一种网络攻击下协同自适应巡航系统的安全控制方法技术方案

本发明专利技术公开了一种网络攻击下协同自适应巡航系统的安全控制方法，总结了搬运机器人之间距离误差、速度和加速度的稳定控制。为了模拟实际情况，本文将欺骗攻击考虑在相邻两个搬运机器人之间的通信通道上，通过具有特殊分布的伯努利变量来描述欺骗攻击的发生。通过考虑欺骗攻击的影响，构建了网络攻击下CACC的最终数学模型。首先初步建立CACC模型，并初步设计控制器模型；然后考虑了欺骗网络攻击情况下对网络传输数据造成的影响，建立网络攻击模型，并进一步改进控制器模型和协同自适应巡航控制模型。同时在外部扰动下证明协同自适应巡航控制系统稳定性。利用Lyapunov稳定性理论，得到确保系统指数均方稳定的充分性条件，并基于求解线性不等式，获取增益。获取增益。获取增益。

【技术实现步骤摘要】
一种网络攻击下协同自适应巡航系统的安全控制方法


[0001]本专利技术涉及协同自适应巡航控制
，主要涉及一种网络攻击下协同自适应巡航系统的安全控制方法。

技术介绍

[0002]在大型粮食存储基地中，随着仓库存储容量的增加，使用占地面积的增大，传统的搬运不在适用于当前的发展背景，此外伴随着互联网、人工智能以及通讯技术的发展，充分融合智能搬运设备和控制算法，实现了人机合作这种创新模式以取代传统的人工搬运。搬运机器人运用于企业生产，不仅能提高效率，实现物流的集成化和自动化，而且把人从危险、顽劣、繁重的工作环境下解脱出来，表现出极大的优越性。在这种情况下，近年来许多新的技术应运而生，其中协同自适应巡航控制(CACC)引起了研究人员的最多关注。CACC作为自适应巡航控制(ACC)的增强功能，在协同搬运机器人运动轨迹方面发挥着关键作用。一般来说，CACC系统中每个搬运机器人的速度、加速度和位置等重要信息通过彼此之间的通信通道共享，并将这些信息应用于设计有效的控制策略，以使CACC系统中的所有搬运机器人达到预期的性能。需要指出的是，通信策略是整个CACC系统的重要组成部分。由于它可以通过搬运机器人传感器帮助测量邻近搬运机器人的位置，而不同的策略可以使CACC能够立即获得邻近机器人状况。在通信策略的帮助下，提高纵向运动控制的精度，在保证安全的前提下保持更快的速度。
[0003]具体来说，CACC的主要目标是使所有搬运机器人与其前方机器人保持所需的距离并实现稳定性(SS)。由于过度制动，不稳定的搬运机器人可能会导致机器人运输通道拥堵。因此，稳定性在增强交通流量和确保安全方面发挥着重要作用。因此，有必要设计合理的控制方法，使搬运机器人达到稳定。
[0004]值得注意的是，CACC通过无线网络传输信息，容易受到网络攻击的破坏。作为影响网络安全的一个常见因素，网络攻击不应被低估。通常网络攻击可能导致数据收集或信息传输不完整，从而导致运行通道中的拥堵甚至严重的事故。一般来说，对网络通信链路的网络攻击可以分为重放攻击、拒绝服务(DoS)攻击和欺骗攻击。当DoS攻击发生时，攻击试图堵塞数据传输通道，这将导致下一搬运机器人在特定时刻无法接收数据包。对于欺骗攻击，传输的数据包被攻击者拦截和篡改，这将搬运机器人收到虚假信息。重放攻击是指攻击者通过用网络中先前的数据替换真实数据来欺骗系统。目前对于CACC系统，受到网络攻击的搬运机器人之间的通信尚未得到很好的研究。

技术实现思路

[0005]专利技术目的：针对上述
技术介绍
中存在的问题，本专利技术提供了一种网络攻击下协同自适应巡航系统的安全控制方法，考虑欺骗网络攻击情况下对网络传输数据造成的影响，建立网络攻击模型，考虑非0扰动，在外部扰动下证明协同自适应巡航控制系统稳定性，并通过Lyapunov稳定性理论，得到确保系统指数均方稳定的充分性条件，基于求解线性不等
式，获取增益。
[0006]技术方案：为实现上述目的，本专利技术采用的技术方案为：
[0007]一种网络攻击下协同自适应巡航系统的安全控制方法，包括以下步骤：
[0008]步骤S1、建立协同自适应巡航控制模型并初步设计控制器模型；
[0009]步骤S2、考虑网络攻击对网络数据传输的影响，建立网络攻击模型，并改写控制器模型和协同自适应巡航控制模型；
[0010]步骤S3、在非0扰动情况下，证明协同自适应巡航控制模型在外部扰动下的系统稳定性；
[0011]步骤S4、基于Lyapunov稳定性理论，得到确保系统指数均方稳定的充分性条件；
[0012]步骤S5、通过求解线性不等式，获取增益。
[0013]进一步地，所述步骤S1中建立协同自适应巡航控制模型具体步骤包括：
[0014]步骤S1.1、将动力学系统表示为具有位置p
i
和期望加速度u
i
的传递函数
[0015][0016]其中s是拉普拉斯变换的变量，σ是动态参数，l1是时间延迟；下标i表示第i个搬运机器人，d
i
表示第i个搬运机器人与前方搬运机器人的距离，且满足：
[0017]d
i
(t)＝p
i
‑1(t)
‑
p
i
(t)
‑
L
i
‑1[0018]其中t表示当前时间，L
i
‑1表示搬运机器人的长度；由恒定的间距时间策略确定，具体表示如下：
[0019][0020]其中r是静止距离，h是头部时间，v
i
(t)代表第i个搬运机器人的当前速度；距离误差表示如下：
[0021][0022]步骤S1.2、当多个搬运机器人组成一个协同自适应巡航系统，传递来自前方搬运机器人的控制信号时，建立协同自适应巡航系统模型；通过结合信号与距离误差反馈，确定控制命令；x1(t)和x2(t)作为控制器最终的传输数据，考虑到网络时延，控制器模型表示如下：
[0023]u(t)＝K1x1(t)+K2x2(t
‑
l0)
[0024]其中K1＝[k
1 k
2 k3]是反馈增益，K2＝k4是前馈增益。
[0025]u
i
和u
i
‑1之间传输的数据用传递函数来描述：
[0026][0027]步骤S1.3、给定一排并排行驶的搬运机器人，头部搬运机器人和第i个搬运机器人之间的数据传递函数表示为：
[0028][0029]其中是信号q
i
的拉普拉斯变换，当所有机器人i均满足以下条件时，系统稳定：
[0030][0031]基于上述分析，协同自适应巡航控制模型描述如下：
[0032][0033]其中x1(t)是表示搬运机器人i的局部测量值，x2(t)是表示从前方搬运机器人传输的数据，矩阵A
11
，A
12
，A
22
，B和C是给定的矩阵；l2＝l1+l0，则控制器的输出可以表示为：
[0034]z(t)＝K1x1(t)+K2x2(t
‑
l1)
[0035]进一步地，步骤S2中网络攻击模型建立方法如下：
[0036]当搬运机器人间的数据传输遭受网络攻击时，传输信号x
d
(t)表示如下：
[0037][0038]其中表示随机网络攻击的函数，α(t)∈{0,1}是一个满足伯努利分布的变量，表示网络攻击发生的概率，且满足
[0039]对于给定的实常数矩阵G，随机网络攻击函数满足以下条件：
[0040][0041]综上所述，控制器模型改进表示如下：
[0042][0043]将控制器模型插入协同自适应巡航控制系统，则系统模型改写为：
[0044][0045]其中x1(t)是表示搬运机器人的局部测量值，x2(t)是表示从前方搬运机器人传输的数据，矩阵A
11
，本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种网络攻击下协同自适应巡航系统的安全控制方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤S1、建立协同自适应巡航控制模型并初步设计控制器模型；步骤S2、考虑网络攻击对网络数据传输的影响，建立网络攻击模型，并改写控制器模型和协同自适应巡航控制模型；步骤S3、在非0扰动情况下，证明协同自适应巡航控制模型在外部扰动下的系统稳定性；步骤S4、基于Lyapunov稳定性理论，得到确保系统指数均方稳定的充分性条件；步骤S5、通过求解线性不等式，获取增益。2.根据权利要求1所述的网络攻击下协同自适应巡航系统的安全控制方法，其特征在于，所述步骤S1中建立协同自适应巡航控制模型具体步骤包括：步骤S1.1、将动力学系统表示为具有位置和期望加速度的传递函数的传递函数其中s是拉普拉斯变换的变量，σ是动态参数，l1是时间延迟；下标i表示第i个搬运机器人，d
i
表示第i个搬运机器人与前方搬运机器人的距离，且满足：d
i
(t)＝p
i
‑1(t)
‑
p
i
(t)
‑
L
i
‑1其中t表示当前时间，L
i
‑1表示搬运机器人的长度；由恒定的间距时间策略确定，具体表示如下：其中r是静止距离，h是头部时间，v
i
(t)代表第i个搬运机器人的当前速度；距离误差表示如下：步骤S1.2、当多个搬运机器人组成一个协同自适应巡航系统，传递来自前方搬运机器人的控制信号时，建立协同自适应巡航控制器模型；通过结合信号与距离误差反馈，确定控制命令；x1(t)和x2(t)代表控制器最终的传输数据，考虑到网络时延，控制器模型表示如下：u(t)＝K1x1(t)+K2x2(t
‑
l0)其中K1＝[k
1 k
2 k3]是反馈增益，K2＝k4是前馈增益。u
i
和u
i
‑1之间传输的数据用传递函数来描述：步骤S1.3、给定一排并排行驶的搬运机器人，头部搬运机器人和第i个搬运机器人之间的数据传递函数表示为：
其中是信号q
i
的拉普拉斯变换，当所有机器人i均满足以下条件时，系统稳定：基于上述分析，协同自适应巡航控制模型描述如下：其中x1(t)是表示搬运机器人i的局部测量值，x2(t)是表示从前方搬运机器人传输的数据，矩阵A
11
，A
12
，A
22
，B和C是给定的矩阵，l2＝l1+l0，则控制器的输出可以表示为：z(t)＝K1x1(t)+K2x2(t
‑
l1)。3.根据权利要求2所述的网络攻击下协同自适应巡航系统的安全控制方法，其特征在于，步骤S2中网络攻击模型建立方法如下：当搬运机器人间的数据传输遭受网络攻击时，传输信号x
d
(t)表示如下：其中表示随机网络攻击的函数，α(t)∈{0,1}是一个满足伯努利分布的变量，表示网络攻击发生的概率，且满足对于给定的实常数矩阵G，随机网络攻击函数满足以下条件：综上所述，控制器模型改进表示如下：将控制器模型插入协同自适应巡航控制系统，则系统模型改写为：其中x1(t)是表示搬运机器人的局部测量值，x2(t)是表示从前方搬运机器人传输的数据，矩阵A
11
，A
12
，A
22
，B和C是给定的适当维数矩阵；α(t)是服从伯努利分布的随机变量，用来描述网络攻击是否发生，0表示未发生，1表示发生；表示随机网络攻击，l1和l2代表网络时延；K1和K2表示系统设...

【专利技术属性】
技术研发人员：曹杰，刘金良，丁达，毛波，申冬琴，张洋，
申请(专利权)人：云境商务智能研究院南京有限公司，
类型：发明
国别省市：