一种水下航行器有限时间信号估计方法及系统技术方案

本发明专利技术提供了一种水下航行器有限时间信号估计方法及系统，所述方法包括：变换水下航行器制导控制一体化模型；建立有限时间收敛观测器，估计视线角速度与侧滑角信号。本发明专利技术的优势在于：本发明专利技术能够实现存在外界干扰时对视线角速度与侧滑角信号的快速、精确估计，适用于水下航行器拦截来袭目标的制导控制设计过程。观测器能够有限时间收敛。程。观测器能够有限时间收敛。程。观测器能够有限时间收敛。

【技术实现步骤摘要】
[0017]z2＝a
12
x2+d1[0018][0019][0020]其中，状态变量x0＝rq，r为水下航行器与来袭目标的相对距离，q为视线角；状态变量状态变量x2＝β，β为侧滑角；状态变量x3＝ω
y
，ω
y
为航行器偏航角速度；d
i
,(i＝1,2,3)为包含系统建模误差和外界干扰的未知项；b
i
,(i＝1,2,3)为舵效系数；常数a
12
、a
13
、a
22
、a
23
、a
32
、a
33
为航行器模型参数；
[0021][0022]u＝b1δ
r
+a
13
x3表示变换后的控制输入，δ
r
为控制舵令。
[0023]作为上述方法的一种改进，所述步骤2具体包括：
[0024]建立有限时间收敛观测器为：
[0025][0026][0027][0028][0029][0030]其中，观测器设计参数常数k
j
＞0,(j＝0,1,2,3,4)，常数ρ
j
＞1，常数α
j
＝(j+1)α0‑
j，常数β
j
＝β0+j(α0‑
1)；α0为常数，0.8＜α0＜1，常数β0＝1/α0；变量v
j
为变换后的水下航行器制导控制一体化模型中z
j
的估计值；e0表示观测器误差e0＝z0‑
v0；
[0031]设定v
j
,(j＝0,1,2,3,4)的初值后，将已知的变量r、q、x0、e0、u代入上述观测器，实时得到v
j
的值；再利用步骤1中z
j
(j＝0,1,2,3,4)与x
j
的变换关系，代入v1和v2实时计算出视线角速度的估计值和侧滑角信号的估计值
[0032]本专利技术还提供一种水下航行器有限时间信号估计系统，所述系统包括：
[0033]制导控制一体化模型模块：用于建立变换后的水下航行器制导控制一体化模型；
[0034]观测器模块，用于建立有限时间收敛观测器，基于制导控制一体化模型模块建立的一体化模型，估计视线角速度与侧滑角信号。
[0035]本专利技术还提供一种计算机设备，包括存储器、处理器及存储在所述存储器上并可在所述处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现如上述任一项所述的方法。
[0036]本专利技术还提供一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有计算机程序，所述计算机程序当被处理器执行时使所述处理器执行如上述任一项所述的方法。
[0037]与现有技术相比，本专利技术的优势在于：
[0038]1、本专利技术能够实现存在外界干扰时对视线角速度与侧滑角信号的快速、精确估计，适用于水下航行器拦截来袭目标的制导控制设计过程。
[0039]2、观测器能够有限时间收敛。
附图说明
[0040]图1所示为水下航行器有限时间信号估计方法流程图；
[0041]图2所示为观测器估计误差示意图。
具体实施方式
[0042]下面结合附图对本专利技术的技术方案进行详细的说明。
[0043]考虑到外界存在未知干扰以及视线角速度、侧滑角信号的无法测量，本专利技术将未知干扰与系统状态进行合成，利用状态变换和输入变换对制导控制一体化误差模型进行处理，并将合成干扰扩张为新的系统状态，便于观测器的设计。针对变换后的模型，利用有限时间收敛理论设计了有限时间扩张状态观测器，可以同时对外界干扰、不可测量的视线角速度与侧滑角信号进行在线估计。
[0044]如图1所示，本专利技术的实施步骤如下：
[0045]步骤1：水下航行器制导控制一体化系统描述与模型变换。
[0046]定义状态变量x0＝rq，r为水下航行器与来袭目标的相对距离，q为视线角；状态变量状态变量x2＝β，β为侧滑角；状态变量x3＝ω
y
，ω
y
为航行器偏航角速度。可以建立水下航行器相对来袭目标的制导控制一体化模型如下：
[0047][0048]其中，d
i
,(i＝1,2,3)为包含系统建模误差和外界干扰的未知项；b
i
,(i＝1,2,3)为舵效系数；δ
r
为控制舵令；常数a
12
、a
13
、a
22
、a
23
、a
32
、a
33
为航行器模型参数。
[0049]注意到式(1)的后三个方程均存在不确定项，因此考虑将系统状态与不确定项进行合成，以便于观测器的设计。首先利用可测的偏航角速度x3，定义输入变换：
[0050][0051]将式(2)代入式(1)可得：
[0052][0053]其中，
[0054]观察式(3)可知，方程组后三行均存未知干扰。考虑将未知干扰与系统状态合成，定义状态变换：
[0055][0056]则式(3)的前两行变为：
[0057][0058]将z2对时间求导，并将式(4)中a
12
x2＝z2‑
d1和式(3)的第三个方程代入可得：
[0059][0060]将z3对时间求导，并将式(3)的第四个方程代入可得：
[0061][0062]根据式(4)可知，a
12
x2＝z2‑
d1，代入式(7)可得：
[0063][0064]其中：
[0065][0066]为变换后系统的合成不确定项，可将其作为系统的广义扰动。
[0067]通过上述分析可知，采用输入变换式(2)与状态变换式(4)，可将系统变换为：
[0068][0069]其中，u＝b1δ
r
+a
13
x3表示变换后的控制输入。
[0070]从而设计目标转化为：利用已知的变量r、q、x0、u，设计有限时间收敛观测器，实现对z
j
的实时估计。再利用式(4)中z
j
与x
j
的变换关系进行反变换，实时计算出视线角速度和侧滑角信号的估计值。
[0071]为了便于扩张状态观测器的推导与分析，做出如下假设：
[0072]假设1.广义扰动d
L
及其导数ξ有界，存在已知常数ξ＞0，满足
[0073]注释1：由于系统在建模时忽略的都是高阶小量，且目标机动能力有限，视线角与水下航行器弹道倾角相差不大，因此可以满足假设1。
[0074]假设2.由于水下航行器在航行过程中侧滑角β非常小，在上述制导控制一体化建模过程中假设sin(β)≈β，cos(β)≈1。将上述性质结合假设1可知，受扰动侧滑角信号z2是有界的，且不难估算出其取值范围。本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种水下航行器有限时间信号估计方法，所述方法包括：步骤1：建立变换后的水下航行器制导控制一体化模型；步骤2：建立有限时间收敛观测器，基于步骤1建立的一体化模型，估计视线角速度与侧滑角信号。2.根据权利要求1所述的水下航行器有限时间信号估计方法，其特征在于，所述步骤1具体包括：建立变换后的水下航行器制导控制一体化模型为：建立变换后的水下航行器制导控制一体化模型为：建立变换后的水下航行器制导控制一体化模型为：建立变换后的水下航行器制导控制一体化模型为：其中，z0＝x0z1＝x1z2＝a
12
x2+d
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其中，状态变量x0＝rq，r为水下航行器与来袭目标的相对距离，q为视线角；状态变量状态变量x2＝β，β为侧滑角；状态变量x3＝ω
y
，ω
y
为航行器偏航角速度；d
i
,(i＝1,2,3)为包含系统建模误差和外界干扰的未知项；b
i
,(i＝1,2,3)为舵效系数；常数a
12
、a
13
、a
22
、a
23
、a
32
、a
33
为航行器模型参数；u＝b1δ
r
+a
13
x3表示变换后的控制输入，δ
r
为控制舵令。3.根据权利要求2所述的水下航行器有限时间信号估计方法，其特征在于，所述步骤2具体包括：建立有限时间收敛观测器为：建立有限时间收敛观测器为：建立有限时间收敛观测器为：建立有限时间...

【专利技术属性】
技术研发人员：王锐，郝程鹏，马慧，侯朝焕，司昌龙，林晓波，解玮，
申请(专利权)人：中国科学院声学研究所，
类型：发明
国别省市：