1.一种四旋翼飞行器的飞行控制方法,包括以下步骤:
S10:建立四旋翼飞行器的动力学模型,设m为四旋翼飞行器的质量,g为重力加速度,μx、μy、μz为X轴、Y轴、Z轴三个方向的空气阻力系数,Jx、Jz、Jz为四旋翼飞行器绕X轴、Y轴、Z轴的转动惯量,Ir为四旋翼飞行器的旋翼相对于旋转轴的转动惯量,l为旋翼中心点到坐四旋翼飞行器质量中心的距离w1、w2、w3为飞行器的角速度,x、y、z为飞行器的位置,Ωi为各个旋翼的转速,其中i=1,2,3,4,θ、φ、ψ分别为飞行器的俯仰姿态角、滚转姿态角、偏航姿态角,通过牛顿-欧拉方程和坐标转换矩阵建立飞行器的动力学的数学模型如式(1)S20:设计基于神经模糊自整定PID控制方式,
由四旋翼飞行器的动力学方程(1)转换成四个独立的控制通道,该飞行控制器控制这四个独立的控制通道,这四个通道分别由高度神经模糊PID、翻滚神经模糊PID、俯仰神经模糊PID、偏航神经模糊PID组成,经过控制量的转换控制,调节四个旋翼的转速来达到飞行姿态的控制;具体为设一个双输入、单输出的神经网络模糊系统,其使用的是单向传播的多层前向神经网络,它的输入数据从输入层,先后依次经过各隐含层节点,最后从输出层的输出节点得到输出数据,因此设神经网络输入层有2个节点,第二层有6个节点第三层有9个节点,第二层有5个节点;
设f表示节点的净输入,a为激活值函数即节点输出,则
第一层为神经元节点表示模糊控制器的输入信号,完成对误差e以及误差变化率ec的接受;连接权重 那么其中,i=1,2
a=f
第二层表示输入信号语言变量的语言值,是对输入数据的模糊化,即将输入数据转换成模糊量,表达为一个隶属函数,对于第一层的两个输入x1、x2每个都定义了三个语言值即模糊子集,则每个神经元的输出相对应的是隶属函数,该层节点的激活函数为可微的高斯函数f
a=e
式中cij、σij表示第i个输入xi的语言变量的第j个语言值的高斯隶属函数的中心和宽度,把第二层的权重 作为cij;
第三层、第四层完成模糊系统的模糊推理的过程,以表示模糊控制规则,由于,两个输入的语言变量分别定义了三个语言值,故有3×3=9条规则,而输出语言变量则定义了五个语言变量,如PB、PS、ZO、NS、NB,每个语言变量分别表示正大、正小、零、负小、负大,其规则如下:if x1is P1and x2is P2then y is NBif x1is P1and x2is Z2then y is NS……
if x1is N1and x2is N2then y is PB其中,第三层完成模糊规则的模糊前件,当输入分别为x′1和x′2,则前两层计算出它们分别对两个输入的各模糊子集的隶属度:P1(x′1)、Z1(x′1)、N1(x′1)和P2(x′2),Z2(x′2),N2(x′2),形成第一条规则的激活强度为:min[P1(x′1),P2(x′2)]或者P1(x′1)P2(x′2)设有p个输入信号,则第三层节点也有p输入,即:
a=f
定义该层的连接权重为1;
第四层完成模糊规则的后件,把输入到第四层同一个神经元的激活规则进行综合,同时输出模糊量a=min(1,f)
定义该层连接权重为1;
第五层完成去模糊化,将模糊量清晰化,并输出控制量,定义第四层第i个神经元代表的模糊子集隶属函数的中心和宽度分别为ci和σi,采用重心法进行解模糊:神经模糊自调整PID根据输入信号偏差e和ec的大小、方向以及变化趋势等特征,通过模糊推理做出相应决策,在线调整PID参数kp,ki,kd以满足不同时刻对参数的不同要求,其中控制器为参数增量式PID控制器,在初始化PID控制器参数的基础上加上神经模糊控制器对PID参数在线调整,即这样由以上公式确定了PID控制所需要的最佳的kp,ki,kd参数,从而实现了参数自整定。