[发明专利]基于时延补偿的无模型船体变形测量方法

摘要

基于时延补偿的无模型船体变形测量方法，涉及船体变形测量领域。提供一种在没有变形角先验模型的情况下能够实时快速地估算舰船变形角，并对数据之间存在的时间延迟进行估计和补偿的基于时延补偿的无模型船体变形测量方法。在舰船中心惯导系统附近和舰载设备附近安装两套激光陀螺系统，根据安装点处的姿态信息构建形变滤波观测量，基于四元数姿态矩阵通过引入时间延迟量推导出理想姿态矩阵与实际姿态矩阵之间的数学关系，并将时延量扩展到系统状态变量中，利用神经网络对舰船变形角进行估计，将神经网络的连接权系数扩展到系统状态变量中，利用非线性滤波器对构建的系统状态方程和观测方程进行求解，估算出舰船变形角及时延大小。

主权项

1.基于时延补偿的无模型船体变形测量方法，其特征在于包括以下步骤：1)将两套三轴激光陀螺第一套三轴激光陀螺LGU1和第二套三轴激光陀螺LGU2分别安装在舰船的中心惯导附近和舰载设备附近，第一套三轴激光陀螺LGU1的三个敏感轴命名为xyz，第二套三轴激光陀螺LGU2的三个敏感轴命名为x’y’z’，oy、oy’轴沿舰船的纵轴，oz、oz’轴与甲板平面垂直并指向上方，ox、ox’轴分别与其他两个轴构成右手正交坐标系；2)第一套三轴激光陀螺LGU1和第二套三轴激光陀螺LGU2所使用的惯性坐标系分别取为各自在初始时刻对应的载体坐标系，利用两套陀螺输出的角速率信息相对于各自的惯性空间对姿态矩阵C₁、C₂进行更新，记C₁、C₂为：3)在实际运行环境中两套LGU输出的角速率信息并不同步，设定第一套三轴激光陀螺LGU1不存在时间延迟，第二套三轴激光陀螺LGU2存在时间延迟Δt，将第二套三轴激光陀螺LGU2理想的姿态阵C₂(q(t))在时间t‑Δt处泰勒展开，若只保留前两项，则有：上式即为第二套三轴激光陀螺LGU2理想姿态矩阵与实际姿态矩阵之间的近似关系，其中q＝[q₁,q₂,q₃,q₄]^T为旋转四元数，式中T为采样时间，q_i,k为q_i第k次采样值，q_i,k‑1为q_i第k‑1次采样值，i＝1,2,3,4；表达为：4)建立激光陀螺常值漂移和随机漂移模型第一套三轴激光陀螺LGU1常值漂移：第一套三轴激光陀螺LGU1随机漂移：第二套三轴激光陀螺LGU2常值漂移：第二套三轴激光陀螺LGU2随机漂移：其中ε₀、ε′₀分别为第一套三轴激光陀螺LGU1和第二套三轴激光陀螺LGU2的陀螺常值漂移，ε_r、ε′_r分别为第一套三轴激光陀螺LGU1和第二套三轴激光陀螺LGU2的陀螺随机漂移，μ_i为陀螺随机漂移的一阶马尔科夫系数，σ_i为陀螺漂移的均方差，w(t)为白噪声；5)构建系统状态方程：系统状态向量选取为：其中，为t₀时刻的变形角，θ_i、θ′_i为第一套三轴激光陀螺LGU1和第二套三轴激光陀螺LGU2的陀螺对应的真实惯性系与计算惯性系之间的误差角，Δt为时间延迟；基于上述方程，将状态方程写为矩阵形式：6)构建系统观测方程：系统观测向量选取为：记：则系统的观测方程表达为：Z＝h(X)+g(Z,W)+v(t)其中，为方便计算，忽略h(X)中的二阶小量采用公式为包含变形角的神经网络函数，Z为神经网络的输入，W为神经网络的连接权系数，Z‑h(X)为神经网络的目标输出，因此，只要计算出g(Z,W)，即计算出变形角v(t)为量测噪声；7)扩展状态变量：将系统状态变量X和神经网络连接权系数W联合起来形成新的状态变量并认为W是时不变的，对于两层参数神经网络，连接权系数W包含输入系数W^r、输入阈值b^r、输出系数W^c及输出阈值b^c四个部分，即：W＝[W^r,b^r,W^c,b^c]^T,其中：l为中间层神经元个数对状态方程离散化得到：X_k+1＝f(X_k)+G·w_k扩展状态变量后的状态方程为：其中n_w为连接权系数W的维数；扩展状态变量后的系统状态方程和观测方程离散化为：8)利用非线性滤波器对上述问题进行求解，实时估计状态变量根据公式计算出变形角