CN116017467A - 一种多无人机系统事件触发安全控制方法及系统 - Google Patents
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Abstract
本公开提供了一种多无人机系统事件触发安全控制方法及系统,涉及自动控制技术领域,包括获取多无人机通信网络的拓扑结构,建立无人机领导者和跟随者的动力学方程;根据通信网络的拓扑结构,每个无人机设置邻居的估计器的动态方程,定义触发间隔采样误差并设计分布式事件触发通信策略以及时间触发的间隔;根据设计的估计器和分布式事件触发通信策略,设计基于网络拓扑关系的一致性控制协议;根据设计的分布式事件触发通信策略,设计估计器和控制器的切换策略,并以最后一次成功通信获得的信息作为估计器状态的初值,并进行仿真验证;本公开克服了多无人机系统在攻击期间无法获得邻居控制输入信息的问题,同时节省计算资源。
Description
技术领域
本公开涉及自动控制技术领域,具体涉及一种多无人机系统事件触发安全控制方法及系统。
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。
随着无人机的广泛应用,很多学者关注多无人机系统的一致性控制方法,即使得每个无人机的状态最终趋同的方法,多无人机系统一致性包括无领导者的平均一致性和领导者跟随者一致性。但是这些一致性控制协议都高度依赖于网络通信,所以多无人机系统的安全控制问题日益重要。
多无人机系统所受到的网络攻击主要分为两种:拒绝服务器攻击和欺骗攻击。拒绝服务器攻击是指使得无人机间无法正常进行信息交互的攻击方式,具体实施过程是:攻击者发送大量虚假的请求信息到目标通道以达到消耗目标无人机通信资源的目的,最终目标无人机没有资源处理正常的通信请求而导致丢包现象。
为了节省通信资源的目的,许多研究提出了事件触发控制的方法,这种方法的基本思想是只有在设定的事件触发函数条件满足时,才会进行通信,这种现有的连续通信和周期通信的方法,会大大增加通信的频率。
发明内容
本公开为了解决上述问题,提出了一种在拒绝服务器攻击下实现多无人机系统一致性的控制方法,并进行通信优化;在每个无人机中设置一组估计器,根据得到的信息对邻居的状态进行估计,设计一种事件触发方法,减少正常通信期间的通信频率,同时保证多无人机系统收敛。
根据一些实施例,本公开采用如下技术方案:
一种多无人机系统事件触发安全控制方法,包括:
获取多无人机通信网络的拓扑结构,建立无人机领导者和跟随者的动力学方程;
根据通信网络的拓扑结构,每个无人机设置邻居的估计器的动态方程,定义触发间隔采样误差并设计分布式事件触发通信策略以及时间触发的间隔;
根据设计的估计器和分布式事件触发通信策略,设计基于网络拓扑关系的一致性控制协议;根据设计的分布式事件触发通信策略,设计估计器和控制器的切换策略,并以最后一次成功通信获得的信息作为估计器状态的初值,并进行仿真验证。
根据一些实施例,本公开采用如下技术方案:
一种多无人机系统事件触发安全控制系统,包括:
动力学方程构建模块,用于获取多无人机通信网络的拓扑结构,建立无人机领导者和跟随者的动力学方程;
策略定义模块,用于根据通信网络的拓扑结构,每个无人机设置邻居的估计器的动态方程,定义触发间隔采样误差并设计分布式事件触发通信策略以及时间触发的间隔;
控制切换模块,用于根据设计的估计器和分布式事件触发通信策略,设计基于网络拓扑关系的一致性控制协议;根据设计的分布式事件触发通信策略,设计估计器和控制器的切换策略,并以最后一次成功通信获得的信息作为估计器状态的初值,并进行仿真验证。
根据一些实施例,本公开采用如下技术方案:
一种计算机可读存储介质,其中存储有多条指令,所述指令适于由终端设备的处理器加载并执行所述的一种多无人机系统事件触发安全控制方法。
根据一些实施例,本公开采用如下技术方案:
一种终端设备,包括处理器和计算机可读存储介质,处理器用于实现各指令;计算机可读存储介质用于存储多条指令,所述指令适于由处理器加载并执行所述的一种多无人机系统事件触发安全控制方法。
与现有技术相比,本公开的有益效果为:
1、针对拒绝服务器攻击下无人机间无法进行信息交互的问题,引入一组估计器,利用已知信息对攻击期间丢失的状态信息进行重构。估计器不需要控制输入,克服了多无人机系统在攻击期间无法获得邻居控制输入信息的问题,同时节省计算资源;
2、为了节省通信资源,采用事件触发控制的方法,所设计的事件触发函数是完全分布式的,可以避免连续地对邻居的状态进行监测,同时可以避免Zeno行为。此外,还设计了周期时间触发策略,用于检测攻击的结束。两种触发策略根据攻击发生与否决定使用哪一种;
根据无人机间是否可以通信,控制协议设计为两段式:在正常通信的时段使用真实的状态值,在无法通信的时段使用估计的状态值。
附图说明
构成本公开的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为本公开一种基于估计器的多无人机系统事件触发安全控制方法的流程图;
图2为本公开一种基于估计器的多无人机系统事件触发安全控制方法的系统框图;
图3为本公开一种基于估计器的多无人机系统事件触发安全控制方法触发时刻示意图;
图4为本公开实施例中多无人机系统的通信网络拓扑图;
图5为本公开实施例中拒绝服务器攻击的时间序列示意图;
图6为本公开实施例中多无人机系统领导者和跟随者状态轨迹图;
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。
实施例1
本公开的一种实施例中提供了一种多无人机系统事件触发安全控制方法,包括:
S1:获取多无人机通信网络的拓扑结构,建立无人机领导者和跟随者的动力学方程;
S2:根据通信网络的拓扑结构,每个无人机设置邻居的估计器的动态方程,定义触发间隔采样误差并设计分布式事件触发通信策略以及时间触发的间隔;
S3:根据设计的估计器和分布式事件触发通信策略,设计基于网络拓扑关系的一致性控制协议;
S4:根据设计的分布式事件触发通信策略,设计估计器和控制器的切换策略,并以最后一次成功通信获得的信息作为估计器状态的初值,并进行仿真验证。
作为一种实施例,获取多无人机通信网络的拓扑结构,建立无人机领导者和跟随者的动力学方程包括如下步骤:
所述多无人机系统由一个领导者和N个跟随者组成,建立各个无人机的动力学方程如下:
其中x0∈Rn表示领导者的状态,xi∈Rn表示第i个无人机的状态,ui∈Rn表示第i个无人机的控制输入,A为系统矩阵,B为输入矩阵,两者都是时不变的。
其中领导者的动力学模型考虑无控制输入。
进一步的,根据通信网络的拓扑结构,每个无人机设置邻居的估计器的动态方程,定义触发间隔采样误差并设计分布式事件触发通信策略以及时间触发的间隔的步骤包括:
根据通信网络拓扑结构,计算得到邻接矩阵和H矩阵的值,并为每个跟踪者配置其邻居的估计器,所述邻接矩阵为:
如果无人机i与无人机j互为邻居,则aij=aji=1,否则,aij=aji=0,并且假设aii=0;
拉普拉斯矩阵:
Δ矩阵:Δ=diag{a10,...,aN0},如果无人机i是领导者无人机的邻居,则ai0=1,否则,ai0=0;
建立第i个无人机的估计器的动力学方程如下:
定义采样误差为:
所述时间触发的间隔的定义方式为:在正常通信时间区间,触发时刻由事件触发函数决定,函数在更新状态值的时刻就是触发时刻;在无法通信的时间区间,采用固定周期触发的方式,定义攻击开始的时刻为第一次触发时刻,而后每经过固定周期触发一次,直至无人机与邻居间成功通信。在因为攻击无法通信的时间区间,采用固定周期触发的方式,攻击开始的时刻为第一次触发时刻,而后每经过θ时间触发一次,直至无人机与邻居间成功通信为止,在此期间,每次触发时会进行一次通信尝试。所述θ时间为人为选定,该时间越短性能越好,但是对资源要求更多,时间越短则反之。
进一步的,根据所述的一种基于估计器的多无人机系统事件触发安全控制方法,根据设计的估计器和分布式事件触发通信策略,设计基于网络拓扑关系的一致性控制协议具体实现方法包括如下步骤:
根据估计器和触发策略,第i个无人机控制器的计算过程如下:
其中,分别是领导者、第i个无人机、第i个无人机的邻居在触发时刻更新的状态值,分别是领导者、第i个无人机、第i个无人机的邻居的状态估计值,K1,K2表示控制器在两种模态下的增益矩阵。K1的具体计算过程如下:
根据黎卡提代数方程:QA+ATQ-2λmin(H)QBBTQ+∈I<0,选择合适的正数∈,结合系统矩阵A、输入矩阵B和H矩阵求得矩阵Q,然后计算K1=BTQ,其中,λmin(H)是H矩阵的最小特征值。
根据所述的一种基于估计器的多无人机系统事件触发安全控制方法,步骤S4中,根据触发协议的检测,将系统分为两种模态:可以正常通信的情况和受到攻击无法通信的情况。两种情况下使用的控制协议不同,在可以正常通信的区间控制器使用实际获取得到的状态值,即权利要求4所给出的表达式中的第一部分,当攻击出现时,切换到使用估计的状态值,即权利要求4所给出的表达式中的第二部分。此外,估计器也只在攻击发生后才开始启动,并且使用最后一次成功通信获得的信息作为估计器状态的初值,具体表示如下:
其中,假设tζ为攻击开始时刻。
上述触发协议为:
采用仿真对上述所提方法进行验证,如图4-图6所示。
通信拓扑图如图4所示,仿真所考虑系统包括1个领导者(标号为0)和4个跟随者(标号为1,2,3,4),根据图4计算得到
设系统的可控矩阵对(A,B)如下
选择∈=0.5,σ=0.0018和θ=0.1,再根据QA+ATQ-2λmin(H)QBBTQ+∈I<0计算得到
由上述数据通过公式K1=BTQ计算得到K1=[0.9107 0.5521],而K2则适当地选择为[0.10.1]。
事件触发函数中各参数为:a=0.1,b=0.4和N=4。仿真50s时间,DoS攻击序列如图5所示,其中阴影部分表示攻击发生的时间。
将系统状态向量表示为xi=[xi,1,xi,2]T,i=0,1,...,4,设置各无人机的初始状态为x0(0)=[-1,1]T,x1(0)=[-2,2]T,x2(0)=[-3,3]T,x3(0)=[-4,4]T,x4(0)=[-5,5]T,再设置系统的外部扰动为d0(t)=0.01sin(0.1t)×[1,1]T,d1(t)=0.01sin(0.1t+10)×[1,1]T,d2(t)=0.01sin(0.1t+20)×[1,1]T,d3(t)=0.01sin0.1t+30×[1,1]T,d4(t)=0.01sin(0.1t+40)×[1,1]T,最终,仿真结果如图6所示,各无人机状态趋于一致。
实施例2
本公开的一种实施例中提供了一种多无人机系统事件触发安全控制系统,包括:
动力学方程构建模块,用于获取多无人机通信网络的拓扑结构,建立无人机领导者和跟随者的动力学方程;
策略定义模块,用于根据通信网络的拓扑结构,每个无人机设置邻居的估计器的动态方程,定义触发间隔采样误差并设计分布式事件触发通信策略以及时间触发的间隔;
控制切换模块,用于根据设计的估计器和分布式事件触发通信策略,设计基于网络拓扑关系的一致性控制协议;根据设计的分布式事件触发通信策略,设计估计器和控制器的切换策略,并以最后一次成功通信获得的信息作为估计器状态的初值,并进行仿真验证。
实施例3
本公开的一种实施例中提供了一种计算机可读存储介质,其中存储有多条指令,所述指令适于由终端设备的处理器加载并执行所述的一种多无人机系统事件触发安全控制方法步骤。
实施例4
一种终端设备,包括处理器和计算机可读存储介质,处理器用于实现各指令;计算机可读存储介质用于存储多条指令,所述指令适于由处理器加载并执行所述的一种多无人机系统事件触发安全控制方法步骤。
本公开是参照根据本公开实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器,使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上,使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理,从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
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)
1.一种多无人机系统事件触发安全控制方法,其特征在于,包括:
获取多无人机通信网络的拓扑结构,建立无人机领导者和跟随者的动力学方程;
根据通信网络的拓扑结构,每个无人机设置邻居的估计器的动态方程,定义触发间隔采样误差并设计分布式事件触发通信策略以及时间触发的间隔;
根据设计的估计器和分布式事件触发通信策略,设计基于网络拓扑关系的一致性控制协议;根据设计的分布式事件触发通信策略,设计估计器和控制器的切换策略,并以最后一次成功通信获得的信息作为估计器状态的初值,并进行仿真验证。
2.如权利要求1所述的一种多无人机系统事件触发安全控制方法,其特征在于,所述领导者的动力学模型为无控制输入。
4.如权利要求1所述的一种多无人机系统事件触发安全控制方法,其特征在于,所述对每个无人机设置邻居的估计器的动态方程的方式为根据通信网络拓扑结构,计算得到邻接矩阵和H矩阵的值,并为每个跟踪者配置其邻居的估计器,建立无人机的估计器的动力学方程。
5.如权利要求1所述的一种多无人机系统事件触发安全控制方法,其特征在于,所述时间触发的间隔的定义方式为:在正常通信时间区间,触发时刻由事件触发函数决定,函数在更新状态值的时刻就是触发时刻;在无法通信的时间区间,采用固定周期触发的方式,定义攻击开始的时刻为第一次触发时刻,而后每经过固定周期触发一次,直至无人机与邻居间成功通信。
6.如权利要求1所述的一种多无人机系统事件触发安全控制方法,其特征在于,根据触发协议的检测,将系统分为两种模态:可以正常通信的情况和受到攻击无法通信的情况;两种情况下使用的控制协议不同,在正常通信的区间控制器使用实际获取得到的状态值。
7.如权利要求6所述的一种多无人机系统事件触发安全控制方法,其特征在于,当攻击出现时,切换到使用估计的状态值,估计器也只在攻击发生后才开始启动,并且使用最后一次成功通信获得的信息作为估计器状态的初值。
8.一种多无人机系统事件触发安全控制系统,其特征在于,包括:
动力学方程构建模块,用于获取多无人机通信网络的拓扑结构,建立无人机领导者和跟随者的动力学方程;
策略定义模块,用于根据通信网络的拓扑结构,每个无人机设置邻居的估计器的动态方程,定义触发间隔采样误差并设计分布式事件触发通信策略以及时间触发的间隔;
控制切换模块,用于根据设计的估计器和分布式事件触发通信策略,设计基于网络拓扑关系的一致性控制协议;根据设计的分布式事件触发通信策略,设计估计器和控制器的切换策略,并以最后一次成功通信获得的信息作为估计器状态的初值,并进行仿真验证。
9.一种计算机可读存储介质,其特征在于,其中存储有多条指令,所述指令适于由终端设备的处理器加载并执行权利要求1-7中任一项所述的一种多无人机系统事件触发安全控制方法。
10.一种终端设备,其特征在于,包括处理器和计算机可读存储介质,处理器用于实现各指令;计算机可读存储介质用于存储多条指令,所述指令适于由处理器加载并执行如权利要求1-7中任一项所述的一种多无人机系统事件触发安全控制方法。
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CN202211590790.4A CN116017467A (zh) | 2022-12-12 | 2022-12-12 | 一种多无人机系统事件触发安全控制方法及系统 |
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CN117850325A (zh) * | 2024-03-07 | 2024-04-09 | 南京邮电大学 | 动态事件触发的多机器人一致性协同控制系统和方法 |
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- 2022-12-12 CN CN202211590790.4A patent/CN116017467A/zh active Pending
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CN117850325A (zh) * | 2024-03-07 | 2024-04-09 | 南京邮电大学 | 动态事件触发的多机器人一致性协同控制系统和方法 |
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