姿态[2】。四旋翼飞行器是一个强耦合、非线性、多变量的欠驱动系统，为了增强飞行器的稳定性与安全性，必须建立准确的数学模型和设计智能型控制系统，这是当今飞行器研究的重点与难点[3]口随着MEMS技术与计算机技术的不断发展，四旋翼飞行器的控制策略研究也取得了相应的进展，国内外研究人员分别提出了PD控制、PID控制、反步法、滑模控制等控制方法【l4。。这些方法基本能控制飞行器的飞行姿态，但仍然存

4、在不足：PD控制稳定性图1四旋翼飞行器结构图不强，在模型参数摄动时控制效果不理想；PID控制、反步法以及滑模控制均对模型进行了线性化处理，忽分析飞行器的飞行原理，根据牛顿．欧拉方程和略了模型的非线性部分，精度不高，影响控制效果。坐标转换矩阵建立飞行器的动力学模型[，如式(1)要取得良好的控制效果，必须建立准确的飞行器数学所示。=f(x，)根据文献[5】所述，估计参数取值为m=1．2，g=9．8m／s=0．0026．，=0．26m(dr口：==10N·(s)～，=10N·(m／s)Jx：Jr=0．015kg·m2：0．026kg·m2=10kg·m

5、,(一-~-afx2+，2PID神经网络PID神经元网络是一种由比例(P)、积分(I)和微分(D)神经元组成的多层神经网络，同时具备(+n经典PID控制和神经网络控制的优点。对于多变量强耦合时变系统，PID神经网络先通过在线学习、设置11，一g+一1COSX3COSl一一；初始值；再根据对象参数发生变化对系统输出性能的影响自动调整连接权值；最后通过改变网络中比例、X101口l(sin3COSXl+‘5’1)一1积分和微分作用的强弱，如同经典PI【)控制器的参数—一口l【sln3sCOSl+sinx5sinx1)一PxX~o整定，使系统具备较好的动

6、态性能，达到对系统进行X12解耦控制的目的嘲，其结构如图2所示。1口l(sinx3sin5c。sl—c。ssinx1)一1—~uxy(1)其中，m为飞行器质量；g为重力加速度；、、分别为轴、y轴、Z轴3个方向上的空气阻力系数；、、分别为飞行器绕轴、y轴、z轴的转动惯量：Jr为电机外转子与螺旋桨的转动惯量t为各个旋翼的反扭矩产生偏航力矩的比例系数。al=+++F4一口2=F2-F,a一(2)3=一一a4=—+—F4口，一+一+其中，(f=1，2’3，4)分别为4个旋翼的角速度与产生的升力。J，x2，x3，x4，X5，X6(3)【x7Z，x8z，x9

7、，X10X，1Y，x12Y图2PID神经网络多变量控制系统结构其中，为俯仰角；为滚转角；为偏航角；为PID神经网络是一种新的多层前向网络，它除了飞行器在绝对坐标系中沿轴的位移；Y为飞行器在具有一般多层前向网络的特点，如逼近能力、并行计绝对坐标系中沿y轴的位移；z为飞行器在绝对坐标算、非线性变换特性外，其隐层单元还分别具有比例系中沿Z轴的位移。(P)、积分(I)和微分(D)等动态特性，适合多2015年第36卷第1期自动化与信息工程19真实工况下的物理模型。参考文献[1]洪森涛，金智慧，李志强．四旋翼飞行器建模及姿态稳定性分析【J】．电光系统，200

8、8(2)：34—37．[2]聂博文．微小型四旋翼无人直升机建模及控制方法研究[D】．长沙：国防科技大学，2006：11-13．[3]岳基