[發明專利]一種協議調度下多傳感器信息融合的系統狀態估計方法

有效

• 申請號: 202110522928.6
• 申請日: 2021-05-13
• 公開（公告）號: CN113271222B
• 公開（公告）日: 2022-03-11
• 發明（設計）人: 趙忠義;王子棟;鄒磊;白星振;王業政;郭繼躍
• 申請（專利權）人: 山東科技大學
• 主分類號: H04L41/14
• 分類號: H04L41/14;H04L41/142;H04L67/01;G06F17/16;G06F17/12
• 代理公司: 青島錦佳專利代理事務所(普通合伙) 37283
• 代理人: 朱玉建

1.一種協議調度下多傳感器信息融合的系統狀態估計方法，其特征在于，包括如下步驟：

步驟S101.建立多傳感器信息融合的系統狀態空間模型；

多傳感器信息融合的系統狀態空間模型包括狀態方程與量測方程，其狀態方程為：

其中，k表示采樣時刻；為系統的狀態向量，表示n_x維歐氏空間；g(k，x_k)、均表示具有二階連續偏導數的n_x維向量值函數；

d_s(k-s，x_k-s)表示具有二階連續偏導數的n_x維向量值函數；

B_k為已知的時變矩陣；w_k為未知的有界噪聲，且滿足w_k∈0，W_k，0，W_k表示已知的全對稱多胞形，其中，W_k表示全對稱多胞形0，W_k的外形矩陣；

均為已知的非負整數，表示與中的最大值；

c_p，X_p表示已知的全對稱多胞形，其中，c_p表示全對稱多胞形c_p，X_p的中心，X_p表示全對稱多胞形c_p，X_p的外形矩陣；

設系統由S組傳感器進行測量，其中，第q組傳感器的量測方程為：

其中，C_q，k為已知的時變矩陣；v_q，k為有界噪聲，且滿足v_q，k∈0，V_q，k，0，V_q，k為已知的全對稱多胞形，V_q；k表示全對稱多胞形0，V_q，k的外形矩陣；

步驟S102.各組傳感器的測量輸出分別使用一個網絡通道送至估計器，在網絡通道中使用TOD協議進行調度，建立協議調度下的量測輸出模型；

將第q組傳感器的輸出方程按分量劃分為n_q個數據包，如公式(3)所示；

其中，分別為的第1個、第2個，···，第n_q個數據包；使用TOD協議調度第q組傳感器的輸出方程的各個數據包接入網絡通道的次序；

以τ_q，k表示在時刻k允許接入網絡通道的數據包的編號，τ_q，k由公式(4)確定；

其中，為已知的正定矩陣；為第s₁個數據包在距離k時刻最接近的上一次發送時刻的輸出值；為令函數取得最大值的s₁；

二次函數描述第s₁個數據包在時刻k接入網絡通道的迫切程度，公式(4)表示令二次函數取得最大值的數據包獲得接入網絡通道的權限；

在TOD協議調度下，估計器收到的來自于系統的第q個傳感器的輸出y_q，k記為：

為與協議調度有關的對角矩陣，I為單位矩陣；

對于q₁＝1，2，···，S，

式中，函數用來選擇接入網絡通道的數據包，具體地，在時刻k獲得接入通道權限的數據包的編號為q₁時，函數定義為1；否則，函數定義為0；

o_q，k∈0，O_q，k為有界的通道噪聲，0，O_q，k為已知的全對稱多胞形，O_q，k表示全對稱多胞形0，O_q，k的外形矩陣；由公式(5)得到，估計器收到的來自于各組傳感器的輸出為：

其中，

Φ_k＝diag{Φ_1，k，Φ_2，k，…，Φ_S，k}，

公式(6)給出了估計器接收到的TOD協議調度下來自于各組傳感器的量測信息；

步驟S103.計算系統狀態的一步預測值及一步預測誤差所在的全對稱多胞形；

給定系統狀態的估計值的初始值，如公式(7)所示；

其中，表示在時刻i系統狀態x_i的估計值；

對于時刻k，令表示系統狀態的估計誤差；

設在時刻k的估計值，以及估計誤差所在的全對稱多胞形，分別如公式(8)和(9)所示；

計算出在時刻k，系統狀態的一步預測值如公式(10)所示；

其中，以及均由公式(8)給出；

同時計算出一步預測誤差所在的全對稱多胞形即有

其中，全對稱多胞形的中心由下式遞推計算：

其中，以及分別表示k時刻、時刻以及k-s時刻的估計誤差所在的全對稱多胞形的中心點，以及均由公式(9)給出；

中的上標l，表示矩陣來自于泰勒展開的線性項；

全對稱多胞形的外形矩陣由公式(13)計算得到；

其中，由公式(9)給出；

表示一個范數有界的不確定矩陣，滿足且其各分量的絕對值的最大值不大于1；

其中，為矩陣的無窮范數；

對于i＝1，2，…，n_x，

其中，表示在區間[0，1]上取值的未知變量；

由公式(9)給出；

表示矩陣的無窮范數，

對于給定的任意向量矩陣函數由下式計算；

g_i(t，x_k)表示g(t，x_k)的第i個分量；x_i，k表示x_k的第i個分量，x_j，k表示x_k的第j個分量；

其中，由公式(9)給出；

其中，矩陣中的參數由公式(9)給出；

帶有上標r的參數中，上標r表示該參數對應泰勒展開的高階項；其中，范數有界的不確定矩陣，滿足且其各分量的絕對值的最大值不大于1；

其中，表示矩陣的無窮范數；

對于i＝1，2，…，n_x，

其中，表示在區間[0，1]上取值的未知變量；由公式(9)給出；

表示矩陣的無窮范數；

其中，表示的第i個分量；

表示的第i個分量，表示的第j個分量；

對于

對于表示范數有界的不確定矩陣，其滿足且其各分量的絕對值的最大值不大于1；

對于i＝1，2，…，n_x，

其中，表示在區間[0，1]上取值的未知變量；由公式(9)給出；

表示矩陣的無窮范數，

d_si(t，x_k-s)為d_s(t，x_k-s)的第i個分量；x_i，k-s為x_k-s的第i個分量，x_j，k-s為x_k-s的第j個分量；

步驟S104.計算估計器參數；

估計器參數L_k+1由公式(14)進行計算得到；

其中，

對于q＝1，2，···，S，表示第q個傳感器的量測矩陣的轉置，它們由公式(2)給出；

V_k+1＝diag{V_1，k+1，V_2，k+1，···，V_S，k+1}，該對角矩陣的所有對角元均為已給出的相應量測噪聲所在全對稱多胞形的生成矩陣；

O_k+1＝diag{O_1，k+1，O_2，k+1，···，O_S，k+1}，該對角矩陣的所有對角元均為已給出的相應通道噪聲所在全對稱多胞形的生成矩陣；

為全對稱多胞形的外形矩陣；

步驟S105.計算TOD協議調度下多傳感器信息融合的系統狀態估計值，估計誤差所在的全對稱多胞形，進而計算出系統狀態的上界與下界；

系統在k+1時刻的狀態估計值由下式給出：

其中，表示由公式(10)給出的在k時刻對系統狀態的一步預測值；

系統狀態估計值的初始值由公式(7)給出；

在k+1時刻的狀態的估計誤差滿足公式(16)；

即估計誤差屬于全對稱多胞形

其中，全對稱多胞形的中心點由公式(17)進行計算；

全對稱多胞形的生成矩陣由公式(18)計算系統狀態的上界與下界：

系統狀態的上界為

系統狀態的下界為

其中，是一個對角矩陣，該對角矩陣的第b個對角元等于矩陣的第b行全部元素的絕對值之和，b∈{1，2，···，n_x}；表示一個所有元素都是1的n_x維列向量；

當估計器的估計器參數采用公式(14)時，由公式(16)求得的全對稱多胞形的F半徑最小，因此，能夠保證較好的系統狀態估計性能。