本發(fā)明涉及海洋技術(shù)工程，尤其涉及一種網(wǎng)絡(luò)攻擊下欠驅(qū)動(dòng)asv動(dòng)態(tài)事件觸發(fā)自適應(yīng)模糊預(yù)設(shè)性能控制方法。

背景技術(shù)：

1、asv是一種能夠自主航行并完成一系列任務(wù)的智能化水面平臺(tái)，具有較強(qiáng)的自主能力，廣泛的活動(dòng)范圍，可靠的安全性能及較低的運(yùn)行成本等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛運(yùn)用于科學(xué)研究、海水檢測(cè)和海上偵察搜索等領(lǐng)域，擁有廣闊的應(yīng)用前景。隨著人類對(duì)海洋經(jīng)濟(jì)活動(dòng)日益頻繁和海洋工程的不斷進(jìn)步，asv在水域探測(cè)、海洋科考、海洋軍事等領(lǐng)域發(fā)揮著越來越重要的作用。

2、要完成asv路徑跟蹤任務(wù)，其關(guān)鍵是實(shí)現(xiàn)自主航行部分的制導(dǎo)算法和控制算法，使asv沿著規(guī)定航線最終到達(dá)目的地。當(dāng)今主流的制導(dǎo)技術(shù)有基于前向視距法、虛擬引導(dǎo)法、人工勢(shì)場(chǎng)法等算法，這些技術(shù)都需要實(shí)時(shí)計(jì)算參考信號(hào)，計(jì)算結(jié)果會(huì)實(shí)時(shí)同步傳輸?shù)娇刂葡到y(tǒng)中，驅(qū)動(dòng)asv向著參考位置航行。為了降低控制命令連續(xù)傳輸造成通信負(fù)載過大的問題，事件觸發(fā)技術(shù)廣泛應(yīng)用于asv的路徑跟蹤控制領(lǐng)域，其在處理通信負(fù)載方面具有良好的效果。這些事件觸發(fā)技術(shù)主要包括靜態(tài)事件觸發(fā)、動(dòng)態(tài)事件觸發(fā)兩種方式。動(dòng)態(tài)事件觸發(fā)技術(shù)具有動(dòng)態(tài)可調(diào)的觸發(fā)閾值參數(shù)，可以節(jié)省更多的通信資源。值得注意的是，高精度控制系統(tǒng)在運(yùn)行過程中可能出現(xiàn)跳變，導(dǎo)致執(zhí)行機(jī)構(gòu)頻繁觸發(fā)，出現(xiàn)非線性切換動(dòng)態(tài)事件觸發(fā)。但目前觸發(fā)閾值仍然需要人為設(shè)計(jì)參數(shù)，這對(duì)船舶操作員來說比較困難。此外事件觸發(fā)技術(shù)會(huì)降低asv的控制精度，如何平衡通信負(fù)載和控制精度的關(guān)系仍然是一個(gè)難點(diǎn)。

3、在asv智能控制理論體系迅猛發(fā)展的同時(shí)，由于無人船等控制系統(tǒng)具備一般信息物理系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)特性，使得其在軌跡跟蹤任務(wù)研究中仍存在一些挑戰(zhàn)。例如信息欺騙攻擊惡意更改系統(tǒng)信號(hào)、系統(tǒng)通信資源受限、需要達(dá)到規(guī)定的性能指標(biāo)、外界海洋環(huán)境的擾動(dòng)、自主水面航行器欠驅(qū)動(dòng)和不確定非線性模型等，而這些問題可能會(huì)導(dǎo)致asv路徑跟蹤魯棒性降低甚至導(dǎo)致整個(gè)系統(tǒng)不穩(wěn)定。

4、在實(shí)踐中，一方面asv在海洋中工作時(shí)不可避免地遇到各種干擾，需要實(shí)時(shí)獲取asv的狀態(tài)信息，而傳統(tǒng)的艦載設(shè)備只能測(cè)量asv的位置和姿態(tài)信息。一種良好的控制方法是利用高增益觀測(cè)器獲取不可測(cè)的速度信息，并采用自適應(yīng)固定時(shí)間擴(kuò)展?fàn)顟B(tài)觀測(cè)器同時(shí)逼近asv的大在固定時(shí)間內(nèi)的未知狀態(tài)和模型。但這兩種方法通常都會(huì)出現(xiàn)超調(diào)，可能導(dǎo)致瞬態(tài)觀測(cè)性能較差。然而，由于大多數(shù)水面航行器是欠驅(qū)動(dòng)的，即以較少的控制輸入驅(qū)動(dòng)多自由度方向上的運(yùn)動(dòng)，欠驅(qū)動(dòng)asv具有復(fù)雜的級(jí)聯(lián)結(jié)構(gòu)，所以上述方法不能直接應(yīng)用于asv的軌跡跟蹤任務(wù)。在控制器設(shè)計(jì)中，控制結(jié)構(gòu)的選擇及整個(gè)系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行需要考慮不可控動(dòng)力穩(wěn)定性和可控性約束，如何克服干擾同時(shí)使系統(tǒng)在達(dá)到預(yù)設(shè)性能指標(biāo)的同時(shí)穩(wěn)定運(yùn)行依然是亟待完善的學(xué)術(shù)和工程難題。另一方面，asv的航行環(huán)境和控制性能是至關(guān)重要的考慮因素，特別是在狹窄擁擠的水道中航行時(shí)。在這種情況下，傳統(tǒng)的無約束控制方案可能會(huì)大大增加碰撞的風(fēng)險(xiǎn)。此外，在實(shí)際的海洋條件下，機(jī)載傳感器的傳感和通信范圍往往是有限的，如何實(shí)現(xiàn)復(fù)雜工況下遠(yuǎn)距離的安全航行是本技術(shù)需要思考的問題。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本發(fā)明提供一種網(wǎng)絡(luò)攻擊下欠驅(qū)動(dòng)asv動(dòng)態(tài)事件觸發(fā)自適應(yīng)模糊預(yù)設(shè)性能控制方法，以克服上述技術(shù)問題。

2、為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的技術(shù)方案是：

3、一種網(wǎng)絡(luò)攻擊下欠驅(qū)動(dòng)asv動(dòng)態(tài)事件觸發(fā)自適應(yīng)模糊預(yù)設(shè)性能控制方法，包括以下步驟：

4、s1：建立關(guān)于欠驅(qū)動(dòng)asv模型的假設(shè)條件，以構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)攻擊下包含模型不確定性項(xiàng)的欠驅(qū)動(dòng)asv模型；

5、s2：基于模糊邏輯技術(shù)，根據(jù)欠驅(qū)動(dòng)asv模型構(gòu)建自適應(yīng)模糊觀測(cè)器，并根據(jù)自適應(yīng)模糊觀測(cè)器構(gòu)建狀態(tài)預(yù)測(cè)模型；

6、且根據(jù)所述狀態(tài)預(yù)測(cè)模型獲取欠驅(qū)動(dòng)asv的狀態(tài)預(yù)測(cè)誤差；

7、s3：定義領(lǐng)航者與跟隨者的asv編隊(duì)構(gòu)型，并構(gòu)建用于保持跟隨者與領(lǐng)航者編隊(duì)控制的性能控制函數(shù)；

8、s4：根據(jù)所述性能控制函數(shù)構(gòu)建船舶模糊預(yù)設(shè)性能虛擬控制律；

9、s5：根據(jù)船舶模糊預(yù)設(shè)性能虛擬控制律與欠驅(qū)動(dòng)asv的狀態(tài)預(yù)測(cè)誤差，構(gòu)建自適應(yīng)律；

10、s6：構(gòu)建用于避免由于控制器運(yùn)行時(shí)對(duì)執(zhí)行器頻繁更新控制，而造成系控制系統(tǒng)通信資源利用率低的切換動(dòng)態(tài)事件觸發(fā)機(jī)制，以獲取控制器的實(shí)際輸入；

11、s7：基于切換動(dòng)態(tài)事件觸發(fā)機(jī)制與自適應(yīng)律，并根據(jù)預(yù)設(shè)計(jì)的n型函數(shù)構(gòu)建切換動(dòng)態(tài)事件觸發(fā)的編隊(duì)控制器，并根據(jù)所述編隊(duì)控制器實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)攻擊下欠驅(qū)動(dòng)asv動(dòng)態(tài)事件觸發(fā)自適應(yīng)模糊預(yù)設(shè)性能的控制。

12、進(jìn)一步的，s1中建立關(guān)于欠驅(qū)動(dòng)asv數(shù)學(xué)模型的假設(shè)條件為

13、假設(shè)一：欠驅(qū)動(dòng)asv的外部干擾dι與物理攻擊信號(hào)pι是有界的，即其中與表示dι與pι的上界；

14、假設(shè)二：欠驅(qū)動(dòng)asv的期望前向速度ul與期望側(cè)向速度vl是有界的，即其中與表示ul與vl的上界；

15、假設(shè)三：網(wǎng)絡(luò)欺騙攻擊能夠使控制器增益與變?yōu)槲粗覟榉橇愕某?shù)，同時(shí)在實(shí)際的船舶航行過程中，欠驅(qū)動(dòng)asv的執(zhí)行機(jī)構(gòu)具有有限的正能量，即與其中qu與qr表示正的設(shè)計(jì)常數(shù)；

16、構(gòu)建的所述網(wǎng)絡(luò)攻擊下包含模型不確定性項(xiàng)的欠驅(qū)動(dòng)asv數(shù)學(xué)模型，其表達(dá)式為

17、

18、式中：μu,μv,μr為中間參數(shù)變量,表示欠驅(qū)動(dòng)asv的不確定項(xiàng)，且

19、

20、du,dv,dr表示為阻尼項(xiàng)，且

21、du＝-xuu-x|u|u|u|u

22、dv＝-yvv-y|v|v|v|v-y|r|v|r|v-yrr-y|v|r|v|r-y|r|r|r|r

23、dr＝-nvv-n|v|v|v|v-n|r|v|r|v-nrr-n|v|r|v|r-n|r|r∣|r|r；

24、xu,x|u|u,yv,y|v|v,y|r|v,yr,y|v|r,y|r|r,nv,n|v|v,n|r|v,nr,n|v|r,n|r|r∣表示水動(dòng)力參數(shù)；x,y,ψ表示地球坐標(biāo)系下的位置橫坐標(biāo)、位置縱坐標(biāo)以及艏搖角；u,v,r表示前向速度、側(cè)向速度以及艏搖角速度；du,dv,dr表示欠驅(qū)動(dòng)asv的外部未知擾動(dòng)；qu,qr表示由推進(jìn)器與方向舵提供的控制輸入；pu,pv,pr分別表示物理攻擊對(duì)船體與設(shè)備造成的未知干擾；表示由網(wǎng)絡(luò)欺騙攻擊引起的作用于控制器的未知增益；mu,mv,mr表示欠驅(qū)動(dòng)asv的沿著前向、側(cè)向以及艏搖自由度上的附加質(zhì)量。

25、進(jìn)一步的，所述s2具體包括以下步驟：

26、s21：將欠驅(qū)動(dòng)asv的位置與速度的原始值的估計(jì)記為并定義欠驅(qū)動(dòng)asv的不確定項(xiàng)為

27、

28、式中：yι表示模糊邏輯系統(tǒng)的輸出；表示模糊邏輯系統(tǒng)的基函數(shù)；ει表示估計(jì)誤差；

29、則定義欠驅(qū)動(dòng)asv的位置誤差與速度誤差；

30、所述欠驅(qū)動(dòng)asv的位置誤差，其表達(dá)式為

31、

32、式中：分別表示位置橫坐標(biāo)誤差、位置縱坐標(biāo)誤差以及艏搖角誤差；

33、所述欠驅(qū)動(dòng)asv的速度誤差為且

34、s22：根據(jù)所述欠驅(qū)動(dòng)asv的位置誤差構(gòu)建欠驅(qū)動(dòng)asv的自適應(yīng)模糊觀測(cè)器，其表達(dá)式為

35、

36、式中：κx,κy,κψ,κu,κv以及κr均表示設(shè)計(jì)參數(shù)；ou,ov以及or表示中間變量且表示yι的估計(jì)量且ι＝u,v,r；

37、基于欠驅(qū)動(dòng)asv的速度誤差，并根據(jù)式(3)將自適應(yīng)模糊觀測(cè)器改寫為

38、

39、式中：分別表示的一階導(dǎo)；qι表示中間參數(shù)量，且qι＝ει+dι+pι,ι＝u,v,r；

40、s23：定義欠驅(qū)動(dòng)asv的預(yù)測(cè)誤差為且并基于欠驅(qū)動(dòng)asv的預(yù)測(cè)誤差為構(gòu)建狀態(tài)預(yù)測(cè)模型，其表達(dá)式為

41、

42、式中：bu,bv以及br表示設(shè)計(jì)參數(shù)；以及表示預(yù)測(cè)模型的輸出狀態(tài)；

43、并根據(jù)式(4)與式(6)獲取欠驅(qū)動(dòng)asv的狀態(tài)預(yù)測(cè)誤差，其表達(dá)式為

44、

45、進(jìn)一步的，所述s3具體包括以下步驟：

46、s31：定義領(lǐng)航者的虛擬參考路徑，并根據(jù)虛擬參考路徑獲取與跟隨者的相對(duì)距離d與相對(duì)方位角φ為

47、

48、式中：xl,yl分別表示虛擬參考路徑的位置橫坐標(biāo)與位置縱坐標(biāo)；x,y分別表示跟隨者的位置橫坐標(biāo)與位置縱坐標(biāo)；θ表示用于獲取相對(duì)方位角的中間參數(shù)；φ表示相對(duì)方位角；

49、并基于相對(duì)距離與相對(duì)方位角，獲取用于保證連通性與滿足避碰要求的約束條件，其表達(dá)式為

50、

51、式中：dmin表示相對(duì)距離的最小值，dmax表示相對(duì)距離的最大值dmin,dmax＞0；表示相對(duì)方位角的上界值，且

52、s32：定義相對(duì)距離與相對(duì)方位角的誤差，以獲取船舶跟蹤約束，所述船舶跟蹤約束的表達(dá)式為

53、

54、式中：ρd表示相對(duì)距離誤差；ρφ表示相對(duì)方位角誤差；dd表示期望相對(duì)距離；φd表示期望相對(duì)方位角；分別表示相對(duì)距離誤差的下界與上界；分別表示相對(duì)方位角的下界與上界；

55、s33：基于船舶跟蹤約束構(gòu)建用于保證預(yù)設(shè)性能的跟蹤誤差ρk(k＝d,φ)，且ρd＝d-dd,ρφ＝φ-φd，并根據(jù)跟蹤誤差ρk定義跟蹤誤差邊界函數(shù)；

56、且所述跟蹤誤差邊界函數(shù)的表達(dá)式為

57、ρk＝(ρk,0-ρk,∞)exp(-ekt)+ρk,∞

58、

59、式中：以及均表示正的設(shè)計(jì)常數(shù)；表示的簡(jiǎn)寫形式；ρk表示ρk(t)的簡(jiǎn)寫形式；

60、s34：根據(jù)跟蹤誤差邊界函數(shù)構(gòu)建用于保持跟隨者與領(lǐng)航者編隊(duì)控制的性能控制函數(shù)zk，其表達(dá)式為

61、

62、進(jìn)一步的，s4中構(gòu)建的船舶模糊預(yù)設(shè)性能虛擬控制律為

63、

64、式中：ζu,ζv,ζr表示中間變量且ζu＝γ1tanh(β1),ζv＝γ2tanh(β2),ζr＝γ3tanh(β3)；γu,γv以及γr為表示前向速度、側(cè)向速度以及艏搖角速度的虛擬控制律γ1,γ2以及γ3表示設(shè)計(jì)參數(shù)；β1,β2以及β3表示輔助系統(tǒng)變量且ωu,ωv,ωr表示中間變量且ωu＝zdπdcosφ,ωv＝-zdπdsinφ,ωr＝zφπφ；πk,表示中間變量且dd表示期望距離；表示為設(shè)計(jì)參數(shù)且表示未知參數(shù)，且由船舶前向先導(dǎo)速度ul的估計(jì)值與側(cè)向先導(dǎo)速度vl的估計(jì)值獲得；表示未知參數(shù)的估計(jì)。

65、進(jìn)一步的，所述s5具體包括以下步驟：

66、s51：根據(jù)船舶模糊預(yù)設(shè)性能虛擬控制律，定義中間誤差變量zι,ι＝u,v,r其表達(dá)式為

67、

68、s52：根據(jù)所述中間誤差變量zι與欠驅(qū)動(dòng)asv的狀態(tài)預(yù)測(cè)誤差，構(gòu)建自適應(yīng)律，其表達(dá)式為

69、

70、式中：表示的一階導(dǎo)；γι表示設(shè)計(jì)參數(shù)即預(yù)設(shè)固定閾值與動(dòng)態(tài)事件觸發(fā)機(jī)制之間切換的閾值；表示模糊邏輯系統(tǒng)的基函數(shù)；σι表示動(dòng)態(tài)可調(diào)閾值參數(shù)。

71、進(jìn)一步的，s6中構(gòu)建的所述切換動(dòng)態(tài)事件觸發(fā)機(jī)制為

72、

73、式中：表示待設(shè)計(jì)控制器的輸出，且為的簡(jiǎn)寫形式；tj,tj+1表示時(shí)間閾值參數(shù)；ep(t)表示切換動(dòng)態(tài)事件觸發(fā)機(jī)制誤差，且ep(t)＝σp(t)與ηp(t)表示為事件觸發(fā)動(dòng)態(tài)可調(diào)閾值參數(shù)；γp表示預(yù)設(shè)固定閾值與動(dòng)態(tài)事件觸發(fā)機(jī)制之間切換的閾值參數(shù)，且γp＞cp；cp表示觸發(fā)間隔且cp＞σp(t)·|qp(t)|+ηp(t)；qp(t)表示控制器的實(shí)際輸入；

74、其中，所述事件觸發(fā)動(dòng)態(tài)可調(diào)閾值參數(shù)的更新律為

75、

76、式中：cp,jp以及θp均為設(shè)計(jì)參數(shù)；

77、根據(jù)事件觸發(fā)動(dòng)態(tài)可調(diào)閾值參數(shù)的更新律與切換動(dòng)態(tài)事件觸發(fā)機(jī)制，以獲取控制器的實(shí)際輸入，具體為

78、根據(jù)公式(18)能夠得到

79、

80、根據(jù)公式(19)能夠得到

81、

82、式中：ηp(0)表示正常數(shù)；

83、根據(jù)公式(20)將切換動(dòng)態(tài)事件觸發(fā)機(jī)制誤差改寫為

84、

85、式中：αp1,αp2表示設(shè)計(jì)參數(shù)，且滿足

86、則根據(jù)公式(21)獲取控制器的實(shí)際輸入為

87、

88、進(jìn)一步的，s7中構(gòu)建的所述切換動(dòng)態(tài)事件觸發(fā)的編隊(duì)控制器，表達(dá)式為

89、

90、式中：表示待設(shè)計(jì)控制器的輸出；τu,tu,τr,tr表示中間變量；表示欠驅(qū)動(dòng)asv的n型函數(shù)；表示n型函數(shù)的設(shè)計(jì)參數(shù)，且kp,μp表示設(shè)計(jì)參數(shù)；σp(t)表示為動(dòng)態(tài)可調(diào)閾值參數(shù)且p＝u,r。

91、有益效果：本發(fā)明提供了一種網(wǎng)絡(luò)攻擊下欠驅(qū)動(dòng)asv動(dòng)態(tài)事件觸發(fā)自適應(yīng)模糊預(yù)設(shè)性能控制方法，

92、第一，本發(fā)明在保證預(yù)設(shè)性能的同時(shí)，設(shè)計(jì)了n型函數(shù)，有效減輕欺騙性攻擊導(dǎo)致的未知致動(dòng)器增益的影響。且與傳統(tǒng)控制策略不同，本發(fā)明研究了欠驅(qū)動(dòng)asv在網(wǎng)絡(luò)攻擊下的預(yù)設(shè)性能控制，構(gòu)建用于保持跟隨者與領(lǐng)航者編隊(duì)控制的性能控制函數(shù)，顯著提高了系統(tǒng)抵御欺騙攻擊的能力，從而保證了asv在執(zhí)行軌跡跟蹤任務(wù)時(shí)的安全性。

93、第二，基于模糊邏輯技術(shù)，根據(jù)欠驅(qū)動(dòng)asv模型構(gòu)建自適應(yīng)模糊觀測(cè)器，并根據(jù)自適應(yīng)模糊觀測(cè)器構(gòu)建狀態(tài)預(yù)測(cè)模型，基于提出的模糊邏輯系統(tǒng)在保證閉環(huán)系統(tǒng)的穩(wěn)定性和逼近模型不確定性之間取得了平衡，并將原系統(tǒng)與自適應(yīng)模糊觀測(cè)器之間的預(yù)測(cè)誤差作為狀態(tài)預(yù)測(cè)模型的輸入，消除了高增益模糊觀測(cè)器中的峰值現(xiàn)象。

94、第三，構(gòu)建了一種能夠有效減輕通信負(fù)擔(dān)、節(jié)約系統(tǒng)通信資源的切換動(dòng)態(tài)事件觸發(fā)機(jī)制。與時(shí)間采樣機(jī)制、事件觸發(fā)機(jī)制和動(dòng)態(tài)事件觸發(fā)機(jī)制相比，本發(fā)明構(gòu)建的切換動(dòng)態(tài)事件觸發(fā)機(jī)制能夠在固定閾值機(jī)制與動(dòng)態(tài)事件觸發(fā)機(jī)制之間動(dòng)態(tài)切換，通過應(yīng)用切換動(dòng)態(tài)事件觸發(fā)機(jī)制，即使在執(zhí)行器跳轉(zhuǎn)的情況下，也能夠進(jìn)一步節(jié)省通信資源。