[发明专利]一种基于分数幂函数的船舶非线性扩张状态观测器

权利要求书

1.一种基于分数幂函数的船舶非线性扩张状态观测器，其特征在于，包括信号采集单元(1)、比较单元(2)、非线性单元(3)、坐标变换单元(4)、位置估计模块(5)、速度估计模块(6)、总扰动估计模块(7)和输出单元(8)；

所述的比较单元(2)和坐标变换单元(4)的输入端分别与信号采集单元(1 )的输出端相连；所述的非线性单元(3)的输入端与比较单元(2)的输入端相连；

所述的位置估计模块(5)包括第一比例单元(501)、第一乘法器(502)和第一加法器(503)；所述的非线性单元(3)的输出端与第一比例单元(501)的输入端相连；所述的第一比例单元(501)和第一乘法器(502)的输出端分别与第一加法器(503)的输入端相连；所述的坐标变换单元(4)的输出端与第一乘法器(502)的输入端相连；所述的第一加法器(503)的输出端分别与比较单元(2)和输出单元(8)的输入端相连；

所述的速度估计模块(6)包括第二比例单元(601)、第二乘法器(602)和第二加法器(603)；所述的坐标变换单元(4)的输出端与第二比例单元(601)的输入端相连；所述的第二比例单元(601)和非线性单元(3)的输出端分别与第二乘法器(602)的输入端相连；所述的第二乘法器(602)和信号采集单元(1)的输出端分别与第二加法器(603)的输入端相连；第二加法器(603)的输出端分别与第一乘法器(502)和输出单元(8)的输入端相连；

所述的总扰动估计模块(7)包括第三比例单元(701)和第三乘法器(702)；所述的坐标变换单元(4)的输出端与第三比例单元(701)的输入端相连；所述的第三比例单元(701)和非线性单元(3)的输出端分别与第三乘法器(702)相连；所述的第三乘法器(702)的输出端分别与输出单元(8)和第二加法器(603)的输入端相连；

所述的比较单元(2)具体为：

其中，η＝[x,y,ψ]^T，

所述的信号采集单元(1)得到的实际位置坐标x,y和艏摇角ψ和位置估计模块输出的位置坐标和艏摇角的估计和同时输入比较单元，得到状态估计误差和

所述的非线性单元(3)具体为：

其中，和均为状态估计误差；a为内部可调参数，且0＜a＜1；当a＜1时，fal(·)的值随误差和的减小而增大，随误差和的增大而减小；

所述的坐标变换单元(4)的输入信号为信号采集单元(1)的输出信号艏摇角ψ，输出信号具体为：

其中，R(ψ)为坐标变换矩阵；

所述的位置估计模块(5)的输入信号包括坐标变换单元(4)输出的坐标变换矩阵R(ψ)、非线性单元(3)的输出信号δ以及速度估计模块(6)输出的位置估计模块(5)的输出信号具体为：

分别为x,y,ψ,u,v,r的估计值；

所述的速度估计模块(6)的输入信号包括坐标变换单元(4)输出的坐标变换矩阵R(ψ)、非线性单元(3)的输出信号δ、总扰动估计模块(7)的输出信号以及信号采集单元(1)的输出信号τ＝(τ_u,τ_v,τ_r)，速度估计模块(6)的输出信号具体为：

分别为σ_u,σ_v,σ_r的估计值；M为惯性矩阵；τ_u,τ_v,τ_r分别为船体坐标系下的控制力和控制力矩；

所述的总扰动估计模块(7)的输入信号包括坐标变换单元(4)的输出信号R(ψ)和非线性单元的输出信号δ，总扰动估计模块(7)的输出信号具体为：