无人水面船舵减摇系统安全控制方法及装置、电子设备制造方法及图纸

本发明专利技术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。本发明专利技术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。运行提供了关键的技术支持。运行提供了关键的技术支持。

【技术实现步骤摘要】
无人水面船舵减摇系统安全控制方法及装置、电子设备


[0001]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。

技术介绍

[0002]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。
[0003]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。
[0004]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。
[0005]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，本专利技术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。

技术实现思路

[0006]针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本专利技术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。
[0007]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：
[0008]构建无人水面船舵减摇系统模型；
[0009]构建网络攻击下无人水面船的系统模型；
[0010]构建可靠控制器，得到闭环控制的无人水面船系统模型；
[0011]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；
[0012]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。
[0013]进一步地，构建无人水面船舵减摇系统模型，包括：
[0014]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：
[0015][0016]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，τ
d
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。
[0017]考虑运动学方程：
[0018][0019][0020]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。
[0021]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。本专利技术专利技术只考虑波浪扰动。对海浪的建模如下：海浪模型通常用频谱来描述，即ω
ψ
＝h(s)
·
ω1(s),ω
φ
＝h(s)
·
ω2(s)，其中ω
ψ
和ω
φ
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K
ω
、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＝[ω
ψ
,ω
φ
]T
。
[0022]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：
[0023][0024]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＝[ω
ψ
,ω
φ
]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b
11
、b
21
、b
31
的取值取决于无人水面船使用的制动器类型，e
22
和e
31
的取值取决于无人水面船的固有特性。
[0025]进一步地，构建网络攻击下无人水面船的系统模型，包括：
[0026]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。在本专利技术中，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。
[0027]结合攻击，可以得到网络攻击下无人水面船的系统模型为：
[0028][0029]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，
[0030]舵减本文档来自技高网...

【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＝[ω
ψ
,ω
φ
]
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t
k
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...

【专利技术属性】
技术研发人员：董山玲，刘凯旋，刘妹琴，张森林，
申请(专利权)人：浙江大学，
类型：发明
国别省市：