[发明专利]一种无人艇状态估计观测器设计方法

说明书

本发明公开了一种无人艇状态估计观测器设计方法，其步骤如下：步骤一、利用坐标变换将无人艇数学模型转化为标准形式，并设计通信网络传输方案；步骤二、将状态变量与量化误差进行增广构造新的增广系统；步骤三、设计基于量化数字信号的比例微分观测器，得到误差方程；步骤四、判断误差系统的稳定性。本发明可以实现利用量化的数字信号对无人艇未知的状态进行准确估计，并有效抑制量化误差对于观测器性能的影响，便于控制模块对于无人艇安全性的监控与及时处理；本发明通过观测器输入向量的设计可以有效抑制海浪干扰对于观测器的影响，使得当无人艇在复杂海洋环境作业时，观测器仍然具有良好的效果。

技术领域

本发明属于无人舰艇的控制技术领域，涉及一种无人艇状态估计观测器设计方法，特别是一种基于量化数字信号的无人艇状态估计观测器设计方法。

背景技术

无人艇具有结构灵活，机动性高，成本低廉等等特点，往往承担着复杂海域的监测勘探、环境考察等各类重要任务。然而，当无人艇在长时间进行作业任务时，各种复杂的气候条件可能导致无人艇搭载的传感器产生不可预知的故障。当部分传感器由于故障无法提供必要的状态信息时，利用剩余传感器信息搭建状态估计观测器实现对无人艇运行状态的准确重构，对于保证无人艇安全性有着重要的意义。

随着船舶信息化技术的不断提高，越来越多的无人艇将传感器采集到的信号如艏摇速率、航向角、横摇角等进行量化后利用数字网络进行传输与通信，这种方法传输速度快、便于维护与安装。然而，在信号量化过程中，由于存在量化误差，传感器原始信号的完整性和精确性将被破坏。因此，当采用文献《网络环境下基于观测器的无人水面艇航向控制研究》公式(4)中的传统状态观测器对无人艇不可测量的状态进行估计时，存在以下两个问题：首先，由于该方法直接利用无人艇上的传感器量测信息进行观测器的设计，没有考虑量测信息在网络传输过程中的量化行为，无法对信号量化过程产生的量化误差进行补偿，这将导致观测器估计误差只能收敛于与量化误差相关的领域内，观测器估计精度将受到影响；另一方面，无人艇在航行过程中，海浪的干扰也会对无人艇状态估计观测器的准确性带来不利影响，然而该方法并没有在观测器中设计输入向量抑制海浪干扰，因此观测器鲁棒性并不理想。

发明内容

针对上述现有技术，本发明要解决的技术问题是提供一种无人艇状态估计观测器设计方法，可以利用传感器信号量化后信息实现对于无人艇状态的准确估计，并通过观测器输入向量的设计有效抑制海浪对于观测器估计性能的影响，解决现有的无人艇状态估计方法无法对传感器数据在数字网络传输过程中的量化行为进行补偿与处理的问题。

为解决上述技术问题，本发明的一种无人艇状态估计观测器设计方法，包括以下步骤：

步骤一：利用坐标变换将无人艇数学模型转化为标准形式，并设计通信网络传输方案；

步骤二：将状态变量与量化误差进行增广构造新的增广系统；

步骤三：设计基于量化数字信号的比例微分观测器，得到误差方程；

步骤四：判断误差系统的稳定性。

本发明还包括：

1.步骤一中利用坐标变换将无人艇数学模型转化为标准形式具体为：

无人艇数学模型满足：

y_c(t)＝C_cx_c(t)