1前言

自从21世纪以来，实用的四旋翼无人机的发展已经成为一个非常热门的话题，因为它们可以应用在从娱乐到军事应用的各种任务。随着电子技术的进步，长寿命电池、低成本惯性测量单元、高速微处理器以及商用和实验室制造的原型机的发展，四旋翼无人机每一次都更加典型。同时，由于四旋翼无人机具有复杂的非线性动力学特性，并且具有四个输入力，这些输入力是由每个螺旋桨以固定的俯仰角连接到每个转子上所提供的推力，因此控制系统科学家对这一主题更感兴趣。

从本质上讲，控制四旋翼无人机的方式是通过改变每个转子的速度，这意味着每个螺旋桨产生的力也是不同的。正如张等人(2009)所说:当四个电机的转速都以相同的速度增加时，四旋翼无人机将向上飞行。当左右转子以不同的速度运行时，四旋翼将围绕其纵轴倾斜并向右或向左飞行，这取决于哪个电机旋转得更快。同样，四旋翼无人机是倾斜围绕其横向轴还是飞行向前和向后取决于前后电机。偏航旋转是由这两对转子产生的角动量之差引起的。因此，可以利用横滚角、俯仰角、偏航角和总推力作为四旋翼飞行器机载控制的控制变量。

需要注意的是，非线性二阶微分方程控制四旋翼无人机。缺乏阻尼项和四个控制输入是导致四旋翼无人机开环动力学不稳定的主要原因。回顾历史，控制二阶系统的自然形式一直是通过PID控制，因为它可以减少稳态误差并补偿一些干扰。此外，还增加了闭环动力学的阻尼效应。PID控制是电气、机械、电子系统中使用历史最久的控制方案。此外，PID控制已成为商业控制板和自动驾驶仪如Pixhawk和ArduPilot的首选。实践证明四旋翼无人机在PID控制下可以有效地执行任务。正如Lim等人(2012)所提到的:大多数飞行控制器实现PID控制器来稳定四旋翼无人机，尽管PID控制器的结构在方案中略有不同。此外，对于商用自动驾驶仪(Chao等人2010):大多数商业自动驾驶仪使用传统的PID控制器，因为它们很容易在许多现成的四旋翼无人机平台上实现。例如，Zhih等人(2015)开发了一种基于PID控制的四旋翼无人机自动驾驶仪。

PID控制的重要性仍然是公认的，因为许多科学论坛考虑举行专题会议。最近，组织了一次专门讨论PID控制应用的重要会议(IFAC,2018)。Li和Song(2012)、Mo和Farid(2019)、Nascimento和Saska(2019)、Ozbek等人(2015)，Rubí等人(2020)给出了一些与四旋翼无人机建模和控制相关的调查，这些调查涉及许多类型的控制方法。然而，PID控制的重要性和作用应该得到承认。

本文对四旋翼无人机PID控制结构的设计和应用方面的科学研究进行了综述和分析。值得注意的是，对PID类型算法的研究数量是如此多，以至于需要专门用于征集和分析四旋翼飞行器PID控制的历史，趋势和未来的文章。

1.1历史的角度

如前前面所说，控制受模型不确定性和外部干扰影响的二阶系统的自然选择是PID算法。它在四旋翼无人机上的应用也不例外。四旋翼无人机的稳定研究和PID控制的应用似乎可以追溯到2004年。据我们所知，PID控制在四旋翼飞行器中的第一个应用是Bouabdallah等人(2004)对增益调谐的讨论，开始在学术论文的背景下研究四旋翼机的PID控制器。

在2004年至2012年期间，有一些研究报告，旨在提供数值比较，而没有讨论实时实现或闭环稳定性。对四旋翼无人机闭环PID控制器的正式研究开始在2010年，给出了第一个正式研究和增益整定准则。让我们简单地谈谈两个例子: 在González-Vázquez和Moreno Valenzuela(2010)中，讨论了由PID方案引入的稳定时标分离，Lee等人(2012)提供了基于李雅普诺夫稳定性理论的第一个结果。最早报道PID控制应用于四旋翼无人机实验结果的论文是Al-Younes等人(2010)、Bouabdallah等人(2004)、Campos等人(2005)、Hoffmann等人(2010)、Yang等人(2010)、Zhang等人(2009)。在过去的25年里，虽然有许多控制算法得到了实验验证，但PID控制器在实践中证明可以稳定系统是。然而，具有实时实验验证的理论研究直到2010年左右才得到重视。

综上所述，自2010年以来，关于四旋翼飞行器PID控制方案的正式研究和实验验证有了显著的增加。本文致力于在这方面提出一个批判性的检查。

1.2贡献

有关控制四旋翼无人机方法的调查报告已经发表。但是，重要的是要注意PID控制是商业和实验室建造的四旋翼飞行器中最常用的控制方法。

本文提出了基于PID的控制结构报告的最常见的飞行任务和应用的四旋翼无人机的分析。对这些技术进行了分类，并讨论了开放性问题。