基于Huber估计的鲁棒自适应滤波和状态估计方法.pdf

(19)中华人民共和国国家知识产权局(12)发明专利申请(10)申请公布号CN107179693A(43)申请公布日2017.09.19(21)申请号201710502441.5(22)申请日2017.06.27(71)申请人哈尔滨工程大学地址150001黑龙江省哈尔滨市南岗区南通大街145号哈尔滨工程大学科技处知识产权办公室(72)发明人付明玉王莎莎王元慧庹玉龙王端松张放魏红艳包澄澄(51)Int.Cl.G05B13/04(2006.01)G06F17/16(2006.01)权利要求书4页说明书11页附图4页(54)发明名称基于Huber估计的鲁棒自适应滤波和状态估计方法(57)摘要本发明提供的是一种基于Huber估计的鲁棒自适应滤波和状态估计方法。首先通过在线估计一步预测双重不确定性系统的协方差矩阵的上界来计算估计值，只对时间更新过程进行修改，同时采用线性矩阵不等式的方法进行自适应参数调整，得到应对不确定性模型的自适应无迹信息滤波器；然后应用矩阵求逆定理并采用Huber估计的方法对量测更新过程进行修改，得到最终的估计值。本发明的滤波和状态估计的精度高，稳定性好。所提出的鲁棒自适应滤波和状态估计方法解决了双重不确定无人艇的滤波和状态估计问题，即保留了信息滤波器结构的优点有提高了滤波和状态估计的精度和稳定性，计算简单应用方便。CN107179693ACN107179693A权利要求书1/4页1.一种基于Huber估计的鲁棒自适应滤波和状态估计方法，其特征是：首先通过在线估计一步预测双重不确定性系统的协方差矩阵的上界来计算估计值，只对时间更新过程进行修改，同时采用线性矩阵不等式的方法进行自适应参数调整，得到应对不确定性模型的自适应无迹信息滤波器；然后应用矩阵求逆定理并采用Huber估计的方法对量测更新过程进行修改，得到最终的估计值，具体包括如下步骤：(1)、初始化，初始状态估计值设为0，初始协方差矩阵选择某一常值矩阵，不能选择零矩阵，满足(2)、时间更新，按照常规无迹信息滤波的时间更新过程计算和Pk|k-1，表示估计状态变量的均值，Pk|k-1表示一步预测协方差；(3)、自适应时间更新，计算协方差上界估计值后，用代替Pk|k-1，结合无迹信息滤波的量测更新方程，求得最终的估计值及其协方差矩阵采用线性矩阵不等式方法进行在线自适应参数调整；(4)、基于Huber估计的量测更新，应用矩阵求逆定理并在量测更新部分引入Huber估计方法，更新过程中的Pk|k-1均替换为第(3)步的且中间变量也相应地增加上标(u)，最终得到估计结果和2.根据权利要求1所述的基于Huber估计的鲁棒自适应滤波和状态估计方法，其特征是所述的双重不确定系统的不确定性集成在一起表示为：其中，为无人艇状态变量，u为推进器推力和环境作用力，为确定噪声，E为适维常数矩阵，H为适维常数矩阵，非线性函数f(·)包含未知建模误差、时变参数不确定性因素，v为适维量测噪声、指电罗经和GPS的传感器测量噪声；双重不确定系统的非线性离散模型为：xk＝fa(xk-1,uk-1)+Δ+Ek-1wk-1yk＝Hkxk+vk，nm其中，xk∈R和yk∈R分别为状态变量和量测变量，函数fa(·)表示标称模型，为模型中的确定部分；Δ表示建模误差，且有界，设||Δ||≤χ,χ≥0；wk和vk为相互独立高斯白噪声，方差分别为Qk和Rk，维数分别为nv和nn；k为采样数、为非负整数。3.根据权利要求2所述的基于Huber估计的鲁棒自适应滤波和状态估计方法，其特征是所述按照常规无迹信息滤波的时间更新过程计算和Pk|k-1具体包括：设置初值使得的初值满足那么和都满足以上不等式，根据来得到当前时刻的和2CN107179693A权利要求书2/4页经过一系列不等式缩放，得一步预测协方差的保守上界，按照其结构进行参数化得其中，Pk|k-1为一步预测值协方差，λk,α,β为待设计的滤波器参数，tr(·)表示矩阵的迹，I表示适维单位阵；首先通过调节参数α,β对建模误差进行补偿，其次采用线性矩阵不等式方法调整自适应无迹信息滤波参数λk；由一步预测值的协方差得新息协方差矩阵的预测值为：同时，通过引入一个加权因子μ∈[0,1]，得新息协方差矩阵观测值的无偏估计为其中，为新息方程，且μ的大小会影响滤波器对噪声特性和模型不确定性的敏感性，当μ＝0时，仅由当前时刻的观测值决定，当μ＝1时，还会受到历史观测值影响；通过如下最优问题来调节λk，同时参数更新时间间隔通过下式的计算间隔确定：其中，参数λk在线调节，参数α,β离线调节；当计算出后，用其代替Pk|k-1，然后采用Huber估计方法的量测更新方程求得最终的估计值及其协方差矩阵4.根据权利要求3所述的基于Huber估计的鲁棒自适应滤波和状态估计方法，其特征是Huber估计的鲁棒