[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

说明书

本发明公开了一种无人船有限时间收敛状态观测器及其设计方法，所述观测器由输入单元、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。本发明在只有位置信息作为输入的情况下，不仅能有效估计出无人船的速度状态信息，而且可得到包括内部模型参数不确定性，外部风、浪、流等复杂环境的扰动等在内的对无人船扰动信息，有效解决了含有模型不确定性和未知环境扰动的状态观测问题，提高了无人船控制精度；通过参数α和ε的对状态观测器的设计能够在有限的时间收敛到平衡点，具有更高的实时性和精确度。

技术领域

本发明涉及一种适用于水面无人船状态感知方法，尤其是一种无人船有限时间收敛状态观测器及其设计方法。

背景技术

水面无人船是无人航行器的一种，在海洋探测领域占据着重要地位。水面无人船作为人类进行复杂多样海洋作业的重要工具，凭借其无人化、低成本化、强灵活性和高隐蔽性等优点，被广泛应用于目标搜索、海上救援、资源勘探、侦查监控、情报收集、海图绘制和海洋数据采集等民用、军用和科研领域。无人船行驶过程中的运动状态估计，是实现无人船自主驾驶以及辅助驾驶的关键技术之一，目的在于确定无人船当前精确的位置状态信息和速度状态信息，实现对无人船的各类运动控制。在实际运动控制的过程中，无人船的位置信息一般能够通过全球导航卫星系统直接获得，而速度信息却不能轻易地通过测量获得，并且运动控制精度还会受到复杂海洋环境的影响。因此，设计一个稳定的状态观测器不仅能够实现对无人船的状态信息进行实时估计，而且能够估计复杂环境对无人船造成的不确定性的影响，对于无人船运动控制的研究具有重大的实际应用价值。

目前，在无人船运动控制领域，无人船的运动状态估计方法主要分为三大类。第一类是直接测量方法，即利用高精度全球卫星导航定位系统等设备直接获取无人船的运动状态信息参数。这种方法简单易用，测量精度高，但价格昂贵，且全球卫星导航定位系统在信号受遮挡的区域不能使用，没有有效的输出信息，降低了定位的精度；第二类是间接测量方法，即利用其它无人船传感器如惯性导航系统等输出信息，通过简单的数学推导和计算获取无人船的相关状态。但是，传感器的偏差会随着时间产生累计误差，导致无人船状态的估计精度降低；第三类是基于无人船模型的方法，即通过对无人船的运动过程进行运动学或者动力学建模，同时将相应的无人船传感器信息作为输入，通过适当的状态估计方法实现对无人船运行状态的估计。这种方法对无人船的模型依赖度比较高，模型的准确性也决定了无人船位置状态信息和速度状态信息估计的精度。

综上所述的，在无人船的状态信息估计中，国内外已经取得一些研究结果，从状态信息估计方法的结构和设计方面，现有的技术存在以下不足：第一，现有无人船状态估计的方法中使用单个系统时存在使用区域受限或具有累计误差的缺点，尤其不利于小型无人船的控制。第二，现有状态观测器方法的设计大多没有考虑到复杂环境对无人船模型的影响，因此会降低无人船位置和速度状态信息的估计，影响无人船的运动控制效果。第三，为了得到无人船更高精度的状态信息，往往需要使用价格昂贵的传感器。

发明内容

为解决上述方法存在的不足，本发明要提出一种成本低、环境适应性强、精度较高的无人船有限时间收敛状态观测器及其设计方法，实现对无人船实时位置和速度状态信息的估计。