CN112859910A - 考虑隐私保护的无人机编队事件触发一致性控制方法及系统 - Google Patents
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Abstract
本公开提供了一种考虑隐私保护的无人机编队事件触发一致性控制方法及系统，所述方案包括：构建多无人机系统的线性系统模型；根据所述动力学模型，以节约网络资源为目的确立事件触发函数；在邻接无人机间进行状态信息交互前，利用噪声对所述状态信息进行加密，保护其初始状态的隐私不被信息泄露，实现了隐私保护；构建一致性控制协议，各无人机基于自身当前触发时刻的状态信息和来自邻接无人机的状态信息，在触发预设时间间隔内执行所述一致性控制协议，实现无人机编队事件触发的一致性控制；通过引入事件触发通信机制，事件触发通信只发生在离散时间的瞬间，使得各无人机只在必要时选择与邻居通信，解决了通信成本问题。
Description
技术领域
本公开属于无人机编队控制技术领域，尤其涉及一种考虑隐私保护的无人机编队事件触发一致性控制方法及系统。
背景技术
本部分的陈述仅仅是提供了与本公开相关的背景技术信息，不必然构成在先技术。
近年来，随着无人机编队在民用领域和军事战略中起着越来越重要的作用，人们对无人机编队进行了广泛研究。无人机编队即多架无人机为适应任务要求而进行的某种队形排列和任务分配的组织模式，相较于单架无人机，多无人机组成编队协同作业，在任务执行效率、载重量等方面具有更大的优势。无人机编队一致性控制的主要目标是各无人机仅利用相邻无人机的信息制定适当的控制协议，使整个多无人机系统达到预期的状态协议。
发明人发现，无人机编队一致性算法要求各无人机与其邻居共享它们各自的状态，在某些情况下，甚至还包括它们的局部输入。这种隐私泄露可能是非常危险的，因为如果一些恶意攻击者能够侦听交换的消息，那么他们可以推断局部输入、个体状态、敏感响应，甚至网络的最终协议值。在这种情况下，隐私保护对无人机编队一致性研究提出了新的挑战。
在一致性控制中，信息传输是通过时间触发的通信机制来实现的，这导致了通信网络利用率的提高和计算资源的大量消耗。考虑到网络计算能力和通信能力的局限性，减少各无人机之间的通信频率具有重要意义。事件触发机制能够极大的节约网络的带宽和通讯资源，非常适用于大规模一致性编队控制。为此，将事件触发机制应用于无人机编队一致性控制势在必行。
发明内容
本公开为了解决上述问题，提供了一种考虑隐私保护的无人机编队事件触发一致性控制方法及系统，所述方案解决了多无人机系统的隐私保护编队一致性问题，使各无人机既能保护其初始状态的隐私不被信息泄露，又能提高整个系统的执行效率。
根据本公开实施例的第一个方面，提供了一种考虑隐私保护的无人机编队事件触发一致性控制方法，包括：
构建多无人机系统的线性系统模型；
根据所述动力学模型，以节约网络资源为目的确立事件触发函数；
在邻接无人机间进行状态信息交互前，利用噪声对所述状态信息进行加密；
构建一致性控制协议，各无人机基于自身当前触发时刻的状态信息和来自邻接无人机的状态信息，在触发预设时间间隔内执行所述一致性控制协议，实现无人机编队事件触发的一致性控制。
进一步的，所述构建多无人机系统的线性系统模型具体如下：
根据无人机之间的信息交互，确定多无人机系统的拓扑结构并将其动力学简化为一般线性系统模型：
其中，xi(t)和ui(t)分别表示第i个无人机的状态变量和控制输入，A为系统矩阵、B为控制矩阵。
进一步的，每个无人机连续监视自己的状态，并采用一种事件触发的通信机制来决定何时在网络上传输包含其当前状态的信息，定义ei(t)＝xi(tk，i)-xi(t)为状态误差，并设计事件触发条件如下：
当满足事件触发机制时，无人机将包含当前状态的信息传输至邻居。
进一步的，每个无人机在将自己的状态传递给邻居之前，加入相互独立的标准白噪声，以保护初始状态的隐私不受信息泄露的影响。
进一步的，加入标准白噪声的无人机信息表示为：
yji(t)＝xj(tk，j)+σjiηji(t)
其中，ηji(t)，
是相互独立的标准白噪声，σji＞是噪声强度。
进一步的，所述一致性控制协议具体表示为：
其中，a(t)：[0，∞)→[0，∞)是一个分段连续函数，aij是邻接矩阵
的第ij项，表示第i个无人机和第j个无人机之间的通信关系，当无人机i可以接受到无人机j的信息时，aij＝1，反之aij＝0，di(t)反映了各无人机直接的编队情况。
进一步的，所述事件触发通信只发生在离散时间的瞬间，使得各无人机只在必要时选择与邻居通信，即无人机在触发预设时间间隔内执行所述一致性控制协议。
根据本公开实施例的第二个方面，提供了一种考虑隐私保护的无人机编队触发一致性控制系统，包括：
模型构建单元，被配置为构建多无人机系统的线性系统模型；
事件触发函数构建单元，被配置为根据所述动力学模型，以节约网络资源为目的确立事件触发函数；
噪声加密单元，被配置为在邻接无人机间进行状态信息交互前，利用噪声对所述状态信息进行加密；
一致性控制单元，被配置为构建一致性控制协议，各无人机基于自身当前触发时刻的状态信息和来自邻接无人机的状态信息，在触发预设时间间隔内执行所述一致性控制协议，实现无人机编队事件触发的一致性控制。
根据本公开实施例的第三个方面，提供了一种电子设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述程序时实现所述的一种考虑隐私保护的无人机编队事件触发一致性控制方法。
根据本公开实施例的第四个方面，提供了一种非暂态计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该程序被处理器执行时实现所述的一种考虑隐私保护的无人机编队事件触发一致性控制方法。
与现有技术相比，本公开的有益效果是：
(1)本公开所述方案通过引入事件触发通信机制，各无人机可以通过选择适当的事件触发函数来调整通信采样间隔。当系统接近其稳定状态时，它也允许获得非常低的采样率。相比于时间触发通信，事件触发通信只发生在离散时间的瞬间，使得各无人机只在必要时选择与邻居通信，解决了通信成本问题。
(2)本公开所述方案，各无人机发送给邻居的信息是加入了相互独立的标准白噪声的状态信息，保护其初始状态的隐私不被信息泄露，实现了隐私保护。同时，各无人机可以均方收敛到所有初始状态的加权平均值和相应的编队距离之和，实现了编队一致性。
本公开附加方面的优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本公开的实践了解到。
附图说明
构成本公开一部分的说明书附图用来提供对本公开的进一步理解，本公开的示意性实施例及其说明用于解释本公开，并不构成对本公开的不当限定。
图1为本公开实施例一中所述的无人机编队事件触发一致性控制方法流程图；
图2为本公开实施例二中所述控制系统的拓扑结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图与实施例对本公开作进一步说明。
应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本公开提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本公开所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本公开的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
在不冲突的情况下，本公开中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。实施例一：
本实施例的目的是提供一种考虑隐私保护的无人机编队事件触发一致性控制方法。
一种考虑隐私保护的无人机编队事件触发一致性控制方法，包括：
构建多无人机系统的线性系统模型；
根据所述动力学模型，以节约网络资源为目的确立事件触发函数；
在邻接无人机间进行状态信息交互前，利用噪声对所述状态信息进行加密；
构建一致性控制协议，各无人机基于自身当前触发时刻的状态信息和来自邻接无人机的状态信息，在触发预设时间间隔内执行所述一致性控制协议，实现无人机编队事件触发的一致性控制。
其中，所述邻接无人机为该无人机的预设距离范围内的无人机。
具体的，如图1所示，所述一致性控制方法的详细步骤如下所示：
步骤1：建立多无人机系统的模型
在本公开中，考虑由N个相互连接的无人机组成的多无人机系统。每个无人机的动力学如下所示:
其中，i＝1，2，…，N；xi(t)表示智能体i的内部状态，ui(t)是要设计的控制输入；A、B为常数矩阵。
步骤2：设计相应的事件触发函数
根据系统(1)，各无人机的实时状态为xi(t)。定义ei(t)＝xi(tk，i)-xi(t)，其中xi(t)表示无人机i的当前状态，xi(tk，i)表示无人机i最近一次成功传输的采样数据。为了节约网络资源，设计如下的事件触发条件：
其中，tk，i和tk+1，i分别表示无人机i的当前触发时刻和下一个触发时刻；k＞0是一个常数，a(t)：[0，∞)→[0，∞)是一个分段连续函数，满足以下条件：
存在且为正，其中γ∈(0.5，1)。当满足触发条件时，触发时刻更新，当前状态成为新的触发时刻状态。若不满足事件触发条件，则不进行通信。
步骤3：设计隐私保护方案
在实际应用中，网络中的各无人机在与其他无人机协作完成联合任务时，可能不希望泄露其敏感信息(如初始状态或当前状态轨迹)。为了保护个体的隐私，每个无人机在将自己的状态传递给邻居无人机之前，加入相互独立的标准白噪声。以无人机i为例，其邻居无人机的集合为
定义ηji(t)，
为相互独立的标准白噪声，则第i个无人机收到的第j个无人机的信息为
yji(t)＝xj(tk,j)+σjiηji(t)
其中，σji＞0是噪声强度。
步骤4：设计一致性控制器
为了实现一致性目标，各无人机基于当前触发时刻的状态xi(tk，i)和来自邻居无人机的信息yji(t)，在触发间隔t∈[tk，i，tk+1，i)内执行以下控制律：
其中，aij是邻接矩阵
的第ij项，表示第i个智能体和第j个智能体之间的通信关系，当智能体i可以接收到智能体j的信息时，aij＝1，反之aij＝0。
进一步的，在本实施例中以5架加拿大Quanser公司的Qbal-X4四旋翼无人机组成的无人机编队为例，对本实施例所述方案作进一步说明。
首先为无人机建立通信网络，各无人机间的通信连接关系如图2所示，单向箭头表示无人机间通信是单向的，虚线表示是主机发出的信号，实线表示从机发出的信号。得到无人机系统的邻接矩阵为：
进一步地，对无人机的动力学进行建模。四旋翼无人机i沿X轴方向运动模型为：
其中，Mg为重量，vi为速度，
为速度导数，θ为偏航角，Fi为四旋翼推力。定义
其中Km为正增益，ωm为执行器带宽，ui为执行器控制输入。引入执行器动态变量
其动力学为
则无人机i的状态空间表达式为：
其中，状态变量si，vi，ki分别表示无人机i的x方向位移、x方向速度和执行器动态，俯仰角θ＝0.035rad。无人机参数分别为Km＝120，Mg＝1.4，ωm＝1.5，由此给定系统矩阵：
定义xi(t)＝[si(t) vi(t) ki(t)]T，则无人机i的动力学可以表示为
进一步地，各无人机根据所设计的事件触发机制确定何时将包含当前状态xi(tk，i)的信息传输至邻居智能体；同时，接收来自邻居智能体的信息yji(t)，根据无人机间的通信，执行以下一致性控制协议：
实施例二：
本实施例的目的是提供一种考虑隐私保护的无人机编队事件触发一致性控制系统。
一种考虑隐私保护的无人机编队事件触发一致性控制系统，包括：
模型构建单元，被配置为构建多无人机系统的线性系统模型；
事件触发函数构建单元，被配置为根据所述动力学模型，以节约网络资源为目的确立事件触发函数；
噪声加密单元，被配置为在邻接无人机间进行状态信息交互前，利用噪声对所述状态信息进行加密；
一致性控制单元，被配置为构建一致性控制协议，各无人机基于自身当前触发时刻的状态信息和来自邻接无人机的状态信息，在触发预设时间间隔内执行所述一致性控制协议，实现无人机编队事件触发的一致性控制。
实施例三：
本实施例的目的是提供一种电子设备。
一种电子设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上运行的计算机程序，其特征在于，所述处理器执行所述程序时实现所述的一种考虑隐私保护的无人机编队事件触发一致性控制方法，包括:
构建多无人机系统的线性系统模型；
根据所述动力学模型，以节约网络资源为目的确立事件触发函数；
在邻接无人机间进行状态信息交互前，利用噪声对所述状态信息进行加密；
构建一致性控制协议，各无人机基于自身当前触发时刻的状态信息和来自邻接无人机的状态信息，在触发预设时间间隔内执行所述一致性控制协议，实现无人机编队事件触发的一致性控制。
实施例四：
本实施例的目的是提供一种非暂态计算机可读存储介质。
一种非暂态计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，该程序被处理器执行时实现所述的一种考虑隐私保护的无人机编队事件触发一致性控制方法,包括：
构建多无人机系统的线性系统模型；
根据所述动力学模型，以节约网络资源为目的确立事件触发函数；
在邻接无人机间进行状态信息交互前，利用噪声对所述状态信息进行加密；
构建一致性控制协议，各无人机基于自身当前触发时刻的状态信息和来自邻接无人机的状态信息，在触发预设时间间隔内执行所述一致性控制协议，实现无人机编队事件触发的一致性控制。
上述实施例提供的一种考虑隐私保护的无人机编队事件触发一致性控制方法及系统可以实现，具有广阔的应用前景。
以上所述仅为本公开的优选实施例而已，并不用于限制本公开，对于本领域的技术人员来说，本公开可以有各种更改和变化。凡在本公开的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本公开的保护范围之内。
上述虽然结合附图对本公开的具体实施方式进行了描述，但并非对本公开保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本公开的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本公开的保护范围以内。
Claims (10)
1.一种考虑隐私保护的无人机编队事件触发一致性控制方法，其特征在于，包括：
构建多无人机系统的线性系统模型；
根据所述动力学模型，以节约网络资源为目的确立事件触发函数；
在邻接无人机间进行状态信息交互前，利用噪声对所述状态信息进行加密；
构建一致性控制协议，各无人机基于自身当前触发时刻的状态信息和来自邻接无人机的状态信息，在触发预设时间间隔内执行所述一致性控制协议，实现无人机编队事件触发的一致性控制。
2.如权利要求1所述的一种考虑隐私保护的无人机编队事件触发一致性控制方法，其特征在于，所述构建多无人机系统的线性系统模型具体如下：
根据无人机之间的信息交互，确定多无人机系统的拓扑结构并将其动力学简化为一般线性系统模型：
其中，xi(t)和ui(t)分别表示第i个无人机的状态变量和控制输入，A为系统矩阵、B为控制矩阵。
3.如权利要求1所述的一种考虑隐私保护的无人机编队事件触发一致性控制方法，其特征在于，每个无人机连续监视自己的状态，并采用一种事件触发的通信机制来决定何时在网络上传输包含其当前状态的信息，定义ei(t)＝xi(tk，i)-xi(t)为状态误差，并设计事件触发条件如下：
当满足事件触发机制时，无人机将包含当前状态的信息传输至邻居。
4.如权利要求1所述的一种考虑隐私保护的无人机编队事件触发一致性控制方法，其特征在于，每个无人机在将自己的状态传递给邻居之前，加入相互独立的标准白噪声，以保护初始状态的隐私不受信息泄露的影响。
5.如权利要求4所述的一种考虑隐私保护的无人机编队事件触发一致性控制方法，其特征在于，加入标准白噪声的无人机信息表示为：
yji(t)＝xj(tk，j)+σjiηji(t)
其中，ηji(t)，i∈ν，
是相互独立的标准白噪声，σji＞0是噪声强度。
6.如权利要求1所述的一种考虑隐私保护的无人机编队事件触发一致性控制方法，其特征在于，所述一致性控制协议具体表示为：
其中，a(t)：[0，∞)→[0，∞)是一个分段连续函数，aij是邻接矩阵
的第ij项，表示第i个无人机和第j个无人机之间的通信关系，当无人机i可以接受到无人机j的信息时，aij＝1，反之aij＝0，di(t)反映了各无人机直接的编队情况。
7.如权利要求1所述的一种考虑隐私保护的无人机编队事件触发一致性控制方法，其特征在于，所述事件触发通信只发生在离散时间的瞬间，使得各无人机只在必要时选择与邻居通信，即无人机在触发预设时间间隔内执行所述一致性控制协议。
8.一种考虑隐私保护的无人机编队触发一致性控制系统，其特征在于，包括：
模型构建单元，被配置为构建多无人机系统的线性系统模型；
事件触发函数构建单元，被配置为根据所述动力学模型，以节约网络资源为目的确立事件触发函数；
噪声加密单元，被配置为在邻接无人机间进行状态信息交互前，利用噪声对所述状态信息进行加密；
一致性控制单元，被配置为构建一致性控制协议，各无人机基于自身当前触发时刻的状态信息和来自邻接无人机的状态信息，在触发预设时间间隔内执行所述一致性控制协议，实现无人机编队事件触发的一致性控制。
9.一种电子设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上运行的计算机程序，其特征在于，所述处理器执行所述程序时实现如权利要求1-7任一项所述的一种考虑隐私保护的无人机编队事件触发一致性控制方法。
10.一种非暂态计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，该程序被处理器执行时实现如权利要求1-7任一项所述的一种考虑隐私保护的无人机编队事件触发一致性控制方法。
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