基于方差補(bǔ)償卡爾曼與限定記憶最小二乘對(duì)uuv水動(dòng)力參數(shù)的組合辨識(shí)方法
【專(zhuān)利摘要】基于方差補(bǔ)償卡爾曼與限定記憶最小二乘對(duì)UUV水動(dòng)力參數(shù)的組合辨識(shí)方法，涉及一種UUV水動(dòng)力參數(shù)的組合辨識(shí)方法。為了解決傳統(tǒng)的水動(dòng)力參數(shù)的辨識(shí)方法穩(wěn)定性及辨識(shí)結(jié)果的準(zhǔn)確性低的問(wèn)題。包括：步驟一：UUV進(jìn)行定深平面運(yùn)動(dòng)和垂直面運(yùn)動(dòng)，采集觀(guān)測(cè)數(shù)據(jù)；步驟二：對(duì)觀(guān)測(cè)數(shù)據(jù)用方差補(bǔ)償卡爾曼進(jìn)行初步辨識(shí)，獲得初步辨識(shí)的參數(shù)值；步驟三：將參數(shù)值作為限定記憶最小二乘法的初始值，對(duì)采集的觀(guān)測(cè)數(shù)據(jù)，進(jìn)行二次辨識(shí)，獲得UUV水動(dòng)力參數(shù)；步驟四：根據(jù)水動(dòng)力參數(shù)，進(jìn)行螺旋下潛或螺旋上升仿真運(yùn)動(dòng)，獲得的軌跡與UUV實(shí)航軌跡對(duì)比和驗(yàn)證，驗(yàn)證為準(zhǔn)確的作為最終的UUV水動(dòng)力參數(shù)。本發(fā)明用于確定UUV的運(yùn)動(dòng)方程模型。
【專(zhuān)利說(shuō)明】
基于方差補(bǔ)償卡爾曼與限定記憶最小二乘對(duì)UUV水動(dòng)力參數(shù) 的組合辨識(shí)方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明涉及一種UUV水動(dòng)力參數(shù)的組合辨識(shí)方法，特別涉及一種基于方差補(bǔ)償卡 爾曼與限定記憶最小二乘對(duì)UUV水動(dòng)力參數(shù)的組合辨識(shí)方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 目前，各國(guó)對(duì)于海洋領(lǐng)土的關(guān)注程度日益加強(qiáng)，近年來(lái)中國(guó)對(duì)于海洋開(kāi)發(fā)與海洋 戰(zhàn)略的關(guān)注與投入更是逐年加大力度。海洋開(kāi)發(fā)、維護(hù)海洋領(lǐng)土權(quán)益不再是一句口號(hào)，公要 善其事，必先利其器，要維護(hù)其權(quán)益就要擁有得力的海洋裝備。因 MH370飛機(jī)失事以及美國(guó) 海軍藍(lán)鰭金槍魚(yú)-21型水下無(wú)人航行器(UUV)的大力搜救，使得水下無(wú)人航行器其重要的軍 事和戰(zhàn)略意義得以顯現(xiàn)，更為廣大群眾所熟知。要獲得UUV良好的控制性能和仿真結(jié)果，其 運(yùn)動(dòng)方程模型的獲得是關(guān)鍵，而水動(dòng)力參數(shù)是運(yùn)動(dòng)方程模型的靈魂。這些參數(shù)決定著UUV水 中受力、運(yùn)動(dòng)軌跡和姿態(tài)并對(duì)于其控制起到骨架作用，因此一些西方國(guó)家如英國(guó)、法國(guó)、烏 克蘭、德國(guó)和美國(guó)等長(zhǎng)期致力于UUV水動(dòng)力參數(shù)的研究上。
[0003] 通常水動(dòng)力參數(shù)的獲得方法主要是通過(guò)船體模型試驗(yàn)以及實(shí)船航行對(duì)水動(dòng)力參 數(shù)的辨識(shí)試驗(yàn)，相比于船體模型方法水動(dòng)力參數(shù)辨識(shí)實(shí)驗(yàn)對(duì)于實(shí)驗(yàn)資金、試驗(yàn)設(shè)備、試驗(yàn)時(shí) 間、試驗(yàn)場(chǎng)地的要求低很多。但傳統(tǒng)的水動(dòng)力參數(shù)的辨識(shí)方法單一，實(shí)驗(yàn)方法不能突出某些 水動(dòng)力參數(shù)的影響，造成辨識(shí)過(guò)程的穩(wěn)定性及辨識(shí)結(jié)果的準(zhǔn)確性都有很大降低。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明的目的是為了解決傳統(tǒng)的水動(dòng)力參數(shù)的辨識(shí)方法穩(wěn)定性及辨識(shí)結(jié)果的準(zhǔn) 確性低的問(wèn)題，本發(fā)明提供一種基于方差補(bǔ)償卡爾曼與限定記憶最小二乘對(duì)UUV水動(dòng)力參 數(shù)的組合辨識(shí)方法。
[0005] 本發(fā)明的基于方差補(bǔ)償卡爾曼與限定記憶最小二乘對(duì)UUV水動(dòng)力參數(shù)的組合辨識(shí) 方法，所述方法包括如下步驟：
[0006] 步驟一:UUV進(jìn)行定深平面運(yùn)動(dòng)和垂直面運(yùn)動(dòng)，采集觀(guān)測(cè)數(shù)據(jù)；
[0007] 步驟二:對(duì)采集的觀(guān)測(cè)數(shù)據(jù)用方差補(bǔ)償卡爾曼進(jìn)行初步辨識(shí)，獲得初步辨識(shí)的參 數(shù)值；
[0008] 步驟三:初步獲得辨識(shí)的參數(shù)值作為限定記憶最小二乘法的初始值，對(duì)采集的觀(guān) 測(cè)數(shù)據(jù)，進(jìn)行二次辨識(shí)，獲得UUV水動(dòng)力參數(shù)；
[0009] 步驟四：根據(jù)獲得的UUV水動(dòng)力參數(shù)，進(jìn)行螺旋下潛或螺旋上升仿真運(yùn)動(dòng)，獲得的 軌跡與UUV實(shí)航軌跡對(duì)比，驗(yàn)證步驟三獲得的水動(dòng)力參數(shù)的準(zhǔn)確性，驗(yàn)證為準(zhǔn)確的作為最終 的UUV水動(dòng)力參數(shù)。
[0010] 所述步驟二中，方差補(bǔ)償卡爾曼為用動(dòng)態(tài)噪聲的方差陣補(bǔ)償法對(duì)卡爾曼濾波中的 誤差協(xié)方差矩陣進(jìn)行動(dòng)態(tài)修正。
[0011] 所述步驟一中，定深平面運(yùn)動(dòng)包括固定垂直舵角運(yùn)動(dòng)和Sin正弦緩慢打舵運(yùn)動(dòng)；
[0012]所述垂直面運(yùn)動(dòng)包括固定水平舵角運(yùn)動(dòng)和正弦緩慢打舵運(yùn)動(dòng)。
[0013] 所述步驟二為:對(duì)采集的觀(guān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行降噪平滑;對(duì)降噪平滑后的觀(guān)測(cè)數(shù)據(jù)用方 差補(bǔ)償卡爾曼進(jìn)行初步辨識(shí)，獲得初步辨識(shí)的參數(shù)值。
[0014] 所述步驟二中，對(duì)采集的觀(guān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行降噪平滑的方法為:對(duì)采集的觀(guān)測(cè)數(shù)據(jù)使 用小波算法進(jìn)行降噪和3次插值擬合平滑數(shù)據(jù)除去野值，獲得降噪平滑后的觀(guān)測(cè)數(shù)據(jù)。
[0015] 步驟四中，驗(yàn)證步驟三獲得的水動(dòng)力參數(shù)的準(zhǔn)確性的方法為通過(guò)旋轉(zhuǎn)半徑偏差率 α、螺距偏差率β和旋轉(zhuǎn)圈數(shù)偏差率γ驗(yàn)證水動(dòng)力參數(shù)的準(zhǔn)確性，具體為：
[0016] ? = &!，!?為UUV實(shí)航的半徑，f為仿真運(yùn)動(dòng)的旋轉(zhuǎn)半徑，α用于衡量水動(dòng)力參數(shù) R 中旋轉(zhuǎn)半徑的準(zhǔn)確性，α越小準(zhǔn)確性越高，判定α準(zhǔn)確的取值范圍為[0,0. 5];
[0017] 0 = ^為仿真運(yùn)動(dòng)中UUV垂直面運(yùn)動(dòng)高度值，H為實(shí)航高度值，β用于衡量水 η 動(dòng)力參數(shù)中每圈下潛高度的準(zhǔn)確性，β越小準(zhǔn)確性越高，判定β準(zhǔn)確的取值范圍為[0，0. 5];
[0018] 為仿真運(yùn)動(dòng)中螺旋下潛或螺旋上升運(yùn)動(dòng)旋轉(zhuǎn)圈數(shù)，η為實(shí)航旋轉(zhuǎn)圈數(shù)， η γ用于衡量水動(dòng)力參數(shù)中UUV平面運(yùn)動(dòng)旋轉(zhuǎn)角速度的準(zhǔn)確性，γ越小準(zhǔn)確性越高，判定γ準(zhǔn) 確的取值范圍為[0,0.5]。
[0019] 本發(fā)明的有益效果在于，本發(fā)明的方差補(bǔ)償卡爾曼具有辨識(shí)快速收斂性、平穩(wěn)及 對(duì)噪聲自適應(yīng)的優(yōu)點(diǎn)，限定記憶最小二乘法具有辨識(shí)準(zhǔn)確、消除數(shù)據(jù)飽和現(xiàn)象的優(yōu)點(diǎn)，因而 使用兩種方法對(duì)UUV水動(dòng)力參數(shù)進(jìn)行組合辨識(shí)。與傳統(tǒng)單一辨識(shí)方法相比此種組合辨識(shí)不 僅提高了辨識(shí)的準(zhǔn)確度，同時(shí)也提高了收斂速度，消除了數(shù)據(jù)飽和現(xiàn)象，對(duì)于不平滑的觀(guān)測(cè) 數(shù)據(jù)辨識(shí)具有較好的魯棒性。
【附圖說(shuō)明】
[0020] 圖I UUV的大地固定坐標(biāo)系與UUV運(yùn)動(dòng)坐標(biāo)系的原理示意圖。
[0021 ]圖2【具體實(shí)施方式】中步驟二的原理示意圖。
[0022]圖3【具體實(shí)施方式】中步驟二和步驟三的原理示意圖。
[0023]圖4 UUV在定深平面，Sin正弦慢打舵運(yùn)動(dòng)的原理示意圖。
[0024] 圖5 UUV在垂直面，Sin正弦慢打舵運(yùn)動(dòng)的原理示意圖。
[0025]圖6螺旋下潛運(yùn)動(dòng)的驗(yàn)證原理示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0026] 結(jié)合圖1至圖6說(shuō)明本實(shí)施方式，本實(shí)施方式所述的基于方差補(bǔ)償卡爾曼與限定記 憶最小二乘對(duì)UUV水動(dòng)力參數(shù)的組合辨識(shí)方法，包括如下步驟：
[0027] 步驟一 :UUV運(yùn)動(dòng)涉及到六個(gè)自由度，為了方便辨識(shí)把其運(yùn)動(dòng)分為定深平面和垂直 面各三個(gè)自由度，并根據(jù)推導(dǎo)的運(yùn)動(dòng)方程來(lái)確定出要采集的觀(guān)測(cè)數(shù)據(jù)，進(jìn)而確定需要辨識(shí) 方程中水動(dòng)力參數(shù)ar"a5br"b7cr"C9。
[0028]
[0029]
[0030]
[0031]
[0032]
[0033]
[0034]
[0035]
[0036]
[0037]
[0038] 根據(jù)圖1中大地固定坐標(biāo)系與UUV運(yùn)動(dòng)坐標(biāo)系圖示可知：
[0039]其中，N為轉(zhuǎn)艏力矩(N · m)，X為水動(dòng)力在X軸分量(N)，m為UUV質(zhì)量(kg)，Y為水動(dòng)力 在y軸分量(N)，P為水密度(kg/m3)，L為UUV艇長(zhǎng)(m) Jr為垂直舵角(rad)，u為速度在X軸分量 (m · S^1)，v為速度在y軸分量(m · S^1)，r為繞z軸角速度(rad · S^1)，Yf為等式部分值(N)， Xprcip為推進(jìn)器推力(N) 對(duì)?的導(dǎo)數(shù)(N · πΓ1 · s)轉(zhuǎn)艏力矩對(duì)/導(dǎo)數(shù)(N · S2)，匕為Y 對(duì)f的導(dǎo)數(shù)(N · πΓ1 · s)，Iz為繞z軸轉(zhuǎn)動(dòng)慣量(kg · m2)，yc為重心在y軸坐標(biāo)(m);
[0040] X**代表X軸受力對(duì)下標(biāo)參數(shù)的導(dǎo)數(shù)，Y**代表y軸受力對(duì)下標(biāo)參數(shù)的導(dǎo)數(shù)，N**代表z 軸受力矩對(duì)下標(biāo)參數(shù)的導(dǎo)數(shù)；
[0041] 定深平面運(yùn)動(dòng)方程中的&1~8513^七7(31~〇9是待辨識(shí)的水動(dòng)力參數(shù)，其他運(yùn)動(dòng)姿態(tài) 和軌跡位置的相關(guān)參數(shù)為UUV實(shí)航實(shí)驗(yàn)中需要觀(guān)測(cè)到的數(shù)據(jù)或根據(jù)觀(guān)測(cè)到的數(shù)據(jù)計(jì)算獲
得。
[0042] (F
[0043]
[0054] 根據(jù)圖1中大地固定坐標(biāo)系與UUV運(yùn)動(dòng)坐標(biāo)系圖示可知：[0055] w為速度在z軸方向分量(kn · JT1Kq為艇體下潛角速度(rad · JT1KIy為UUV繞z軸 轉(zhuǎn)動(dòng)慣量(kg · m2)，Z為水動(dòng)力在z軸分量(N)，M為水動(dòng)力矩在Y軸方向分量(N · m) 對(duì) 由的導(dǎo)數(shù)(N · πΓ1 · S2)%為M對(duì)4的導(dǎo)數(shù)(N · m · S2 · racT1)，Zf為Z軸方向受到部分力(N)，5S 為下潛舵角(rad);
[0044]
[0045]
[0046]
[0047]
[0048]
[0049]
[0050]
[0051]
[0052]
[0053]
[0056] Y**代表y軸受力對(duì)下標(biāo)參數(shù)的導(dǎo)數(shù)，N**代表z軸受力矩對(duì)下標(biāo)參數(shù)的導(dǎo)數(shù)；
[0057] 垂直面運(yùn)動(dòng)方程中的3廣_3513廣_1311(31"_(311是待辨識(shí)的水動(dòng)力參數(shù)，其他運(yùn)動(dòng)姿態(tài) 和軌跡位置的相關(guān)參數(shù)為UUV實(shí)航實(shí)驗(yàn)中需要觀(guān)測(cè)到的數(shù)據(jù)或根據(jù)觀(guān)測(cè)到的數(shù)據(jù)計(jì)算獲 得。
[0058] 步驟二:選擇空曠平穩(wěn)水域進(jìn)行UUV實(shí)航實(shí)驗(yàn)來(lái)采集運(yùn)動(dòng)姿態(tài)和軌跡位置。設(shè)定定 深平面和垂直面兩個(gè)平面的運(yùn)動(dòng)方式。在定深平面和垂直面都分別涉及到三個(gè)運(yùn)動(dòng)方程， 如步驟一中的。在定深平面包括固定垂直舵角運(yùn)動(dòng)和Sin正弦慢打舵運(yùn)動(dòng)，試驗(yàn)中可以設(shè)定 推力500牛固定舵角為10°和幅值10°的正弦慢打舵運(yùn)動(dòng)，如圖4所示。在垂直面包括推力500 牛固定水平舵角為5°和幅值7°的正弦慢打舵運(yùn)動(dòng)，如圖5所示。在試驗(yàn)中每隔固定時(shí)間采集 一次必要的姿態(tài)和位置數(shù)據(jù)，作為觀(guān)測(cè)數(shù)據(jù)，定深平面運(yùn)動(dòng)和垂直面運(yùn)動(dòng)各辨識(shí)出一組水 動(dòng)力參數(shù)，如圖2所示。
[0059] 步驟三:對(duì)采集的觀(guān)測(cè)數(shù)據(jù)使用小波算法進(jìn)行降噪和3次插值擬合平滑數(shù)據(jù)除去 野值;對(duì)降噪平滑后的觀(guān)測(cè)數(shù)據(jù)用方差補(bǔ)償卡爾曼進(jìn)行初步辨識(shí)，獲得初步辨識(shí)的參數(shù)值， 如圖3所示。
[0060] 方差補(bǔ)償擴(kuò)展卡爾曼濾波算法是針對(duì)傳統(tǒng)擴(kuò)展卡爾曼的改進(jìn)，提出用動(dòng)態(tài)噪聲的 方差陣補(bǔ)償法對(duì)卡爾曼濾波中的誤差協(xié)方差矩陣進(jìn)行修正，它避免了在濾波中因動(dòng)態(tài)噪聲 不準(zhǔn)或不容易確定而導(dǎo)致濾波發(fā)散的現(xiàn)象。
[0061]傳統(tǒng)卡爾曼計(jì)算方法如下，方差補(bǔ)償擴(kuò)展卡爾曼是把待辨識(shí)參數(shù)擴(kuò)展到狀態(tài)變量 中，
[0062] Ifew = 向量預(yù)測(cè)值；
[0063]巧,,卜,二+I總-對(duì)―丨狀態(tài)向量預(yù)測(cè)方差；
[0064] Q1^1為動(dòng)態(tài)噪聲方差；
[0065] 尤=尤, +々(A -巧名狀態(tài)向量估計(jì)值；
[0066] Pk= (I-JkHk) Pk/k-i狀態(tài)向量估計(jì)值方差矩陣；
[0067] Λ 蹲+4)-I為濾波增益矩陣，取為觀(guān)測(cè)噪聲方差矩陣；
[0068] 在根據(jù)上述遞推公式進(jìn)行卡爾曼濾波計(jì)算時(shí)需要確定動(dòng)態(tài)系統(tǒng)的初始狀態(tài)向量 I0和方差矩陣4,并假設(shè)初始狀態(tài)向量具有統(tǒng)計(jì)特性= =丨々〃 ·(〇，
[0069] 且I。與動(dòng)態(tài)噪聲Wk和觀(guān)測(cè)噪聲Vk不相關(guān)。對(duì)于常線(xiàn)性系統(tǒng)，則有Fk/k-i = F，Hk = H， 即它們都是常數(shù)矩陣;如果動(dòng)態(tài)噪聲和觀(guān)測(cè)噪聲都是平穩(wěn)隨機(jī)序列，則Qk、Rk都是常數(shù)矩陣。 在這種情況下，常增益的卡爾曼濾波是漸進(jìn)穩(wěn)定的。
[0070] 假設(shè)動(dòng)態(tài)噪聲Wk和觀(guān)測(cè)噪聲Vk為正態(tài)序列，為正態(tài)向量。定義1步預(yù)測(cè)差值為
有
[0074]
[0072][0073] 假定Qk+1-i在觀(guān)測(cè)時(shí)間段tk+1，tk+2，…，t k+N上為常值對(duì)角陣，即
[0075] 其中，nk+i為零均值隨 機(jī)變量，l = l，2，…，N。于是f丨!h,J^+,=?r[^S^H).] + %h?可以寫(xiě)為Ek+l=Ak/ldiagQ+ηk+l，
[0076] 則有E=AdiagQ+ri。
[0077]上式為關(guān)于diagQ的線(xiàn)性方程組。當(dāng)N2 r時(shí)有唯一解。記diagQ的最小二乘估計(jì)為 = 對(duì)于N步以后的估計(jì)可用遞推算法。記圪= OfW1
[0078]
[0079]
[0080] 上述狀態(tài)向量估計(jì)值尤二?Μ)是每次運(yùn)算得到的辨識(shí)結(jié)果， 即：在定深平面運(yùn)動(dòng)中初步辨識(shí)出的水動(dòng)力參數(shù)值jtj ::= 1??…..:.?}或在垂直 面運(yùn)動(dòng)中初步辨識(shí)出水動(dòng)力參數(shù)值二…義/^ ···/>" C1
[0081 ]步驟四：把步驟三中獲得初步辨識(shí)的參數(shù)值作為限定記憶最小二乘法的初值，對(duì) 觀(guān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行二次辨識(shí)，獲得水動(dòng)力參數(shù)，如圖3所示。限定記憶最小二乘法是為了防止在 辨識(shí)過(guò)程中出現(xiàn)數(shù)據(jù)飽和現(xiàn)象而對(duì)傳統(tǒng)最小二乘進(jìn)行的改進(jìn)，它設(shè)定了一個(gè)數(shù)據(jù)窗，窗口 大小根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的平穩(wěn)性進(jìn)行設(shè)定，在數(shù)據(jù)更新的同時(shí)削弱老舊數(shù)據(jù)的影響。
[0082]限定記憶法推到公式如下：
[0083] 第一組：
[0084]
[0085]
[0086]
[0087]
[0088]
[0089]
[0090]
[0091 ] ?+ΛΓ?為第i+Ι次迭代獲得的水動(dòng)力參數(shù)，當(dāng)i =0時(shí)的^ 為步驟三中獲得初步辨識(shí) 的參數(shù)值；K1 + N,1 + 1為i + Ι次迭代時(shí)的增益矩陣；yi表示線(xiàn)性方程觀(guān)測(cè)值矩陣；矩陣 =爐/供表示線(xiàn)性方程轉(zhuǎn)移矩陣，i表示迭代的次數(shù)，i的最大取值表示數(shù)據(jù)窗的寬 度，N為記憶數(shù)據(jù)串口長(zhǎng)度，I表示單位矩陣。
[0092]第一組用來(lái)增加數(shù)據(jù)信息，后第二組則用于去掉老數(shù)據(jù)的信息；這樣數(shù)據(jù)更新時(shí) 始終保持著固定不變的數(shù)據(jù)的長(zhǎng)度，以防止老數(shù)據(jù)的信息淹沒(méi)了新的數(shù)據(jù)的信息。辨識(shí)算 法就是在迭代中將第一組和第二組交替使用，來(lái)對(duì)水動(dòng)力參數(shù)進(jìn)行估計(jì)的，獲得水動(dòng)力參 數(shù)I
[0093]步驟五:整理辨識(shí)的參數(shù)結(jié)果，對(duì)于涉及轉(zhuǎn)角速度和舵角的參數(shù)要著重考慮Sin正 弦慢舵角運(yùn)動(dòng)的辨識(shí)結(jié)果。
[0094 ]根據(jù)獲得的UU V水動(dòng)力參數(shù)，進(jìn)行螺旋下潛或螺旋上升仿真運(yùn)動(dòng)，獲得的軌跡與 UUV實(shí)航軌跡對(duì)比，螺旋下潛運(yùn)動(dòng)的驗(yàn)證原理示意圖如圖6所示，驗(yàn)證步驟三獲得的水動(dòng)力 參數(shù)的準(zhǔn)確性，驗(yàn)證為準(zhǔn)確的作為最終的UUV水動(dòng)力參數(shù)。在螺旋運(yùn)動(dòng)中涉及到的其他部分 水動(dòng)力參數(shù)一般對(duì)UUV整體運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)影響較小，可以根據(jù)水動(dòng)力參數(shù)敏感性指數(shù)適當(dāng)取舍。
[0095] 驗(yàn)證步驟三獲得的水動(dòng)力參數(shù)的準(zhǔn)確性的方法為通過(guò)旋轉(zhuǎn)半徑偏差率α、螺距偏 差率β和旋轉(zhuǎn)圈數(shù)η偏差率γ驗(yàn)證水動(dòng)力參數(shù)的準(zhǔn)確性，具體為：
[0096] (6 = ，R為UUV實(shí)航的半徑，f為仿真運(yùn)動(dòng)的旋轉(zhuǎn)半徑，α用于衡量水動(dòng)力參數(shù) R 中旋轉(zhuǎn)半徑的準(zhǔn)確性，α越小準(zhǔn)確性越高，判定α準(zhǔn)確的取值范圍為[0，0. 5 ];
[0097] 當(dāng)f = R則a = 0，代表我測(cè)的水動(dòng)力參數(shù)和真實(shí)值相同。因此f越接近R，測(cè)的參數(shù) 和真值間誤差越小，a越趨近于0準(zhǔn)確性越高。當(dāng)f = 1.5R，a = 0.5，此時(shí)f >1.5R測(cè)量結(jié)果不 可用，可以定義為測(cè)量錯(cuò)誤。
[0098] # = 為仿真運(yùn)動(dòng)中UUV垂直面運(yùn)動(dòng)高度值，H為實(shí)航高度值，β用于衡量水 h 動(dòng)力參數(shù)中每圈下潛高度的準(zhǔn)確性，β越小準(zhǔn)確性越高，判定β準(zhǔn)確的取值范圍為[0，0. 5];
[0099] 為仿真運(yùn)動(dòng)中螺旋下潛或螺旋上升運(yùn)動(dòng)旋轉(zhuǎn)圈數(shù)，η為實(shí)航旋轉(zhuǎn)圈數(shù)， η γ用于衡量水動(dòng)力參數(shù)中UUV平面運(yùn)動(dòng)旋轉(zhuǎn)角速度的準(zhǔn)確性，γ越小準(zhǔn)確性越高，判定γ準(zhǔn) 確的取值范圍為[0,0.5]。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種基于方差補(bǔ)償卡爾曼與限定記憶最小二乘對(duì)uuv水動(dòng)力參數(shù)的組合辨識(shí)方法， 其特征在于，所述方法包括如下步驟： 步驟一:UUV進(jìn)行定深平面運(yùn)動(dòng)和垂直面運(yùn)動(dòng)，采集觀(guān)測(cè)數(shù)據(jù)； 步驟二:對(duì)采集的觀(guān)測(cè)數(shù)據(jù)用方差補(bǔ)償卡爾曼進(jìn)行初步辨識(shí)，獲得初步辨識(shí)的參數(shù)值； 步驟Ξ:初步獲得辨識(shí)的參數(shù)值作為限定記憶最小二乘法的初始值，對(duì)采集的觀(guān)測(cè)數(shù) 據(jù)，進(jìn)行二次辨識(shí)，獲得UUV水動(dòng)力參數(shù)； 步驟四：根據(jù)獲得的UUV水動(dòng)力參數(shù)，進(jìn)行螺旋下潛或螺旋上升仿真運(yùn)動(dòng)，獲得的軌跡 與UUV實(shí)航軌跡對(duì)比，驗(yàn)證步驟Ξ獲得的水動(dòng)力參數(shù)的準(zhǔn)確性，驗(yàn)證為準(zhǔn)確的作為最終的 UUV水動(dòng)力參數(shù)。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于方差補(bǔ)償卡爾曼與限定記憶最小二乘對(duì)UUV水動(dòng)力參數(shù) 的組合辨識(shí)方法，其特征在于，所述步驟二中，方差補(bǔ)償卡爾曼為用動(dòng)態(tài)噪聲的方差陣補(bǔ)償 法對(duì)卡爾曼濾波中的誤差協(xié)方差矩陣進(jìn)行動(dòng)態(tài)修正。3. 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的基于方差補(bǔ)償卡爾曼與限定記憶最小二乘對(duì)UUV水動(dòng)力參 數(shù)的組合辨識(shí)方法，其特征在于，所述步驟一中，定深平面運(yùn)動(dòng)包括固定垂直艙角運(yùn)動(dòng)和 Sin正弦緩慢打艙運(yùn)動(dòng)； 所述垂直面運(yùn)動(dòng)包括固定水平艙角運(yùn)動(dòng)和正弦緩慢打艙運(yùn)動(dòng)。4. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的基于方差補(bǔ)償卡爾曼與限定記憶最小二乘對(duì)UUV水動(dòng)力參數(shù) 的組合辨識(shí)方法，其特征在于，所述步驟二為:對(duì)采集的觀(guān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行降噪平滑;對(duì)降噪平 滑后的觀(guān)測(cè)數(shù)據(jù)用方差補(bǔ)償卡爾曼進(jìn)行初步辨識(shí)，獲得初步辨識(shí)的參數(shù)值。5. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的基于方差補(bǔ)償卡爾曼與限定記憶最小二乘對(duì)UUV水動(dòng)力參數(shù) 的組合辨識(shí)方法，其特征在于，所述步驟二中，對(duì)采集的觀(guān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行降噪平滑的方法為： 對(duì)采集的觀(guān)測(cè)數(shù)據(jù)使用小波算法進(jìn)行降噪和3次插值擬合平滑數(shù)據(jù)除去野值，獲得降噪平 滑后的觀(guān)測(cè)數(shù)據(jù)。6. 根據(jù)權(quán)利要求5所述的基于方差補(bǔ)償卡爾曼與限定記憶最小二乘對(duì)UUV水動(dòng)力參數(shù) 的組合辨識(shí)方法，其特征在于，步驟四中，驗(yàn)證步驟Ξ獲得的水動(dòng)力參數(shù)的準(zhǔn)確性的方法為 通過(guò)旋轉(zhuǎn)半徑偏差率α、螺距偏差率β和旋轉(zhuǎn)圈數(shù)偏差率γ驗(yàn)證水動(dòng)力參數(shù)的準(zhǔn)確性，具體 為：R為UUV實(shí)航的半徑，r為仿真運(yùn)動(dòng)的旋轉(zhuǎn)半徑，α用于衡量水動(dòng)力參數(shù)中旋 轉(zhuǎn)半徑的準(zhǔn)確性，α越小準(zhǔn)確性越高，判定α準(zhǔn)確的取值范圍為[0，0.5 ];Η/為仿真運(yùn)動(dòng)中UUV垂直面運(yùn)動(dòng)高度值，Η為實(shí)航高度值，β用于衡量水動(dòng)力 參數(shù)中每圈下潛高度的準(zhǔn)確性，β越小準(zhǔn)確性越高，判定扮隹確的取值范圍為[0,0.5];η/為仿真運(yùn)動(dòng)中UUV螺旋下潛或螺旋上升旋轉(zhuǎn)圈數(shù)，η為實(shí)航旋轉(zhuǎn)圈數(shù)，丫用于 衡量水動(dòng)力參數(shù)中UUV平面運(yùn)動(dòng)旋轉(zhuǎn)角速度的準(zhǔn)確性，γ越小準(zhǔn)確性越高，判定γ準(zhǔn)確的取 值范圍為[0,0.5]。
【文檔編號(hào)】G06F17/50GK105843983SQ201610141653
【公開(kāi)日】2016年8月10日
【申請(qǐng)日】2016年3月14日
【發(fā)明人】張偉, 張吉楠, 滕彥斌, 孫希勛, 高立峰, 李娟 , 嚴(yán)浙平
【申請(qǐng)人】哈爾濱工程大學(xué)