[發明專利]一種無人船速度和不確定性估計系統及設計方法

有效

• 申請號: 201711310223.8
• 申請日: 2017-12-11
• 公開（公告）號: CN108197350B
• 公開（公告）日: 2020-04-24
• 發明（設計）人: 彭周華;姜岳;王丹;古楠;劉陸
• 申請（專利權）人: 大連海事大學
• 主分類號: G06F30/15
• 分類號: G06F30/15;G06F30/20;G05B13/02;G05B13/04
• 代理公司: 大連東方專利代理有限責任公司 21212
• 代理人: 李洪福

1.一種無人船速度和不確定性估計的設計方法，其特征在于，所述方法包括如下步驟：

A.逼近器的設計：

基于回聲狀態網絡，并將回聲狀態網絡結構分為輸入層、隱層神經元組成的儲備池和輸出層，逼近器的輸入為低頻學習單元輸出的更新率和定位系統測得的無人船位置信息η，其中，所述的回聲狀態網絡包含k個輸入單元，n個隱層單元和l個輸出單元，其回聲狀態基本方程式：

其中，其中，X∈Rⁿ、U∈R^k、Y∈R^l分別為狀態變量、輸入變量和輸出變量；W_u∈R^n×k和W_x∈R^n×n為權值矩陣；b∈R為衰減率，c∈R為時間常數，σ(·)為激活函數向量，W∈R^n×l表示輸出權值矩陣，定義g(·)為輸出激活函數；無人船模型寫為以下形式：

式中，f(·)＝-C(ν)ν-D(ν)ν-g(ν,η)+τ_w(t)

R(Ψ)為船體參考系和地球參考系之間的轉移矩陣，ν＝[u,υ,r]^T∈R³代表船體參考系下無人船的速度信號，其中u表示船體參考系下的縱蕩速度，υ表示船體參考系下的橫蕩速度，r表示船體參考系下的艏搖角速度；M＝M^T∈R^3×3代表慣性矩陣；C(ν)＝-C^T(ν)∈R^3×3代表科里奧利向心矩陣；D(ν)∈Z^3×3代表非線性阻尼矩陣；g(ν,η)是由浮力和重力共同作用所引起的回復力與回復力矩的向量；τ＝[τ_u,τ_υ,τ_r]^T∈R³是無人船的控制信號，其中τ_u,τ_υ,τ_r分別表示對無人船的縱蕩速度、橫蕩速度、艏搖角速度的控制信號；τ_w(t)＝[τ_wu,τ_wυ,τ_wr]^T∈R³代表時變風浪流對無人船造成的擾動，其中τ_wu,τ_wυ,τ_wr分別代表時變風浪流對無人船的縱蕩速度、橫蕩速度、艏搖角速度的擾動；

由此，利用輸出數據η和輸入數據τ逼近未知函數f(·)；給定正數ε^*，存在權值矩陣W∈R^n×3，使f(·)可以利用回聲狀態網絡被估計：

f(·)＝W^Tσ_f(ξ)+ε(ξ) (5)

式中，輸入向量ξ＝[η^T(t),η^T(t-t_d),η^T(t-2t_d),τ^T]^T，t_d＞0，且滿足||ε(ξ)||≤ε^*；最佳權值矩陣W為：

其中為W的估計值，逼近器輸出為其更新率由低頻學習環節輸出；

B.低頻學習環節的設計：

低頻學習環節的輸入信號為定位系統輸出的無人船位置信息η和比較器的輸出由算式得到的更新率：

其中，Γ∈R，k_W∈R均為正常數；

C.觀測器的設計：

所述的觀測器是非線性觀測器，其輸入信號是無人船位置信息η、控制信息τ以及逼近器輸出的對不確定性的估計信息；令為位置向量η與速度向量v的估計量，則可以設計基于回聲狀態網絡的全狀態觀測器如下：

式中，K₁∈R^3×3和K₂∈R^3×3為設計參數；

D.比較器的設計：

比較器的輸入信息是定位系統輸出的無人船位置信息η和觀測器的輸出信息由下式

得到比較器的輸出信號