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原文传递无人水面艇的自适应扩张状态观测器设计及实验验证

论文题名：	无人水面艇的自适应扩张状态观测器设计及实验验证
关键词：	无人水面艇;模型参数;扰动估计;数据驱动;扩张状态观测器
摘要：	海洋蕴含着丰富的石油、天然气、鱼类、矿产等自然资源，是人类可持续发展的必然选择。无人水面艇是一种探索、开发、保护海洋的重要工具，在民用、商用、军用等领域都展现出极其重要的应用价值。在实际海洋环境中，无人水面艇存在模型参数的不确定性、未建模动态以及风、浪和洋流引起的外部环境扰动，这些动态变化和不可预测的扰动给无人水面艇的高精度控制造成了很大困扰。因此无人水面艇模型参数、状态与扰动估计问题成为了备受关注的热点课题之一。本文以三自由度全驱动无人水面艇为研究对象，系统研究了无人水面艇的自适应扩张状态观测器设计问题。本文的主要工作如下：　　第一，本文研究了模型参数完全未知、海洋扰动未知的无人水面艇动力学模型参数和扰动估计问题，提出了基于速度和角速度的二阶自适应扩张状态观测器。具体来说，提出了双层级结构状态滤波器，在第二层级引入了积分滤波回归器，设计了基于滤波信号的复合自适应参数更新律，建立了基于初始激励的二阶自适应扩张状态观测器，实现了对模型参数和由估计误差以及外部海洋扰动组成的总扰动的同时估计。此外，设计了基于截断积分滤波的复合自适应参数更新律，建立了基于间隔激励的二阶自适应扩张状态观测器，不仅实现了对模型参数和总扰动的同时估计，而且实现了对模型参数变化的跟踪。稳定性分析证明了估计系统是输入状态稳定的，且误差信号是一致最终有界的。仿真结果和实验结果验证了所提二阶自适应扩张状态观测器的有效性。　　第二，本文研究了模型参数未知、海洋扰动未知的无人水面艇模型参数、状态与扰动估计问题，提出了基于位置、艏摇角和加速度信息的数据驱动并行学习三阶自适应扩张状态观测器。具体来说，通过记录了全球定位系统和姿态传感器测得的位置、艏摇角和加速度信息，结合并行学习方法设计了基于存储历史信息的数据驱动三阶自适应扩张状态观测器，实现了模型参数未知的无人水面艇模型参数、速度、角速度和总扰动的估计。在上述基础上引入符号函数，设计了数据驱动并行学习三阶有限时间自适应扩张状态观测器，不仅实现了模型参数未知的无人水面艇模型参数、速度、角速度和总扰动的估计，而且实现了速度、角速度和总扰动的有限时间估计。稳定性分析证明了估计系统是输入状态稳定和有限时间输入状态稳定的，且误差信号是一致最终有界的。仿真结果验证了所提无人水面艇数据驱动并行学习三阶自适应扩张状态观测器的有效性。　　第三，本文研究了存在波频噪声且模型参数未知、海洋扰动未知的无人水面艇模型参数、状态与扰动估计问题，提出了基于波浪滤波的数据驱动并行学习三阶自适应扩张状态观测器。具体来说，通过记录了全球定位系统和姿态传感器测得的实际位置、艏摇角和加速度信息，结合并行学习方法设计了基于波浪滤波的数据驱动三阶自适应扩张状态观测器，实现了模型参数未知的无人水面艇模型参数、速度、角速度和总扰动的估计以及低频位置和低频艏摇角信息的提取。在上述基础上引入符号函数，设计了基于波浪滤波的有限时间数据驱动并行学习三阶自适应扩张状态观测器，不仅实现了模型参数未知的无人水面艇模型参数、速度、角速度和总扰动的估计以及低频位置和艏摇角信息的提取，而且实现了对模型参数的有限时间估计。稳定性分析证明了估计系统是输入状态稳定和有限时间输入状态稳定的，且误差信号是一致最终有界的。仿真结果验证了所提基于波浪滤波的无人水面艇数据驱动并行学习三阶自适应扩张状态观测器的有效性。
作者：	岳佳旺
专业：	电气工程
导师：	彭周华;王丹
授予学位：	硕士
授予学位单位：	大连海事大学
学位年度：	2022