基于单神经元PID控制器的四旋翼飞行器航迹控制

四旋翼飞行器从起点平滑旋进飞向终点，为控制飞行器稳定飞行，首先建立数学模型和运动力学模型，

随着计算机技术和智能控制技术的不断发展，四旋翼飞行器因其结构简单、垂直起降和低速飞行等诸多优点，在越来越多的领域拥有广泛的应用前景。四旋翼飞行器是由4 个电动桨叶组成，相邻桨叶旋转相反方向抵消扭矩。它既可以使用无线电遥控设备进行手动飞行，也可以使用远程计算机与导航设备控制进行飞行。与传统的飞行器相比，具有负载能力强、机械操作简单和作业范围广泛等优点。四旋翼飞行器采用点到点的飞行方式，包括旋进、悬停、偏航、横滚、俯仰、垂直和水平飞行。在军用和民用领域都得到广泛的应用。在军用方面主要进行侦查、监视、获取敌方情报和地面通讯等工作；在民用方面主要进行空中摄影、图像传输、交通监控、电力巡检和大气检测等工作。

目前，对于四旋翼飞行器的控制器选择，通常采用PID 控制器。PID 控制器作为经典的反馈控制， 其有设计简单、鲁棒性强和稳定性高等优点，被应用于各种各样的生产环境。但自适应性和参数整定方面表现很差，也限制算法的发展。丁军，姚乐和杨启文等[1] [2] [3]采用单神经元对PID 算法做出改进， 并分析改进后算法的合理性。侯一民，高京都等[4] [5]将改进后的算法应用于实际应用中。本文采用牛顿欧拉公式建立简化的数学模型，并根据飞行器运动合力与单神经元整定PID 控制器结合对加速度控制， 建立姿态控制、位置控制的双闭环控制系统， 实现对飞行器运动跟踪及预测， 并通过simulink 仿真实验， 论证算法的实时性、准确性。

2. 数学模型 四旋翼飞行器是一个强耦合、非线性的欠驱动的系统，在建立数学模型之前，需要做如下假设[6]： 1) 机体结构完全对称，采用刚体材料； 2) 忽略地面效应对机体的影响； 3) 机体的质心与机体坐标原点重合。

地面坐标系(), , eeeE x y z,，机体坐标系(), , B x y z ，姿态角[]T, , φ θ ψ，其中φ 为绕机体x 轴转动的俯仰角， π 2π 2φ−<<，θ 为绕机体y 轴转动的横滚角， π 2π 2θ−<<，ψ 为绕机体z 轴转动的偏航角， π 2π 2ψ−<<，如图1 所示。

绕z 轴旋转矩阵cossin0sincos0001zRψψψψ= −