1.一种多自主水下机器人系统在异步DoS攻击下的安全协同控制方法,其特征在于,包括以下步骤:步骤1、建立全驱动多自主水下机器人系统的运动学模型和动力学模型;
步骤2、假设有N个自主水下机器人AUV,将自主水下机器人AUV之间的通信用一个通信图来表示,以此建立N个自主水下机器人AUV的拓扑通信,并根据拓扑关系构建N个自主水下机器人AUV的协同控制目标;
步骤3、分析多自主水下机器人系统可能遭受到的异步拒绝服务攻击(简称DoS),设计控制器与触发率结合,使多自主水下机器人系统在相应的网络攻击下依然能完成系统控制目标;
所述步骤1具体如下:
设 为惯性参考坐标系中的位置矢量; 是为惯性参考坐标系中的方向矢量; 是惯性参考坐标系中的线速度;
地球固定坐标系的原点OE选在海平面上任意一点,XE轴指向正北方向,YE轴指向正东方向,ZE轴垂直于平面OEXEYE指向地球表面;惯性参考坐标系的原点Ob选在AUV的质心位置,Xb轴沿AUV的中线指向艏向方向,Yb轴垂直于AUV的中线指向右舷方向,Zb轴垂直于平面ObXbYb指向AUV的底部;
其中,xi,yi,zi分别表示为第i个自主水下机器人在惯性参考坐标系中的纵荡位置、横荡位置、升沉位置;ui,qi,wi分别表示为AUV在体坐标系下的纵荡速度、横荡速度、升沉速度;
自主水下机器人的运动学模型表示为:
其中 是位置矢量对于时间的导数;Ji是系统的运动转换矩阵,其与线速度矢量vi的乘积用于反映第i个AUV运动位移随时间的导数;
Ji(Θi)是由方向矢量Θi=[θi,φi,ψi]表达的关系式,用来转换线速度vi与位置矢量ηi导数的关系;
下式用来描述系统输入与AUV运动动力学之间的关系:其中, Ci是第i个AUV的科里奥利矩阵和向心力矩阵,Mi是惯性矩阵, Di是水动力阻力矩阵,gi是恢复力的矢量,τi是系统的输入;
在步骤2中,建立的N个自主水下机器人AUV的拓扑通信由有向图来表示,相关图论如下:假设由N个AUV构成的系统由图G(V,E,A)表示,其中V是系统的节点集合, 表示N×N系统通信边的集,A=[aij]∈R 表示拓扑图G的邻接矩阵;如果AUV i可以接收到邻居AUVj的信息,相应的aij=1,否则aij=0,对于可以向i发送消息的邻居j成为内邻居j,相应地i被称作j的外邻居;拉普拉斯矩阵L=D‑A,其结构可以表示为:在步骤2中,根据拓扑关系构建N个自主水下机器人AUV的协同控制目标具体如下:首先对DoS攻击的时长进行假设,攻击模型表示为:其中 与 均为大于0的常数,用以描述通信信道ij遭受DoS攻击的时长;
关于边ij收到DoS攻击的频率与次数描述为:ij ij
其中的n (t0,t)表示(t0,t)时间段内边ij收到DoS攻击的次数,f (t0,t)表示受到DoS攻击的频率;
定义时间间隔 用来描述系统遭受到DoS攻击后的受到影响时长:根据AUV运动学模型分析其具有的性质包括:性质(1):存在一个有限的常数,使得λmin<λmax<∞,λminIn×n≤Mi≤λmaxIn×n;
性质(2):存在矩阵 具有斜对称性;
性质(3):
假设对于AUV系统的线速度及其导数是有界的,在多AUV系统遭受到异步DoS攻击的同时需要完成的协同控制目标为:所述步骤3具体如下:
为控制器设计辅助变量:
表示在这段时间内,边ij处于DoS休眠时间段; 是边ij受到DoS攻击的时间段, 表示AUV在受到DoS攻击前传输的最后一次自己的状态信息,变量 在DoS休眠时间段内表示自己当前的位置状态信息, 表示第i个AUV在触发时刻 上传的自身位置信息;由设计的辅助变量可以得到下式:θi=vi‑si
为实现协同控制目标,将控制器设置为:
τi=‑kisi+Bi
通过设计的辅助变量和系统的性质得到:
系统的通信采用事件触发控制,事件触发控制即是为系统设计一个触发函数,当系统的状态满足触发函数的条件时,系统通过传感器,控制器对多自主水下机器人系统进行调整;
系统的测量误差设置为:
时刻 表示事件触发函数触发,系统边ij的采样时刻;根据设定的测量误差,得到系统的触发函数:通过上述设计的控制器与触发率相结合的方法使多水下自主机器人系统在异步DoS攻击下完成协同控制的目标。