本发明涉及多无人船控制，主要针对参数不确定性和未知海洋环境扰动下的无人船动力学模型，提出了一种无人船多模态扩张状态观测器。
背景技术：
1、近年来，随着陆上资源日益匮乏，世界各海洋强国高度重视海洋的利用，无人船作为一种海上智能设备，被广泛应用于海洋科学研究、海洋资源勘探、海洋环境监测、海洋救援等领域。
2、无人船的动力学模型具有非线性、不确定性、强扰动、欠驱动、多约束等特点，因此无人船动力学的稳定控制问题是实现多无人船协同路径跟踪控制的关键问题之一。近年来，国内外研究人员对无人船动力学控制做了大量工作，常用的控制方法包括pid控制、模型预测控制(mpc)、自适应控制、基于扩张状态观测器(eso)的自抗扰控制等。传统的pid控制方法具有简单易实现、稳定性好的特点，适用于线性系统和一些简单的非线性系统。然而，对于复杂的非线性系统和系统参数变化较大的情况下，控制性能可能不理想。mpc的计算复杂度较高，需要实时求解优化问题，因此在实时性要求较高的应用中可能存在困难。自适应控制的设计和参数调整较为复杂，对系统模型和辨识算法的要求较高。扩张状态观测器可以用于估计无人船的状态和总扰动，提高无人船控制的精确性，但一般需要精确的控制输入增益参数。
技术实现思路
1、鉴于现有技术的不足，本发明提供一种无人船多模态扩张状态观测器。本发明针对参数不确定性和未知海洋环境扰动下的无人船动力学模型，采用监督框架的体系结构来研究确定性非线性连续时间系统的状态和参数估计，即对控制增益的参数集进行采样，形成一个有限的标称值集，并为每个标称值设计一个状态观测器，然后选择器根据每个状态观测器的监测信号选择一个观测器来提供状态和参数估计。
2、本发明采用的技术手段如下：
3、一种无人船多模态扩张状态观测器，包括：无人船纵荡速度方向多模态扩张观测器组、无人船艏摇角速度方向多模态扩张观测器组以及动力学控制器；
4、所述无人船纵荡速度方向多模态扩张观测器组包括并行的若干纵荡速度方向扩张观测器通路和一个纵荡速度方向扩张观测器选择器，任意所述纵荡速度方向扩张观测器通路包括依次设置的纵荡速度方向扩张观测器模块、纵荡速度方向误差信号提取模块以及纵荡速度方向监测信号模块，各纵荡速度方向监测信号模块的输出端并联至纵荡速度方向扩张观测器选择器；
5、所述无人船艏摇角速度方向多模态扩张观测器组包括并行的若干艏摇角速度方向扩张观测器通路和一个艏摇角速度方向扩张观测器选择器，任意所述艏摇角速度方向扩张观测器通路包括依次设置的艏摇角速度方向扩张观测器模块、艏摇角速度方向误差信号提取模块以及艏摇角速度方向监测信号模块，各艏摇角速度方向监测信号模块的输出端并联至艏摇角速度方向扩张观测器选择器；
6、将所述纵荡速度方向扩张观测器选择器与艏摇角速度方向扩张观测器选择器的输出端并联至动力学控制器，通过动力学控制器输出信号控制无人船动作。
7、进一步地，所述纵荡速度方向扩张观测器模块被设置为：
8、
9、其中，为代表第i条通路上纵荡速度的估计值，为代表第i条通路上纵荡速度方向上内部不确定性和外部扰动引起的扰动的估计值，bui∈θ，表示未知控制增益，θ是已知的集合，表示纵荡速度观测器第一增益，表示纵荡速度观测器第二增益，m为纵荡速度方向扩张观测器通路个数，τu表示无人船纵荡速度控制力矩，u表示无人船纵荡速度。
10、进一步地，所述纵荡速度方向误差信号提取模块被设置为：
11、
12、其中，表示纵荡速度方向上第i条通路的误差信号，表示纵荡速度方向上第i条通路的纵荡速度估计误差，σu表示纵荡速度方向上内部不确定性和外部扰动引起的扰动的实际值。
13、进一步地，所述纵荡速度方向监测信号模块被设置为：
14、
15、式中，λu＞0是监测参数，对于(i＝1,...,m)，
16、
17、μui(0)＝0
18、其中，μui(t)表示纵荡速度方向上第i条通路的监测信号，t表示时间。
19、进一步地，所述纵荡速度方向扩张观测器选择器被设置为：
20、
21、其中，ρu(t)表示根据监测信号在每个时刻选择出的纵荡速度方向扩张观测器，
22、通过纵荡速度方向扩张观测器选择器选择机制在每个时刻选择最合适的输出和控制增益，
23、
24、式中，选择出的纵荡速度方向扩张观测器的控制增益，选择出的纵荡速度方向扩张观测器的纵荡速度估计值，选择出的纵荡速度方向扩张观测器的扰动估计值，并以的形式输出，分别表示最终的纵荡速度方向控制增益、纵荡速度估计值和纵荡速度方向扰动估计值。
25、进一步地，所述艏摇角速度方向扩张观测器模块被设置为：
26、
27、其中，r表示无人船艏摇角速度，τr表示无人船艏摇角速度控制力矩，表示艏摇角速度观测器第一增益，表示艏摇角速度观测器第二增益，表示第j条通路上艏摇角速度的估计值，表示第j条通路上艏摇角速度方向上内部不确定性和外部扰动引起的扰动的估计值，brj∈θ，表示未知控制增益，θ是已知的集合，o为艏摇角速度方向扩张观测器通路个数。
28、进一步地，所述艏摇角速度方向误差信号提取模块被设置为：
29、
30、其中，表示艏摇角速度方向上第j条通路的误差信号，表示表示艏摇角速度方向上第j条通路的艏摇角速度估计误差，σr表示艏摇角速度方向上内部不确定性和外部扰动引起的扰动的实际值。
31、进一步地，所述艏摇角速度方向监测信号模块被设置为：
32、
33、式中，λr＞0是监测参数，对于(j＝1,...,o)
34、
35、μrj(0)＝0
36、其中，μrj(t)表示艏摇角速度方向上第j条通路的监测信号，t表示时间。
37、进一步地，所述艏摇角速度方向扩张观测器选择器被设置为：
38、
39、其中，ρr(t)表示根据监测信号在每个时刻选择出的艏摇角速度方向扩张观测器，
40、通过艏摇角速度方向扩张观测器选择器的选择机制在每个时刻选择最合适的输出和控制增益，
41、
42、式中，选择出的艏摇角速度方向扩张观测器的控制增益，选择出的艏摇角速度方向扩张观测器的艏摇角速度估计值，是选择出的艏摇角速度方向扩张观测器的扰动估计值，并以的形式输出，分别表示最终的艏摇角速度方向控制增益、艏摇角速度估计值和艏摇角速度方向扰动估计值。
43、进一步地，所述动力学控制器被设置为：
44、
45、其中，τu表示纵荡速度控制输入力矩，ku表示纵荡速度力矩的控制系数，ud表示期望纵荡速度，表示最终选择的纵荡速度估计值，表示最终选择的纵荡速度方向上内部不确定性和外部扰动引起的扰动的估计值，表示最终选择的纵荡速度方向控制增益，τr表示艏摇角速度控制输入力矩，kr表示艏摇角速度力矩的控制系数，rd表示期望艏摇角速度，表示最终选择的艏摇角速度估计值，表示最终选择的艏摇角速度方向上内部不确定性和外部扰动引起的扰动的估计值，表示最终选择的艏摇角速度方向控制增益。
46、较现有技术相比，本发明具有以下优点：
47、第一，与基于pid的无人船动力学控制器相比，本发明提出的多模态扩张状态观测器可以实时估计内部模型不确定性和外部海洋环境扰动，并在控制回路中进行实时补偿，提高复杂海洋环境下的稳定性和抗扰性。
48、第二，与无人船神经网络控制方法相比，本发明提出的多模态扩张状态观测器的设计和实现简单，设计和参数调整并不复杂，不需要大量的数据和复杂的训练过程，具有较好的鲁棒性和实时性。
49、第三，与传统无人船扩张状态观测器相比，本发明提出的多模态扩张状态观测器不需要精确的控制增益参数，同时能够实现控制增益变化下系统未知状态、模型不确定、外部扰动的精确估计。
1.一种无人船多模态扩张状态观测器，其特征在于，包括：无人船纵荡速度方向多模态扩张观测器组、无人船艏摇角速度方向多模态扩张观测器组以及动力学控制器；
2.根据权利要求1所述的一种无人船多模态扩张状态观测器，其特征在于，所述纵荡速度方向扩张观测器模块被设置为：
3.根据权利要求2所述的一种无人船多模态扩张状态观测器，其特征在于，所述纵荡速度方向误差信号提取模块被设置为：
4.根据权利要求3所述的一种无人船多模态扩张状态观测器，其特征在于，所述纵荡速度方向监测信号模块被设置为：
5.根据权利要求4所述的一种无人船多模态扩张状态观测器，其特征在于，所述纵荡速度方向扩张观测器选择器被设置为：
6.根据权利要求1所述的一种无人船多模态扩张状态观测器，其特征在于，所述艏摇角速度方向扩张观测器模块被设置为：
7.根据权利要求6所述的一种无人船多模态扩张状态观测器，其特征在于，所述艏摇角速度方向误差信号提取模块被设置为：
8.根据权利要求7所述的一种无人船多模态扩张状态观测器，其特征在于，所述艏摇角速度方向监测信号模块被设置为：
9.根据权利要求8所述的一种无人船多模态扩张状态观测器，其特征在于，所述艏摇角速度方向扩张观测器选择器被设置为：
10.根据权利要求1所述的一种无人船多模态扩张状态观测器，其特征在于，所述动力学控制器被设置为：
