CN116300621A - 无人水面船舵减摇系统安全控制方法及装置、电子设备 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种网络攻击下基于事件触发的无人水面船舵减摇系统安全控制方法及装置、电子设备，包括：构建无人水面船舵减摇系统模型；构建网络攻击下无人水面船的系统模型；构建可靠控制器，得到闭环控制的无人水面船系统模型；对所述闭环控制的无人水面船模型进行事件触发控制，并求解可靠控制器增益；采用所述可靠控制器和事件触发机制对所述无人水面船进行安全控制。本发明可以有效抵抗一类攻击所带来的不利影响，同时减小海浪对无人水面船运动的干扰，系统仅在特定事件时进行通信，减轻了计算负担，可以有效地节省能源、通信资源的消耗和执行器磨损，为无人水面船的安全稳定运行提供了关键的技术支持。
Description
技术领域
本申请涉及无人水面船舵减摇控制领域，尤其涉及一种网络攻击下基于事件触发的无人水面船舵减摇系统安全控制方法及装置、电子设备。
背景技术
无人水面船在水上监测、搜救、执法、海洋科学研究等领域都有广泛的应用，其可以提高水上作业效率和安全性，同时减少人工成本和风险。同时，无人水面船还可以用于远程控制和自主导航，并且可以配备各种传感器和设备来收集数据。因此，对无人水面船的研究在军事领域和民用领域都有重要的意义。
无人水面船的运动自由度包括纵荡、横荡、垂荡、横摇、纵摇和艏摇六个自由度。对无人水面船的运动过程进行建模分析里，大多数模型仅考虑了无人水面船纵荡、横荡和艏摇的三自由度水平运动，而将垂荡、横摇及纵摇的影响视为干扰，这样的模型可以适用于对动态定位、航向控制、轨迹跟踪和路径跟踪控制系统的建模分析。然而，如果考虑海浪对无人水面船的影响，横向海浪会使无人水面船出现周期性的左右横摇运动。海浪的频率和船体固有频率接近时会造成更加严重的影响，甚至可能造成无人水面船的倾覆。为了减小船体的横摇运动、设计侧倾阻尼控制系统，需要在水平面模型中加入侧倾方程。包含侧倾意味着必须包含浮力和重力引起的恢复力矩，所得到的模型是一个纵荡、横荡、横摇和艏摇的四自由度模型，即舵减摇系统模型。
此外，大多数无人水面船在实际运行中都需要与岸基控制站或母船进行通信。通过WiFi、4G等无线局域网方式进行通信，无人水面船的运动数据和控制指令信号都会经过无线网络通信通道。而通信信道容易受到恶意攻击，攻击者通过向已有连接中注入数据来发送恶意数据或向控制站插入数据或命令来篡改控制信息，这是无人水面船控制需要解决的问题之一。
对于周期采样和控制的系统，通常采样时间的设定都比较小，以保证系统得到满意的性能指标。然而，这样带来的缺点是，周期控制器也会提供许多不必要的输入，在大多数情况下，这会导致不必要的能源、通信资源的消耗和执行器磨损。针对这一问题，引入了事件触发控制，其仅在满足特定事件条件时进行采样，可以显著减少采样和控制器更新的数量，同时仍能保证系统的稳定性和有效性。基于此，本发明在考虑网络攻击和海浪干扰的情况下，采用事件触发对无人水面船系统提出了控制方法，对于提高无人水面船控制系统的稳定性和安全性有着重要价值。
发明内容
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提出了一种网络攻击下基于事件触发的无人水面船舵减摇系统安全控制方法及装置、电子设备，由此可保证无人水面船系统有界稳定，并减少通信量，由此解决网络攻击下无人水面船的运动控制问题。
根据本申请实施例的第一方面，提供一种网络攻击下基于事件触发的无人水面船舵减摇系统安全控制方法，包括：
构建无人水面船舵减摇系统模型；
构建网络攻击下无人水面船的系统模型；
构建可靠控制器，得到闭环控制的无人水面船系统模型；
对所述闭环控制的无人水面船模型进行事件触发控制，并求解可靠控制器增益；
采用所述可靠控制器和事件触发机制对所述无人水面船进行安全控制。
进一步地，构建无人水面船舵减摇系统模型，包括：
考虑惯性坐标系和世界坐标系，坐标系的原点定为无人水面船的中心。对于具有均匀质量分布和左右舷对称的无人水面船而言，研究航向控制问题时可以假设船舶的螺旋桨为定常转速，则船舶的纵荡速度u为定值，横荡速度v通常比纵荡速度u要小。进一步可以得到动力学方程为：
其中u0表示无人水面船四自由度的纵荡的线速度为定值，ν＝[v,p,r]T∈R3表示无人水面船的速度向量，
表示速度向量ν对时间的导数，v代表无人水面船四自由度的横荡的线速度，p和r分别代表无人水面船四自由度的横摇和艏摇的角速度，τ表示控制输入向量，τd表示外界环境引起的干扰，η＝[x,y,ψ]T∈R3为无人水面船的位置向量，x和y分别代表世界参考系中无人水面船的横坐标和纵坐标，ψ代表无人水面船的偏航角，M∈R3×3为惯性矩阵，N(u0)是科里奥利矩阵和向心加速度矩阵及阻尼矩阵在u＝u0时的线性化，G表示稳心矩阵。
考虑运动学方程：
其中φ表示无人水面船的横摇角，
表示横摇角φ对时间的导数，/>
表示偏航角ψ对时间的导数。
考虑环境对无人水面船带来的扰动，通常环境扰动是指风力和波浪力。风通常被建模为具有非零均值的随机信号，这将导致船体的漂移和偏转。本发明发明只考虑波浪扰动。对海浪的建模如下：海浪模型通常用频谱来描述，即ωψ＝h(s)·ω1(s),ωφ＝h(s)·ω2(s)，其中ωψ和ωφ为艏摇和横摇方向运动上受到海浪的干扰量，ω1(s)和ω2(s)是高斯白噪声，s为复频域变量，整形滤波器的表示为
Kω、ξ0、ω0分别表示主导海浪强度系数、阻尼系数和海浪的频率，海浪干扰向量为ω＝[ωψ,ωφ]T。
基于公式(1)-(3)和对海浪的建模可以得到无人水面船控制的状态空间模型方程：
其中x＝[v,p,r,φ,ψ]T，是由横荡速度、横摇速度、艏摇速度、横摇角及航向角组成的向量，
表示x对时间的导数。考虑具有一个方向舵的无人水面船，即u＝δ表示舵角方向，海浪造成的干扰向量为ω＝[ωψ,ωφ]T，其是有界的，即||ω||2≤W＜∞，其中||ω||2表示ω的2-范数，W表示一个有界量，且有/>
b11、b21、b31的取值取决于无人水面船使用的制动器类型，e22和e31的取值取决于无人水面船的固有特性。
进一步地，构建网络攻击下无人水面船的系统模型，包括：
无人水面船和控制站通过通信网络连接，无人水面船将传感器采集的状态量传输给控制站，在控制站经过计算返回控制量。在本发明中，考虑控制站向无人水面船传输控制量的通道受到欺骗类型的攻击f，攻击f篡改了网络中传输的数据，篡改方式为在原数据上添加上攻击参数。该攻击信号是有界的，即满足||f||2≤F＜∞，其中||f||2表示f的2-范数，F表示一个已知的有界量。
结合攻击，可以得到网络攻击下无人水面船的系统模型为：
其中A表示系统矩阵，B表示输入矩阵，E表示扰动项系数矩阵，
舵减摇系统的构建思想是在考虑海浪干扰引起无人水面船的横摇运动时，在保持无人水面船航向的基础上，控制方向舵使得横摇运动减小，因此方向舵是一个关键的控制量。然而，鲜有人在舵减摇系统上考虑存在网络攻击的情况。如果方向舵的控制上遭受了攻击，横摇运动的减少将会变慢，严重的话可能造成无人水面船的不稳定以至于倾覆。本发明考虑到上述实际情况，对网络攻击下无人水面船的系统模型进行安全控制，能抵抗一类网络攻击，进而加强无人水面船系统的鲁棒性和适应性。
进一步地，构建可靠控制器，得到闭环控制的无人水面船系统模型，包括：
可靠控制器设计为：
其中K为设计控制器的增益，
是第k次事件触发的触发时间tk时的采样状态，满足
α为常数满足α＞F。将(6)代入(5)得，此时闭环控制的无人水面船系统模型为：
同时，当不考虑海浪和攻击的影响时的理想情况时，控制器可以得到简化，也同样地适用。可靠控制器设计为：
此时闭环控制的无人水面船系统模型为：
进一步地，对所述闭环控制的无人水面船模型进行事件触发控制，并求解可靠控制器增益，包括：
静态事件触发机制的具体表达式为：
其中，Γ为事件触发的阈值，当满足Γ≥0时触发，
表示采样误差，
表示/>
的2-范数，ρ和/>
为自行设定的正数，e表示自然常数，t为时间，||K||F表示可靠控制器的增益的F-范数，/>
表示可靠控制器的增益的F-范数的平方，||ε||2表示采样误差的2-范数，/>
表示采样误差的2-范数的平方，/>
表示可靠控制器的增益与第k次事件触发的触发时间tk时的采样状态乘积的2-范数的平方。
在不考虑海浪和攻击的影响时的理想情况，事件触发机制变为：
当满足Γ≥0时触发。
采用静态事件触发机制(10)和控制器(6)(或在不考虑海浪和攻击的影响时的理想情况采用静态事件触发机制(11)和控制器(8))，进而实现对无人水面船的事件触发控制。
控制器增益K的求取由下式可得：
K＝-BTP (12)
其中B表示输入矩阵，BT表示对矩阵B的转置，P通过线性矩阵不等式技术进行求解，P为满足矩阵不等式PA+ATP-PBBTP＜-ψI的正定矩阵，其中A表示系统矩阵，AT表示对矩阵A的转置，ψ表示正常数，I表示维度合适的单位矩阵。
基于静态事件触发机制的控制器，一方面可以解决网络攻击和海浪干扰对无人水面船的影响，另一方面其不同于基于固定时间间隔触发的控制器，够根据系统状态的变化来动态地确定何时触发控制器，可以提高系统的响应速度和效率，提高控制性能并节省通信资源。本发明所设计的控制器可以使得系统轨迹收敛至有界集合
其中W表示干扰向量ω的上界。并证明Zeno现象不存在。
根据本申请实施例的第二方面，提供一种网络攻击下基于事件触发的无人水面船舵减摇系统安全控制装置，包括：
第一构建模块，用于构建无人水面船舵减摇系统模型；
第二构建模块，用于构建网络攻击下无人水面船的系统模型；
第三构建模块，用于构建基于事件触发机制的可靠控制器；
计算模块，用于根据所述无人水面船舵减摇系统模型、网络攻击下无人水面船的系统模型和基于事件触发的安全控制器，得到网络攻击下基于事件触发的无人水面船舵减摇闭环系统；
求解模块，用于对所述无人水面船系统进行事件触发控制，保证系统在海浪干扰和网络攻击的情况下达到有界稳定，并求解所述控制器的增益；
控制模块，用于采用所述可靠控制器、所述增益和所述事件触发机制对所述无人水面船进行安全控制。
根据本申请实施例的第三方面，提供一种电子设备，包括：
一个或多个处理器；
存储器，用于存储一个或多个程序；
当所述一个或多个程序被所述一个或多个处理器执行，使得所述一个或多个处理器实现如第一方面所述的方法。
根据本申请实施例的第四方面，提供一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机指令，该指令被处理器执行时实现如第一方面所述方法的步骤。
本申请的实施例提供的技术方案可以包括以下有益效果：
由上述实施例可知，本申请在考虑海浪干扰的情况下对无人水面船进行了舵减摇系统的建模，进一步考虑了网络攻击带来的不利影响，通过事件触发提出了控制方法，能够提高无人水面船控制系统对海浪干扰和网络攻击的抗干扰性，对提高稳定性和安全性有着重要价值。
本发明可以有效抵抗一类攻击所带来的不利影响，同时减小海浪对无人水面船运动的干扰，系统仅在特定事件时进行通信，减轻了计算负担，可以有效地节省能源、通信资源的消耗和执行器磨损，为无人水面船的安全稳定运行提供了关键的技术支持。
应当理解的是，以上的一般描述和后文的细节描述仅是示例性和解释性的，并不能限制本申请。
附图说明
此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分，示出了符合本申请的实施例，并与说明书一起用于解释本申请的原理。
图1是根据一示例性实施例示出的一种网络攻击下基于事件触发的无人水面船舵减摇系统安全控制方法的流程图。
图2是本发明的实施例静态事件触发机制下系统各状态量事件响应的示意图。
图3是本发明的实施例静态事件触发机制下事件触发采样间隔的示意图。
图4是根据一示例性实施例示出的一种网络攻击下基于事件触发的无人水面船舵减摇系统安全控制装置框图。
具体实施方式
这里将详细地对示例性实施例进行说明，其示例表示在附图中。下面的描述涉及附图时，除非另有表示，不同附图中的相同数字表示相同或相似的要素。以下示例性实施例中所描述的实施方式并不代表与本申请相一致的所有实施方式。相反，它们仅是与如所附权利要求书中所详述的、本申请的一些方面相一致的装置和方法的例子。
在本申请使用的术语是仅仅出于描述特定实施例的目的，而非旨在限制本申请。在本申请和所附权利要求书中所使用的单数形式的“一种”、“所述”和“该”也旨在包括多数形式，除非上下文清楚地表示其他含义。还应当理解，本文中使用的术语“和/或”是指并包含一个或多个相关联的列出项目的任何或所有可能组合。
应当理解，尽管在本申请可能采用术语第一、第二、第三等来描述各种信息，但这些信息不应限于这些术语。这些术语仅用来将同一类型的信息彼此区分开。例如，在不脱离本申请范围的情况下，第一信息也可以被称为第二信息，类似地，第二信息也可以被称为第一信息。取决于语境，如在此所使用的词语“如果”可以被解释成为“在……时”或“当……时”或“响应于确定”。
图1是根据一示例性实施例示出的一种网络攻击下无人水面船的舵减摇安全控制方法的流程图，如图1所示，该方法可以包括以下步骤：
S1：构建无人水面船舵减摇系统模型；
S2：构建网络攻击下无人水面船的系统模型；
S3：构建可靠控制器，得到闭环控制的无人水面船系统模型；
S4：对所述闭环控制的无人水面船模型进行事件触发控制，并求解可靠控制器增益；
S5：采用所述可靠控制器和事件触发机制对所述无人水面船进行安全控制。
由上述实施例可知，本申请针对海浪干扰下无人水面船的舵减摇问题，同时考虑网络攻击的影响，构建可靠控制器，对所述闭环控制无人水面船模型进行事件触发控制，并求解所述控制器的增益，通过可靠控制器和事件触发机制实现了无人水面船状态量的有界稳定，并同时大大减少了通信量，从而提高了无人水面船系统的安全稳定性，节约了通信资源和能量。
在S1的具体实施中：构建无人水面船舵减摇系统模型；
舵减摇系统，即在考虑海浪干扰引起无人水面船的横摇运动时，在保持无人水面船航向的基础上，控制方向舵使得横摇运动减小。该模型的建立过程如下：考虑惯性坐标系和世界坐标系，坐标系的原点定为无人水面船的中心。对于具有均匀质量分布和左右舷对称的无人水面船而言，研究航向控制问题时可以假设船舶的螺旋桨为定常转速，则船舶的纵荡速度u为定值，横荡速度v通常比纵荡速度u要小。进一步可以得到动力学方程为：
其中u0表示无人水面船四自由度的纵荡的线速度为定值，ν＝[v,p,r]T∈R3表示无人水面船的速度向量，
表示速度向量ν对时间的导数，v代表无人水面船四自由度的横荡的线速度，p和r分别代表无人水面船四自由度的横摇和艏摇的角速度，τ表示控制输入向量，τd表示外界环境引起的干扰，η＝[x,y,ψ]T∈R3为无人水面船的位置向量，x和y分别代表世界参考系中无人水面船的横坐标和纵坐标，ψ代表无人水面船的偏航角，M∈R3×3为惯性矩阵，N(u0)是科里奥利矩阵和向心加速度矩阵及阻尼矩阵在u＝u0时的线性化，G表示稳心矩阵。以下给出矩阵M、N(u0)和G的形式：
其中m代表无人水面船的质量，xg、zg分别是无人水面船重心的横坐标和竖坐标，Ix和Iz分别是无人水面船在惯性系里关于横轴和竖轴的惯性矩，Ixz是无人水面船对横轴、竖轴的惯性积。
分别是无人水面船在横荡自由度上和横荡、横摇和艏摇运动加速度匹配的流体动力附加质量，/>
分别是无人水面船在横摇自由度上和横荡、横摇和艏摇运动加速度匹配的流体动力附加质量，/>
分别是无人水面船在艏摇自由度上和横荡、横摇和艏摇运动加速度匹配的流体动力附加质量，Yv、Yp、Yr分别是无人水面船在横荡自由度上和横荡、横摇和艏摇运动匹配的线性阻尼系数，Kv、Kp、Kr分别是无人水面船在横摇自由度上和横荡、横摇和艏摇运动匹配的线性阻尼系数，Nv、Np、Nr分别是无人水面船在艏摇自由度上和横荡、横摇和艏摇运动匹配的线性阻尼系数，W0表示无人水面船受到的重力，/>
为无人水面船的横向稳心高度，/>
表示主对角线上元素分别为0、/>
0的对角矩阵。
另外，有运动学方程：
其中φ表示无人水面船的横摇角，
表示横摇角φ对时间的导数，/>
表示偏航角ψ对时间的导数。
考虑环境对无人水面船带来的扰动，通常环境扰动是指风力和波浪力。风通常被建模为具有非零均值的随机信号，这将导致船体的漂移和偏转。本发明发明只考虑波浪扰动。对海浪的建模如下：海浪模型通常用频谱来描述，即ωψ＝h(s)·ω1(s),ωφ＝h(s)·ω2(s)，其中ωψ和ωφ为艏摇和横摇方向运动上受到海浪的干扰量，ω1(s)和ω2(s)是高斯白噪声，s为复频域变量，整形滤波器的表示为
Kω、ξ0、ω0分别表示主导海浪强度系数、阻尼系数和海浪的频率，海浪干扰向量为ω＝[ωψ,ωφ]T。
基于公式(1)-(3)和对海浪的建模可以得到无人水面船控制的状态空间模型方程：
其中x＝[v,p,r,φ,ψ]T，是由横荡速度、横摇速度、艏摇速度、横摇角及航向角组成的向量，
表示x对时间的导数。考虑具有一个方向舵的无人水面船，即u＝δ表示舵角方向，海浪造成的干扰向量为ω＝[ωψ,ωφ]T，其是有界的，即||ω||2≤W＜∞，其中||ω||2表示ω的2-范数，W表示一个有界量，且有/>
b11、b21、b31的取值取决于无人水面船使用的制动器类型，e22和e31的取值取决于无人水面船的固有特性。
在S2的具体实施中：构建网络攻击下无人水面船的系统模型；
无人水面船和控制站通过通信网络连接，无人水面船将传感器采集的状态量传输给控制站，在控制站经过计算返回控制量。在本发明中，考虑控制站向无人水面船传输控制量的通道受到欺骗类型的攻击f，攻击f篡改了网络中传输的数据，篡改方式为在原数据上添加上攻击参数。该攻击信号是有界的，即满足||f||2≤F＜∞，其中||f||2表示f的2-范数，F表示一个已知的有界量。
结合攻击，可以得到构建网络攻击下无人水面船的系统模型为：
其中A表示系统矩阵，B表示输入矩阵，E表示扰动项系数矩阵，
在S3的具体实施中：构建可靠控制器，得到闭环控制的无人水面船系统模型；
可靠控制器设计为：
其中K为设计控制器的增益，
是第k次事件触发的触发时间tk时的采样状态，满足
α为常数满足α＞F。将(6)代入(5)得，此时闭环控制的无人水面船系统模型为：
同时，当不考虑海浪和攻击的影响时的理想情况时，控制器可以得到简化，也同样地适用。可靠控制器设计为：
此时闭环控制的无人水面船系统模型为：
在S4的具体实施中：对所述闭环控制无人水面船模型进行事件触发控制，求解所述控制器的增益；
静态事件触发机制的具体表达式为：
其中，Γ为事件触发的阈值，当满足Γ≥0时触发，
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表示采样误差的2-范数的平方，/>
表示可靠控制器的增益与第k次事件触发的触发时间tk时的采样状态乘积的2-范数的平方。
在不考虑海浪和攻击的影响时的理想情况，事件触发机制变为：
当满足Γ≥0时触发。
采用静态事件触发机制(10)和控制器(6)(或在不考虑海浪和攻击的影响时的理想情况采用静态事件触发机制(11)和控制器(8))，进而实现对无人水面船的事件触发控制。
控制器增益K的求取由下式可得：
K＝-BTP (12)
其中B表示输入矩阵，BT表示对矩阵B的转置，P通过线性矩阵不等式技术进行求解，P为满足矩阵不等式PA+ATP-PBBTP＜-ψI的正定矩阵，其中A表示系统矩阵，AT表示对矩阵A的转置，ψ表示正常数，I表示维度合适的单位矩阵。
所设计的控制器可以使得系统轨迹收敛至有界集合，即
其中W表示干扰向量ω的上界。并证明Zeno现象不存在。
下面用反证法证明本发明设计的事件触发机制不存在Zeno现象。假设存在Zeno现象，即存在常数T使
成立，那么对于任意常数χ＞0存在整数λ使任意正整数k＞λ有T-χ＜tk＜T。
对于静态事件触发机制，有
可计算得
而
在t∈[tk,tk+1)时是有界的，假设其最小上界为U，可以得到/>
不妨设函数
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λ任取，令k＞λ，由于T-χ＜tk＜T，可得tk+1＞2χ+tk＞T+χ，而这与T-χ＜tk+1＜T相矛盾，因此不存在Zeno现象。
在S5的具体实施中：采用所述可靠控制器和事件触发机制对所述无人水面船进行安全控制。
为了更有效的进行说明本发明方法的有效性，以S4得到的控制器增益，应用于无人水面船舵减摇系统进行仿真实验。系统参数取值为：
系统状态量初始值为x(0)＝[0.8,-0.5,-0.5,0.6,0.5]T，ω1(t)和ω2(t)分别是均方值为0.7和0.5的高斯分布随机信号，
网络攻击信号取f＝0.5e-t。
通过求解步骤4的矩阵不等式，得到如下控制器增益：
K＝[-0.4958,0.2517,0.5878,0.0768,1.6695]
使用静态事件触发机制，取α＝0.6,ρ＝0.5,
图2所示为静态事件触发机制下系统各状态量时间响应的示意图，图3所示为静态事件触发机制下事件触发采样间隔的示意图。结果表明，在考虑网络攻击和海浪干扰的情况下，使用静态事件触发机制能使无人水面船控制系统达到有界稳定，其状态可以收敛到期望平衡点附近。由于事件触发机制的引入使得通信量大幅降低，能够在保证系统稳定的前提下节约通信资源及成本。
与前述的网络攻击下基于事件触发的无人水面船舵减摇系统安全控制方法实施例相对应，本申请还提供了网络攻击下基于事件触发的无人水面船舵减摇系统安全控制装置的实施例。
图4是根据一示例性实施例示出的一种网络攻击下基于事件触发的无人水面船舵减摇系统安全控制装置框图。参照图4，该装置包括：
第一构建模块21，用于构建无人水面船舵减摇系统模型；
第二构建模块22，用于构建网络攻击下无人水面船的系统模型；
第三构建模块23，用于构建基于事件触发机制的可靠控制器；
计算模块24，用于根据所述无人水面船舵减摇系统模型、网络攻击下无人水面船的系统模型和基于事件触发的安全控制器，得到网络攻击下基于事件触发的无人水面船舵减摇闭环系统；
求解模块25，用于对所述无人水面船系统进行事件触发控制，保证系统在海浪干扰和网络攻击的情况下达到有界稳定，并求解所述控制器的增益；
控制模块26，用于采用所述可靠控制器、所述增益和所述事件触发机制对所述无人水面船进行安全控制。
关于上述实施例中的装置，其中各个模块执行操作的具体方式已经在有关该方法的实施例中进行了详细描述，此处将不做详细阐述说明。
对于装置实施例而言，由于其基本对应于方法实施例，所以相关之处参见方法实施例的部分说明即可。以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，其中所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本申请方案的目的。本领域普通技术人员在不付出创造性劳动的情况下，即可以理解并实施。
相应的，本申请还提供一种电子设备，包括：一个或多个处理器；存储器，用于存储一个或多个程序；当所述一个或多个程序被所述一个或多个处理器执行，使得所述一个或多个处理器实现如上述的在网络攻击下基于事件触发的无人水面船舵减摇系统安全控制方法。
相应的，本申请还提供一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机指令，该指令被处理器执行时实现如上述的在网络攻击下基于事件触发的无人水面船舵减摇系统安全控制方法。
本领域技术人员在考虑说明书及实践这里公开的内容后，将容易想到本申请的其它实施方案。本申请旨在涵盖本申请的任何变型、用途或者适应性变化，这些变型、用途或者适应性变化遵循本申请的一般性原理并包括本申请未公开的本技术领域中的公知常识或惯用技术手段。说明书和实施例仅被视为示例性的，本申请的真正范围和精神由权利要求指出。
应当理解的是，本申请并不局限于上面已经描述并在附图中示出的精确结构，并且可以在不脱离其范围进行各种修改和改变。本申请的范围仅由所附的权利要求来限制。
Claims (8)
1.一种网络攻击下基于事件触发的无人水面船舵减摇系统安全控制方法，其特征在于，包括：
1)构建无人水面船舵减摇系统模型；
2)在无人水面船舵减摇系统模型基础上构建网络攻击下无人水面船的系统模型；
3)在网络攻击下无人水面船的系统模型基础上构建可靠控制器，得到闭环控制的无人水面船系统模型；
4)通过事件触发机制对闭环控制的无人水面船系统模型进行控制，并求解可靠控制器的增益；
5)将可靠控制器、可靠控制器的增益以及事件触发机制对所述无人水面船进行安全控制。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤2)中，在无人水面船舵减摇系统模型基础上构建网络攻击下无人水面船的系统模型，包括：
考虑控制站向无人水面船传输控制量的通道受到欺骗类型的攻击f，攻击f篡改了网络中传输的数据，篡改方式为在原数据上添加上攻击参数，攻击f是有界的，即满足||f||2≤F＜∞,从而得到网络攻击下无人水面船的系统模型：
其中，x＝[v,p,r,φ,ψ]T表示由横荡速度、横摇速度、艏摇速度、横摇角及航向角组成的向量，
表示x对时间的导数，u＝δ表示舵角方向，f表示攻击信号，||f||2表示f的2-范数，F表示一个已知的有界量，ω＝[ωψ,ωφ]T表示海浪在艏摇和横摇方向运动造成的干扰向量，A表示系统矩阵，B表示输入矩阵，E表示扰动项系数矩阵。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤3)中，在网络攻击下无人水面船的系统模型基础上构建可靠控制器，得到闭环控制的无人水面船系统模型，包括：
可靠控制器设计为：
其中，u＝δ表示舵角方向，K表示可靠控制器的增益，
表示第k次事件触发的触发时间tk时的采样状态，满足/>
α为常数满足α＞F，/>
将(2)代入(1)得，得到闭环控制的无人水面船系统模型为：
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤4)中，通过事件触发机制对闭环控制的无人水面船系统模型进行控制，并求解可靠控制器的增益，包括：
静态事件触发机制的具体表达式为：
其中，Γ为事件触发的阈值，当满足Γ≥0时触发，
表示采样误差，
表示/>
的2-范数，ρ和/>
为自行设定的正数，e表示自然常数，t为时间，||K||F表示可靠控制器的增益的F-范数，/>
表示可靠控制器的增益的F-范数的平方，||ε||2表示采样误差的2-范数，/>
表示采样误差的2-范数的平方，/>
表示可靠控制器的增益与第k次事件触发的触发时间tk时的采样状态乘积的2-范数的平方。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤4)中，通过事件触发机制对闭环控制的无人水面船系统模型进行控制，并求解可靠控制器的增益，包括：
采用静态事件触发机制(4)和控制器(2)，进而实现对无人水面船的事件触发控制；
可靠控制器增益K的求取由下式可得：
K＝-BTP (5)
其中B表示输入矩阵，BT表示对矩阵B的转置，P通过线性矩阵不等式技术进行求解，P为满足矩阵不等式PA+ATP-PBBTP＜-ψI的正定矩阵，其中A表示系统矩阵，AT表示对矩阵A的转置，ψ表示正常数，I表示维度合适的单位矩阵。
6.一种网络攻击下基于事件触发的无人水面船舵减摇系统安全控制装置，其特征在于，包括：
第一构建模块，用于构建无人水面船舵减摇系统模型；
第二构建模块，用于构建网络攻击下无人水面船的系统模型；
第三构建模块，用于构建基于事件触发机制的可靠控制器；
计算模块，用于根据所述无人水面船舵减摇系统模型、网络攻击下无人水面船的系统模型和基于事件触发的安全控制器，得到网络攻击下基于事件触发的无人水面船舵减摇闭环系统；
求解模块，用于对所述无人水面船系统进行事件触发控制，保证系统在海浪干扰和网络攻击的情况下达到有界稳定，并求解所述控制器的增益；
控制模块，用于采用所述可靠控制器、所述增益和所述事件触发机制对所述无人水面船进行安全控制。
7.一种电子设备，其特征在于，包括：
一个或多个处理器；
存储器，用于存储一个或多个程序；
当所述一个或多个程序被所述一个或多个处理器执行，使得所述一个或多个处理器实现如权利要求1-5任一项所述的方法。
8.一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机指令，其特征在于，该指令被处理器执行时实现如权利要求1-5中任一项所述的方法。
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