无线网络环境下含乘性噪声多速率系统的状态估计和故障估计研究及应用

This project aims to solve the state estimation and fault estimation problems for multi-rate systems with multiplicative noises and time-varying delay under the wireless networks environment. Firstly, the model is intended to build for solving the smoothing, filtering and robust filtering problem for the multi-rate system with multiplicative noises and time-varying delay. Secondly, the proposed optimal smoothing and Kalman filtering methods are employed to estimate the statistical characteristics of the innovation of the process states and faults, based on which the faults are detected and the amplitudes of the faults are calculated. Thirdly, the above study is expanded to the multi-rate systems under the wireless networks environment, and the uncertainties caused by the unknown quantization errors, transmission random delay and induced delay and packet dropout rates are considered. The state estimation and faults detection of the multi-rate systems with multiplicative noises and time-varying delay under the wireless networks environment are emphatically studied. Finally, the related research productions are applied to the networks platform of the mobile robots, and the verification results are used to revise and perfect the proposed theory and methods..The study of this subject can be used to build the preliminary theory of the state estimation and the faults estimation for the multi-rate system under the wireless network environment, and further to perfect and develop the system of estimation theory about the wireless network with multiplicative noise, time-varying delay and uncertainly complex dynamics. This project is greatly meaningful to the theoretical research and has guiding significance to the industrial production and military security.

本项目拟针对无线网络环境下含乘性噪声多速率系统状态估计和故障估计进行研究。首先建立系统模型，解决含乘性噪声的时变观测时滞系统的最优平滑、Kalman滤波和鲁棒Kalman滤波问题；其次，基于上述算法估计系统状态和故障新息的统计数字特征，然后对系统故障进行检测，并估计故障的幅值；再次，将上述研究扩展到无线网络环境下，考虑网络数据传输过程中的量化误差、诱导时延、随机滞后和数据丢包等不确定性，重点研究无线环境下含乘性噪声的时变观测时滞多速率系统的状态估计和故障估计问题；最后将取得的相关研究成果应用于复杂环境下探测机器人网络平台，进而修正和完善所提理论和方法。.本课题的研究可以初步建立无线网络多速率系统状态估计和故障估计理论，进一步完善和发展无线网络存在乘性噪声、时变观测时滞、不确定性复杂动态时的估计理论体系，具有重要的理论研究价值，而且将对我国工业和军事领域的应用有着重要的实际指导意义。

无线网络在军民各领域均有广泛应用，但乘性噪声、传输时滞、系统的动态变化等的存在使无线网络的状态估计和故障检测成为难题。本项目针对该难题开展了系列研究，取得了一定的理论和应用成果：研究了具有丢包、测量时滞和输入时滞的无线网络的最优控制和镇定问题，得到了有限时间最优控制问题的充要条件，给出了镇定问题的充要条件；在此基础上，研究了具有多时滞和丢包的无线网络的最优线性二次高斯控制问题，在引入随机极大值原理和耦合黎卡提方程的基础上，得到了具有多重输入时滞和丢包的线性二次高斯系统的状态与伴随状态之间的非齐次关系，即正倒向随机差分方程的解；提出了基于动态时间弯曲和新息重组的多速率系统采样速率归一化方法和状态估计方法；研究了时变非线性系统的故障估计、重构和容错控制，提出了一种神经网络参数权值自适应更新策略，将李雅普诺夫函数理论(LFT)应用于多层神经网络(MLNN)的学习参数权值的自适应更新中，提高了无线网络故障检测的有效性。另外，本项目还将无线网络的状态估计和故障检测理论用于实际场景，将相关模型和理论应用于四旋翼飞行器的高精度和快速的故障检测、基于无线传感网络和信道状态信息（CSI）实现人体姿态识别、利用无线传感网络实现室内目标的的位置估计和协同感知等。.本项目研究完善了无线网络在存在乘性噪声、时滞及复杂动态时的估计理论，拓展了无线网络在复杂环境下的故障检测理论，具有重要的理论意义，且对于工业和军事领域中无线网络的应用具有实际指导价值。.项目期内，共发表学术论文25篇，其中，SCI检索论文20篇，EI检索论文5篇。授权发明专利24项，申请发明专利18项，专利成果转化3项。获省部级、协会级科研教研奖励4项，获山东省高等学校青创人才引育计划建设团队带头人、青岛西海岸新区第三批优秀青年人才荣誉称号。培养硕士毕业研究生22人，在站博士后3人（含海外博士后1人），在读博士2人，在读硕士29人。指导学生获省优秀硕士学位论文2篇、省研究生优秀成果奖5项。项目成员新获批国家自然科学基金面上项目和青年项目4项，山东省自然科学基金面上及青年项目4项，青岛西海岸新区科技计划及横向课题等8项，项目金额超400万元。