第28卷第9期 2011年9月
计算机应用研究
Application Research of Computers
V01.28 No.9 Sep.2011
基于自结构动态递归模糊神经网络的 无人机姿态控制水
陈向坚,白越,续志军,李迪
(中国科学院长春光学精密机械及物理研究所,长春130033)
摘要:针对无人机非线性、强耦合等特点,提出了基于该自结构动态递归模糊神经网络的姿态控制系统,给出 了基于Lyapunov函数的系统稳定性证明。对四层模糊神经网络进行了优化和改进。设计了自结构动态递归模 糊神经网络,该网络可以根据系统状态在线更新权值、创建/删除节.最、优化网络结构。仿真表明:该控制方法的 突出优点是,在兼顾考虑了系统中的不确定性因素、非线性因素及外部干扰并存的情况下,保证系统的稳定性和 跟踪性能;同时此网络结构比固定结构的模糊神经网络响应速度快,因此更具优越性。
关键词:自结构动态递归模糊神经网络;优化网络结构;响应速度快
中图分类号:TPl8;TP391 文献标志码:A 文章编号:1001-3695(2011)09.3387.03 doi:10.3969/j.issn.1001-3695.2011.09.052
Motion control for unmanned aircraft vehicle
based on
self—structuring
recurrent
fuzzy neural networkCHEN
Xiang-jian,BAIYue,XU Zhi-jun,LI Di
(Changchun
InstituteofOptics
Fine Mechanics&Physics,Chinese AcademyofSciences,Changchun 130033,China)
Abstract:This
paperdesigned
motioncontrol
system of microaircraft vehicle based
onself-organizing dynamic
recurrentfuzzy neural network,and proved
thestability of the
motioncontrol
systembased
on Lyapunovfunction.It proposed
a newselGor-
ganizing
dynamic
recurrent fuzzyneural network based
onthe fuzzy neural networks with four layers,the weights and nodes of the proposed network could be updated online
fornetwork
structureoptimization.Simulation results demonstrate that the pro—
posed control scheme
caneffectively
improvestability and tracking performance with
stronguncertainty,nonlinear and
externdisturbance.Compared with fixed structured fuzzy neural network,the proposed self-organizing dynamic
recurrentfuzzy neural network has advantages
in estimationspeed.
Key words:self-organizing
recurrentfuzzy neural network;optimization of network structure;fast
response0引言
众所周知,由于无人机的强耦合和动力学方程的高度非线 性,其控制¨’21问题一直吸引着众多控制界学者和专家的关注。
近年来,自适应模糊网络【3“J、模糊神经网络方法开始被引入模 糊控制器的没计,使模糊控制器的参数和规则能在线地被调整 以适应情况的变化。递归神经网络能够很好地反映动态映射关 系,并且能够存储网络的内部信息用于训练网络的权值。由于 递归神经网络能够反映动态映射关系,它在处理参数漂移、强干 扰、非线性、不确定性等问题时表现flj r优异的性能。
随着无人机姿态控制精度的提高,递归神经网络体现出缺 乏有效的构造方法来选择网络结构和确定神经元的参数。递
归模糊神经网络【7鼻1是一种改进的递归神经网络,它不仅可以 很好地反映动态映射关系,还具有定性知识表达的能力。但是 这类递归模糊神经网络控制器结构是固定不变的,于是有可能 造成如下问题:不利于模糊控制规则的增减,有可能造成模糊 规则的冗余或欠缺,影响控制量计算速度或控制精度。
鉴于以上问题,本文提出了自结构动态递归模糊神经网 络㈧”1控制器。该控制器由神经控制器和补偿控制器组成,通 过自结构动态递门模糊神经网络的结构及参数学习,在线调整 模糊神经网络的结构、增减模糊控制规则、调绉控制规则参数 以改善控制性能。
1
自结构动态递归模糊神经网络1.1
动态递归模糊神经网络动态递归模糊神经网络结构如图1所示,网络由输入层、
模糊化层、规则层、输出层组成。
第一层为输入层,该层的节点直接与输入量石连接,起着将 输入值传送到下一层的作用,且每个输入的论域为[一l,1]。
第二层为模糊化层,每个节点代表一个语言变量值,其作 用是计算输入量属于各语言变苗值模糊集合的隶属度函数。
p;=exp【z:一mF一7F・席/(%)2]
(1)
其中:戈;代表第二层第i节点的输入;m。、盯;i分别代表基隶属
函数的中心和宽度;r。代表模糊规则的反馈增益;露、尤分别代
收稿日期:2011一Ol一05;修回日期:201l一03—1l 基金项目:国家自然科学基金资助项目(50905174)
作者简介:陈向坚(1983.),女。博士研究生,主要研究方向为微型飞行器的智能控制(cxj831209@163.com);白越(1979-),男,副研究员.博 士,主要研究方向为微小型飞行器动力学及控制;续志军(1953.),男,研究员,博导,主要研究方向为电气自动化及智能控制;李迪(1982-),男,博 士研究生,主要研究方向为微型飞行器的数据传输及图像处理.
万方数据
・3388・
计算机应用研究 第28卷表第i节点当前时刻与前一时刻的输出。这罩针对无人机姿 态控制系统而苦,对应每个输入预先没定三个模糊语言集合
{,v.Z,P}={‘‘负”,“零”,“正”},选择输入隶属度函数为高斯 基函数,则{N,Z,P}与对应的中心值初始值分别为}一1,0,
+l},宽度初始值为{0.5,0.5,0.5}。
第‘层为规则层,每个节点代表一条模糊规则,起作用足 匹配模糊规则的前进,计算出每条规则的激活度,由于在网络 结构中引入递门层,第三层的输出反馈到第■层,使得网络具 有短期记忆功能。由此nr知,网络在k时刻每条规则的激活度 不仅包括由当fji『输入计算得Hj的激活度值,而且包括前一时刻 各个激活度值的贡献,因此加强了网络辨以的准确性,从而使 静态网络具有了动态特性。
第四层为输出层,实现清晰化}1.算。即
彩2莘蝣z2
其中:训:为网络的权值,表示姿态角之间的耦合。
图1 自结构动态递归模糊神经网络结构
1.2自结构学习算法传统的模糊神经网络往往由于网络节点和规则同定,难以 在规则数罐和期望的网络逼近性能七得到均衡。为r解决这 个问题,本文提出r动态递归模糊神经网络的自结构学习算 法,实现网络节点的在线增补和删除,优化网络没汁,提高网络 结构的有效性。网络结构在线调节的卡要步骤如下:
a)创建节点。取展=扎3,风=.Ⅱ謦胁,屈。∈(0,1)为取定的
阈值。在线计算过程中,如果卢。。≤风,则增加规则节点,对于动 力学方程复杂的系统,设计更多的模糊规则,可取较大的风。
b)调整节点。尽管增加节点可以有效地包含输入空间的 系统信息,然而不适当的规则增加了整个网络的计算苗,所以 应删除不适度的节点以便优化网络结构。设置第k节点规则 影响因子为
^(N+1)=^exp{r・“,(p,卢^)}
驴{:篇 ㈤
k为预先设定的删除模糊规则的阈值,町没置初始值为l。
2无人机姿态控制系统
无人机姿态控制nq题是研究如何从已获得的夹杂有噪声 的敏感期测值米确定无人机相对于某个基准的姿态参数的方 法,以及使尤人机南・个姿态过渡到另一个姿态的再定向过 程,并且使其姿态保持在给定方向卜。无人机的姿态角口、砂、币 分别表示无人机的俯仰角、偏航角和滚转角,通过设计姿态控
制器使得无人机在不确定性因素、参数摄动及外部干扰并存的 情况下,保证系统的稳定性和跟踪性能。
图2所示为基于自结构动态递归模糊神经网络的无人机 姿态控制系统,岛、妒。、机为无人机期望姿态角,0。、砂。、咖。为无 人机的实测姿态角,e。、e:、e,为三个姿态角的位置误差,;.、;:、
毛为位置误差的变化率。
自结构动态递归模糊神经网络控制器
}醒‘|l
喧杆叼 l璺|2无人机娶态控制系统
3稳定性分析
已知姿态角的估计偏差为
E=AE+n(舻’参+斑TA舀+参T口舀+严c亩)+占一,掰
其中:,啪为采用动态递归模糊神经网络控制器的输出量,E、E 分别表示姿态角的误差及误差变化率。
r中=[群,《,…,Z]7 I
r=[“…r2l r12-..吃rin o‰]7
{埘=[埘ll…埘nWl2・o oW坦埘ln…埘h]T (3)
l盯=[盯ll…盯』l盯12…矿岔矿ln…矿h]T Lm=[mll…m“m12…m口rain・..m一1
为了减小边界误差估计的计算量,这里采用白适应边界估 计,定义Lyapunov函数:
yc惦砒址丁1
cTOE+c宅+磐+署+等+%,
(4)
其中:乃=n—n表示优化差值边界与估计差值边界的差异;
仉、,7,、田,、‰、叩n分别表示各变最的学习速率;0为正定矩 阵,且满足以70+OA=,。对式(4)取微分得
哥=护出+÷壹70E+c警+警+喾+鲁+警,=
一÷F。。,g+窃1(ETOb中一-兰生)+俞’(EToM声一上生)+
扩(E70b肪一立)+芦(F70b蕊一土)+E'rOb(占一nnc)一幽
jII口 qr qn
(5)
为达到y≤0,学习律町以取:
面=’7,矿C}6中,南=田。E’OM痴
刍=田,E’06脱,;=仉E706蕊
(6)
取神经网络控制器的补偿控制器以及边界估计律分别为
M=力唧(E70h),力=叩nIE7@I (7)
这时,y可以改写为如F表达式:
V=T1
E7肥+趔70b一力lE’ObJ一(力一力)IE706I≤
一÷E7IE一(力一Izl)IErObl≤o (8)
万方数据
第9期 陈向坚,等:基于自结构动态递归模糊神经网络的无人机姿态控制
・3389・
当B加,t一*时,系统是稳定的,此系统稳定性证毕。
4仿真实验
为了验证采用自结构动态递归模糊神经网络的兄人机姿 态控制系统的跟踪性能,且比固定结构的模糊神经网络响应速 度快,在实验过程中作了对比。实验对比过程如下:
检验自结构动态递I门模糊神经网络控制器抑制不确定因 素、非线性及外部干扰的能力,控制器取指令信号为田,=仇=
田,=田。=田n=1,r(t)=0.5 sin("n-t)。为丫证明此控制器相对 于经典PID控制器以及一般固定结构模糊神经州络的优越性。
系统进入稳态后I s处在控制端加入阶跃十扰信号,在同一条 件_卜.对t种控制方案进行仿真。图3(a)为使用经典PID控制 器的系统跟踪曲线;(b)使用同定结构模糊神经网络姿态跟踪 曲线;(C)使用自结构动态递归模糊神经网络控制器的系统跟 踪曲线。
倒 篇 瑶 量 善
0 蜊0 捌0 娅 壁-0 售一0
—0
倒嘲 蜓 星 警
(a)经典PID姿念跟踪曲线(b)同定结构模糊神经
(c)自结构功态递口f模糊网络姿态跟踪曲线 神绎嘲络姿态跟踪曲线
图3系统跟踪曲线
从上面的实验曲线nJ以看出.使用A结构动态递归模糊神 经网络控制器很好地抑制了非线性、不确定件因素及外部干扰,
且无人机姿态跟踪精度相对丁采用经典PID控制器的姿态跟踪 效果更高。采用自结构动态递归模糊神经网络比・般结构模糊 神经网络的姿态角度跟踪速度快,精度更高,更具优越性。
5结束语
本文提}f{了一种基于自结构动态递归模糊神经网络方法 的无人机姿态控制办案。该白结构动态递门模糊神经网络可
以根据系统状态在线调整权值和优化网络结构,从而节省r计 算鼍,相对于同定结构的模糊神经网络而言,其具有跟踪速度 快、精度高的特点,更具优越性。通过仿真比较得出,基于该自 结构动态递l门模糊神经网络的控制方案,针对乜行器的非线 性、不确定性及外部十扰等因素有很好的抑制能力,且具有较 强的鲁棒稳定性。
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(上接第3386页)
4结束语
本文针对水下机器人非线性特点和运行环境.采用滑模控 制对确定模型进行控制;根据系统的不确定项设计了相应神经 网络控制作为水F机器人控制器的补偿器,最终文现丫系统的 整体控制。实验结果验证了系统在滑模面上的抖动较小,神经 网络输出权值参数能够根据系统误差变化在线学习自适应调 整。最后通过对水下机器人定深运动控制的数字仿真验证了 算法的有效性,通过在半物理仿真实验平台验证了算法具有较 强的抗十扰性和鲁棒性。
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万方数据
基于自结构动态递归模糊神经网络的无人机姿态控制
作者: 陈向坚, 白越, 续志军, 李迪, CHEN Xiang-jian, BAI Yue, XU Zhi-jun, LI Di 作者单位: 中国科学院长春光学精密机械及物理研究所,长春,130033
刊名: 计算机应用研究
英文刊名: Application Research of Computers 年,卷(期): 2011,28(9)
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