[发明专利]一种无人船有限时间收敛状态观测器及其设计方法

权利要求书

1.一种无人船有限时间收敛状态观测器，其特征在于：由输入单元、比较单元、比例单元1、旋转单元1、幂运算单元1、旋转单元2、比例单元5、加法单元1、旋转单元3、幂运算单元2、比例单元2、加法单元2、比例单元4、幂运算单元3、比例单元3和输出单元组成；所述的输入单元输出无人船的位置和力矩信息；输入单元的输出端分别与比较单元和比例单元4的输入端相连；所述的比较单元的另一端与加法单元1连接，接收无人船状态观测器估计的位置状态信息；比较单元的输出端与比例单元1的输入端相连；所述的比例单元1的输出端与旋转单元1的输入端相连；所述的旋转单元1的输出端与幂运算单元1、幂运算单元2和幂运算单元3的输入端相连；所述的幂运算单元3的输出端与比例单元3的输入端相连；所述的比例单元3的一个输出端与加法单元2相连，另一个输出端与输出单元相连、输出无人船状态观测器在不同速度方向估计的无人船不确定信息；所述的幂运算单元2的输出端与比例单元2的输入端相连；所述的比例单元2的输出端和加法单元2的一个输入端相连；所述的加法单元2的另一个输入端与比例单元4相连、接收无人船力矩信息；加法单元2的一个输出端与旋转单元3的输入端相连，另一个输出端连接至输出单元、输出无人船状态观测器估计的速度信息；所述的旋转单元3的输出端与加法单元1的一个输入端相连；所述的幂运算单元1的输出端与旋转单元2的输入端相连；所述的旋转单元2的输出端与比例单元5的输入端相连；所述的比例单元5的输出端与加法单元1的一个输入端相连；所述的加法单元1的一个输出端与比较单元的输入端相连，另一个输出端与输出单元相连、输出无人船状态估计器估计的位置状态信息；所述的输出单元接收无人船估计的位置、速度和不确定性信息；

所述的比较单元、比例单元1和旋转单元1构成基础单元，所述的加法单元1、比例单元5和旋转单元2、旋转单元3和幂运算单元1构成位置估计单元，所述的比例单元4、加法单元、比例单元2和幂运算单元2构成速度估计单元，所述的比例单元3和幂运算单元3构成不确定性估计单元。

2.一种无人船有限时间收敛状态观测器的设计方法，其特征在于：所述的无人船满足下面的运动学和动力学模型：

其中：

为船体参考系和地球参考系之间的转移矩阵；

η＝[x,y,ψ]^T∈R³

代表地球坐标系下无人船的位置信息，x代表地球坐标系无人船的x轴位置坐标、y代表地球坐标系下无人船的y轴位置坐标、ψ代表地球坐标系下无人船的艏摇角；

ν＝[u,υ,r]^T∈R³

代表载体坐标系下无人船的速度信息，u代表载体坐标系下无人船的纵荡速度、υ代表载体坐标系下无人船的横荡速度、r代表载体坐标系下无人船的艏摇角速度；

τ＝[τ_u,τ_υ,τ_r]^T∈R³

代表对无人船的控制信号，τ_u代表在纵荡速度方向的控制信号、τ_υ代表在横荡速度方向的控制信号、τ_r代表在艏摇角速度方向的控制信号；

τ_w(t)＝[τ_wu,τ_wυ,τ_wr]^T∈R³

代表时变风浪流对无人船的扰动，τ_wu代表时变风浪流在横荡速度方向对无人船的扰动、τ_wυ代表时变风浪流在纵荡速度方向对无人船的扰动、τ_wr代表时变风浪流在艏摇角速度方向对无人船的扰动；

M＝M^T∈R^3×3

代表惯性矩阵；

C(ν)＝-C^T(ν)∈R^3×3

代表科里奥利向心矩阵；D(ν)∈Z^3×3代表非线性阻尼矩阵；g(ν,η)代表回复力与回复力矩向量；

所述的设计方法，包括以下步骤：

A、输入单元的设计

输入单元为无人船提供航行动力的力矩和状态观测器需要的状态信息；所述的状态信息包括无人船在地球坐标系下的x轴位置坐标、y轴位置坐标以及艏摇角ψ；

B、基础单元的设计

基础单元的输入信号为输入单元输出的无人船位置信息η和位置估计单元输出的位置估计信息最终得到位置估计单元、速度估计单元和不确定性估计单元的关于误差共同的输入参考信息；具体经过以下几个步骤：

B1、比较单元设计

比较单元的输入信号为输入单元输出的无人船位置信息η和位置估计单元输出的位置估计信息通过下式：

得到比较单元的输出信号

B2、比例单元1设计

比例单元1的输入信号为比较单元输出的无人船位置误差信息通过输入参数ε对位置误差信息缩放，如下式：

得到比例单元1的输出信号

B3、旋转单元1设计

比例单元1的输出信号为旋转单元1的输入信号，通过对比例单元1得到的关于无人船位置误差信息的信号进行旋转变换，如下式：

得到关于无人船位置误差信息的基础单元的输出信号作为幂运算单元1、幂运算单元2和幂运算单元3的公共输入；

C、位置估计单元的设计

旋转单元1的输出信号和速度估计单元的输出信号为位置估计单元的输入信号，将信号送入位置估计单元得到无人船的位置估计信息和艏摇角估计信息具体经过以下几个步骤：

C1、幂运算单元1设计

幂运算单元1的输入信号为基础单元的输出信号，即基础单元中旋转单元1的输出将位置误差信息输入幂运算单元1，通过变量α进行如下幂运算：

得到幂运算单元1的输出信号η₁₁；

C2、旋转单元2设计

幂运算单元1的输出信号η₁₁作为旋转单元2的输入信号，通过地球坐标系和载体坐标系之间的旋转矩阵将输入信号进行旋转，如下式：

得到旋转单元2的输出信号η₁₂；

C3、比例单元5设计

旋转单元2的输出信号η₁₂直接输入到比例单元5，通过输入参数ε再次对经式(4)-(7)变换后的关于无人船位置误差信息的信号进行缩放，如下式：

得到关于无人船位置信息估计输入信号的第一部分η₁₃；

C4、旋转单元3设计

旋转单元3的输入信号来自速度估计单元输出的速度估计信号，通过地球坐标系和载体坐标系之间的旋转矩阵将输入信号进行旋转，如下式：

得到旋转单元3的输出信号η′₁₁；

C5、加法单元1设计

比例单元5的输出信号η₁₃和旋转单元3的输出信号η′₁₁作为加法单元1的输入信号，通过在加法单元1中求和最终得到无人船位置估计单元的输出信号如下式：

无人船的位置估计信号作为基础单元的输入，并作为输出单元的输入；

D、速度估计单元的设计

输入单元的输出信号τ、基础单元的输出信号和不确定性估计单元的输出信号共同作为速度估计单元的输入信号，通过对应的计算得到无人船的速度估计信息和艏摇角速度估计信息具体经过以下几个步骤：

D1、幂运算单元2设计

幂运算单元2的输入信号为基础单元的输出信号，即基础单元中旋转单元1的输出将位置误差信息输入幂运算单元2，通过变量α进行如下幂运算：

得到幂运算单元2的输出信号ν₂₁；

D2、比例单元2设计

幂运算单元2的输出信号ν₂₁直接输入到比例单元2，通过下式：

得到关于无人船速度信息估计输入信号的第一部分ν₂₂；

D3、比例单元4设计

比例单元4的输入信号为输入单元的输出信号τ，通过下式计算无人船模型中质量参数：

ν′₂₁＝M^-1τ (12)

得到关于无人船速度信息估计输入信号的第二部分ν′₂₁；

D4、加法单元2设计

比例单元2的输出信号ν₂₂、比例单元4的输出ν′₂₁和不确定性估计单元的输出信号共同作为加法单元2的输入信号，通过在加法单元2中求和最终得到无人船速度估计单元的输出信号如下式：

无人船的速度估计信号作为位置估计单元的输入，并作为输出单元的输入；

E、不确定性估计单元的设计

不确定性估计单元的输入信号为基础单元的输出信号通过对应的计算得到无人船在纵荡速度、横荡速度和艏摇角速度三个方向的不确定性估计信息具体经过以下几个步骤：

E1、幂运算单元3设计

幂运算单元3的输入信号为基础单元的输出信号，即基础单元中旋转单元1的输出将位置误差信息输入幂运算单元3，通过变量α进行如下幂运算：

得到幂运算单元3的输出信号σ₃₁；

E2、比例单元3设计

幂运算单元3的输出信号σ₃₁直接输入到比例单元3，通过下式：

得到不确定性估计单元输出的关于无人船在纵荡速度、横荡速度和艏摇角速度三个方向不确定信息的估计信号并作为速度估计单元的输入和输出单元的输入；

F、输出单元的设计

输出单元的输入信号为位置估计单元、速度估计单元和不确定性估计单元的估计输出信号，分别为位置估计值、速度估计值和不确定性估计值。