一种智能船舶的非周期通讯远程观测器制造技术

本发明专利技术实施例公开了一种智能船舶的非周期通讯远程观测器，其包括：船端事件触发模块、船端位置信息预测模块、控制端位置信息预测模块、控制端事件触发模块、位置观测模块、总扰动观测模块以及速度观测模块；其中，所述船端事件触发模块用于基于所预设的船端事件触发机制，输出上一触发时刻执行导通任务后所获取的位置信息或当前时刻船舶的实际位置信息；所述船端位置信息预测模块用于输出获得的位置预测信息等。本发明专利技术既能提高传感器与观测器之间的通信效率，增加对船舶观测的可靠性，又能减少采样计算负担和通信成本、降低对船舶运动参数信息的依赖性，易于实现观测。

An aperiodic communication remote observer for intelligent ships

【技术实现步骤摘要】
一种智能船舶的非周期通讯远程观测器
本专利技术涉及船舶智能运动控制
，尤其涉及一种智能船舶的非周期通讯远程观测器。
技术介绍
21世纪被称之为“海洋的世纪”，海洋因其丰富的生物资源和自然资源等成为重点研究的对象，人类往往通过自主智能船舶达到探索海洋、认识海洋、利用海洋的目的。自主控制的智能船舶主要运用于军事领域，如协助完成情报收集、监视侦察、警戒巡逻、扫雷反潜等战术任务，同时在民用领域也有广泛的应用，如执行水体探测、海上搜救和海底打捞等。现有基于智能船舶的控制方法已经提出多种稳定的观测器，包括波滤波观测器、高增益观测器、基于神经网络的观测器、扩张状态观测器。但是上述观测器均存在一定的不足，如波滤波观测器观测依赖于船舶动力学无源性，需要知道模型的具体参数；如高增益观测器能够恢复未测量的速度，但不确定性和扰动是无法估计的如；基于神经网络的观测器能够同时估计不确定性和未测量状态；扩张状态观测器能够同时估计未测量的速度和不确定性，同时降低调谐的复杂性。然而从智能船舶控制观测方面，扩张状态观测器的现有技术尚存在下列不足：第一、在现有的基于扩张状态观测器测量更新船舶位置和速度信息的方法中，观测器通常会在固定的采样周期对目标信息进行更新计算，然而很多时候测量结果不被需要，周期采样增加了船舶与扩张状态观测器的无效通讯次数。多次通讯对硬件和软件资源有限的船舶嵌入式系统而言，提高船舶通信和维护成本，增加处理器运算负担和故障出现次数，造成多余浪费。第二、在现有的基于事件触发的扩张状态观测器方法中，往往通过位置信息来更新通讯，依赖于位置观测模块，并且仅在船舶处于静止状态时减少不必要的触发次数。然而当面对位置信息不断变化的动态船舶时，该方法的使用受到限制。第三、现有的基于扩张状态观测器的扰动估计方法同时需要船舶的位置和速度信息，然而风浪、洋流、以及模型参数不确定限制了对船舶速度信息的观测，并且对速度信息的获取过分依赖于传感器的可靠性，当速度传感器受到扰动或者出现故障时，速度信息获取会立即中断。
技术实现思路
基于此，为解决现有技术存在的不足，特提出了一种智能船舶的非周期通讯远程观测器。一种智能船舶的非周期通讯远程观测器，其特征在于，包括：船端事件触发模块、船端位置信息预测模块、控制端位置信息预测模块、控制端事件触发模块、位置观测模块、总扰动观测模块以及速度观测模块；其中，所述船端事件触发模块与智能船舶、船端位置信息预测模块相连接，用于基于所预设的船端事件触发机制，输出上一触发时刻执行导通任务后所获取的位置信息或当前时刻船舶的实际位置信息；所述船端位置信息预测模块分别与所述船端事件触发模块、控制端位置信息预测模块相连接，用于输出获得的船端预测位置信息；所述控制端位置信息预测模块通过无线网络与船端事件触发模块相连接，其用于输出获得的控制端位置预测信息；所述控制端事件触发模块分别与速度观测模块、船端位置信息预测模块相连接，用于基于所预设的控制端事件触发机制，输出上一触发时刻执行导通任务后所获取的速度信息或当前时刻船舶的实际速度信息；所述位置观测模块与所述控制端位置信息预测模块相连接，用于输出ESO对船舶位置的观测值；所述速度观测模块与所述控制端位置信息预测模块相连接，用于输出ESO对船舶速度的观测值；所述总扰动观测模块与所述速度观测模块、位置观测模块相连接，用于获取ESO对船舶总扰动的观测值。可选的，在其中一个实施例中，所述船端事件触发模块包括：第一触发执行单元、第一触发判断单元以及第一零阶保持单元；所述第一触发判断单元内预置船端事件触发机制，基于所述船端事件触发机制，实时判断是否存在满足触发条件的船端事件，并向第一触发执行单元下发判断结果；所述第一触发执行单元用于基于所述判断结果执行导通或不动作任务；所述第一零阶保持单元用于在执行不动作任务时输出所述第一触发执行单元在上一触发时刻tk执行导通任务后经过本零阶保持单元所保持的位置信息η(tk)，或在执行导通任务时，输出当前时刻t船舶的实际位置信息η(t)；其中，所述第一零阶保持单元所输出的信号即输出位置信号对应的表达式为上式中，r(t)为基于船端事件触发机制，第一触发判断单元对应的输出信号，且r(t)＝0表示第一触发判断单元在t时刻不触发且执行不动作任务，r(t)＝1表示第一触发判断单元在t时刻触发并执行导通任务；其中，r(t)对应的表达式为：式中：q(t)为位置信息跟踪误差，即q(t)＝(ηp1-η)，ηp1为船端预测位置信息，η为船端实际位置信息，ε1为第一触发阈值；当位置信息跟踪误差大于第一触发阈值ε1时，则第一触发判断单元输出信号r(t)为1，当位置信息跟踪误差小于第一触发阈值ε1时，则第一触发判断单元输出信号r(t)为0。可选的，在其中一个实施例中，所述船端位置信息预测模块包括第一位置信息预测单元、第一旋转变换单元以及第一积分单元；所述第一位置信息预测单元在接收到船端事件触发模块输出的位置信号后确定出对应的船端位置的预测信息，所述船端位置的预测信息的表达式为且所述第一位置信息预测单元在未接收到船端事件触发模块输出的位置信息时，确定出对应的船端位置的预测信息，所述船端位置的预测信息的表达式为其中船端预测位置信息为船端预测位置信息的导数，为船舶观测速度信息，R为旋转矩阵，ψ为船舶的艏摇角，且可选的，在其中一个实施例中，所述控制端位置信息预测模块包括第二位置信息预测单元、第二旋转变换单元以及第二积分单元；其中，所述第二位置信息预测单元在接收到船端事件触发模块输出的位置信号后确定出对应的控制端位置预测信息，所述控制端位置预测信息的表达式为且所述第二位置信息预测单元在未接收到船端事件触发模块输出的位置信息时确定出对应的控制端位置预测信息，所述控制端位置预测信息的表达式为其中控制端预测位置信息为控制端预测位置信息的导数，为船舶观测速度信息。可选的，在其中一个实施例中，所述控制端事件触发模块包括第二触发执行单元、第二触发判断单元、第二零阶保持单元构成；所述第二触发判断单元内预置控制端事件触发机制，用于基于所述的触发机制，实时判断是否存在满足触发条件的控制端事件，并向第二触发执行单元下发判断结果；所述第二触发执行单元用于基于所述判断结果执行导通或不动作任务；所述第二零阶保持单元用于在执行不动作任务时输出所述第二触发执行单元在上一触发时刻tk执行导通任务后经过本零阶保持单元所保持的速度信息同时在执行导通任务时，输出当前时刻t船舶的速度信息其中，所述第二零阶保持单元所输出的信号即输出速度信号对应的表达式为上式中，为基于所述的触发机制，第二触发判断单元对应的输出速度信号，且g(t)＝0表示第二触发判断单元在t时刻不触发且执行不动作任务，g(t)＝1表示第二触发判断单元在t时刻触发并执行导通任务；其中，g(t)对应的表达式为：式中：p(t)为速度采样误差，即速度预测与实际速度间的差值，即ε2为第二触发阈值；当速度跟踪误差大于第二触发阈值ε2时，则第二触发判断本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种智能船舶的非周期通讯远程观测器，其特征在于，包括：船端事件触发模块、船端位置信息预测模块、控制端位置信息预测模块、控制端事件触发模块、位置观测模块、总扰动观测模块以及速度观测模块；其中，所述船端事件触发模块与智能船舶数据采集单元、船端位置信息预测模块相连接，用于基于所预设的船端事件触发机制，输出上一触发时刻执行导通任务后所获取的位置信息或当前时刻船舶的实际位置信息；所述船端位置信息预测模块分别与所述船端事件触发模块、控制端位置信息预测模块相连接，用于输出获得的位置预测信息；所述控制端位置信息预测模块通过无线网络与船端事件触发模块相连接，其用于输出控制端位置预测信息；所述控制端事件触发模块分别与速度观测模块、船端位置信息预测模块相连接，用于基于所预设的控制端事触发机制，输出上一触发时刻执行导通任务后所获取的速度信息或当前时刻船舶的实际速度信息；所述位置观测模块与所述控制端位置信息预测模块相连接，用于输出ESO对船舶位置的观测值；所述速度观测模块与所述控制端位置信息预测模块相连接，用于输出ESO对船舶速度的观测值；所述总扰动观测模块与所述速度观测模块、位置观测模块相连接，用于获取ESO对总扰动的观测值。/n...

【技术特征摘要】
1.一种智能船舶的非周期通讯远程观测器，其特征在于，包括：船端事件触发模块、船端位置信息预测模块、控制端位置信息预测模块、控制端事件触发模块、位置观测模块、总扰动观测模块以及速度观测模块；其中，所述船端事件触发模块与智能船舶数据采集单元、船端位置信息预测模块相连接，用于基于所预设的船端事件触发机制，输出上一触发时刻执行导通任务后所获取的位置信息或当前时刻船舶的实际位置信息；所述船端位置信息预测模块分别与所述船端事件触发模块、控制端位置信息预测模块相连接，用于输出获得的位置预测信息；所述控制端位置信息预测模块通过无线网络与船端事件触发模块相连接，其用于输出控制端位置预测信息；所述控制端事件触发模块分别与速度观测模块、船端位置信息预测模块相连接，用于基于所预设的控制端事触发机制，输出上一触发时刻执行导通任务后所获取的速度信息或当前时刻船舶的实际速度信息；所述位置观测模块与所述控制端位置信息预测模块相连接，用于输出ESO对船舶位置的观测值；所述速度观测模块与所述控制端位置信息预测模块相连接，用于输出ESO对船舶速度的观测值；所述总扰动观测模块与所述速度观测模块、位置观测模块相连接，用于获取ESO对总扰动的观测值。


2.根据权利要求1所述的非周期通讯远程观测器，其特征在于，所述船端事件触发模块包括：第一触发执行单元、第一触发判断单元以及第一零阶保持单元；所述第一触发判断单元内预置船端事件触发机制，基于所述船端事件触发机制，实时判断是否存在满足触发条件的船端事件，并向第一触发执行单元下发判断结果；所述第一触发执行单元用于基于所述判断结果执行导通或不动作任务；所述第一零阶保持单元用于在执行不动作任务时输出所述第一触发执行单元在上一触发时刻tk执行导通任务后经过本零阶保持单元所保持的位置信息η(tk)，或在执行导通任务时，输出当前时刻t船舶的实际位置信息η(t)；其中，所述第一零阶保持单元所输出的信号即输出信号对应的表达式为



上式中，r(t)为基于船端事件触发机制，第一触发判断单元对应的输出信号，且r(t)＝0表示第一触发判断单元在t时刻不触发且执行不动作任务，r(t)＝1表示第一触发判断单元在t时刻触发并执行导通任务；
其中，r(t)对应的表达式为：



式中：q(t)为位置信息跟踪误差，即q(t)＝(ηp1-η)，ηp1为船端预测位置信息，η为船端实际位置信息，ε1为第一触发阈值；当位置信息跟踪误差大于第一触发阈值ε1时，则第一触发判断单元输出信号r(t)为1，当位置信息跟踪误差小于第一触发阈值ε1时，则第一触发判断单元输出信号r(t)为0。


3.根据权利要求1所述的非周期通讯远程观测器，其特征在于，所述船端位置信息预测模块包括第一位置信息预测单元、第一旋转变换单元以及第一积分单元；所述第一位置信息预测单元在接收到船端事件触发模块输出的位置信息后确定出对应的船端位置的预测信息，所述船端位置的预测信息的表达式为且所述第一位置信息预测单元在未接收到船端事件触发模块输出的位置信息时确定出对应的船端位置的预测信息，所述船端位置的预测信息的表达式为其...

【专利技术属性】
技术研发人员：王丹，刘陆，阮明昊，李铁山，彭周华，王浩亮，
申请(专利权)人：大连海事大学，
类型：发明
国别省市：辽宁;21