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基于切换系统的无人艇故障估计观测器方法研究

摘要

无人艇技术近年来取得了飞速的发展，其在海洋作业中的广泛应用展现了巨

大的潜力。然而，这种广泛应用也伴随着一些问题。无人艇在执行任务时，高度

依赖于传感器与执行器的集成。这种高度集成化在带来便利的同时，也增加了执

行器与传感器出现故障的风险。当无人艇系统中的传感器或执行器出现故障时，

系统的稳定性将受到严重影响，甚至可能引发系统失控，对海洋安全构成严重威

胁。因此，如何确保无人艇系统的稳定运行，成为了一个亟待解决的问题。为了

应对这一挑战，本文专门针对质量切换无人艇系统进行了深入的研究，并设计了

一套切实可行的故障估计观测器方法。旨在解决当前质量切换无人艇系统中频繁

出现的传感器与执行器故障问题，从而增强系统的稳定性。论文的工作如下：

针对无人艇系统进行数学建模，并在六自由度的基础上简化成三自由度运动

模型，然后将切换系统结合低速无人艇情况下的三自由度运动模型，得到我们最

终所需的质量切换无人海洋航行器的纵荡-横荡-艏摇系统。

为了解决多故障以及外部扰动存在情况下的平均驻留时间切换无人艇系统

的故障估计问题，将状态变量与传感器故障增广形成一个新的状态变量，针对所

提出的增广系统，我们设计了一种新型的自适应观测器，用于进行故障估计。这

一观测器具有高度的灵活性和适应性，能够准确捕捉并估计系统中的各种故障，

同时保证了切换系统的稳定性。通过这一方法，我们成功实现了在多故障复杂故

障环境下的故障估计问题。最后，针对所建立的质量切换无人艇系统进行仿真分

析，验证了所提出方法的可靠性。

为了解决传感器故障以及外部扰动存在情况下的持续驻留时间切换无人艇

系统的故障估计问题，利用坐标变化将传感器故障与扰动解耦到两个不同的子系

统，然后为了实现对故障的准确估计，我们采用了两个独立的自适应观测器。这

些观测器能够根据系统的实时状态，对传感器故障进行精准识别和估计。此外，

针对线性变换可能导致的切换系统不连续问题，我们进行了深入的稳定性分析，

并证明了切换系统的稳定性。通过这一方法，成功实现了在持续驻留切换信号下

的故障估计问题。最后，为了验证所提方法的可靠性，我们利用质量切换无人艇

进行了仿真实验。

针对上述的算法，使用PyQt5搭建了一套故障估计软件。该系统集成了无人

艇故障估计算法以及可视化平台，旨在通过高度集成化的方式提升无人艇的故障

哈尔滨工程大学硕士学位论文

监测与处理能力。首先故障估计算法软件中利用TCP并利用多线程保证了数据

通信的高效性；通过使用python语言交互式调用matlab程序实现了对第三章、

四章故障估计算法的故障重构；通过MySQL数据库实现了对运动、估计状态数

据的存储。可视化平台中通过网络摄像头的RTSP视频流地址获取实时视频流；

以及通过观测器状态估计的值使用图的形式直观的展示出来，并且使用高德地图

实现了经纬度以及轨迹路线的展示，进而充分有效验证该算法的故障估计性能。

关键词：故障估计；切换系统；无人艇系统；自适应观测器

基于切换系统的无人艇故障估计观测器方法研究

Abstract

Unmannedsurfacevehiclehasmaderapiddevelopmentinrecentyears,andits

widespreadapplicationinmarineoperationshasshownenormouspotential.

Nevertheless,thiswidespreadadoptionalsopresentscertainchallenges.Theseamless

integrationofsensorsandactuatorsiscrucialforunmannedsurfacevehicletoexecute

theirmissionseffectively.Whilethisintegrationofferssignificantconvenience,italso

elevatesth