技术领域
[0001] 本发明涉及无人机控制技术领域，具体为基于事件的无人机编队间歇控制方法、系统、设备及介质。
相关背景技术
[0002] 无人机编队系统面临着日益严峻的安全挑战，尤其是针对欺骗攻击的威胁。这种攻击可以通过多种手段实施，包括篡改传感器数据、发送虚假位置信息、干扰通信信号等，旨在欺骗系统的控制和决策过程。一旦受到攻击，无人机编队可能会误导执行错误的任务指令，导致任务失败或未完成，甚至可能引发设备损坏、碰撞事故或泄露重要数据的风险。在军事应用中，这种攻击可能暴露战术意图或破坏战略计划，对国家安全构成严重威胁。
[0003] 如何有效地管理和优化通信资源是在无人机编队通信的关键问题之一。大规模的无人机编队通常需要同时传输大量实时数据，如高清视频、传感器信息和位置数据，这些数据量巨大且对通信带宽要求极高。此外，频谱资源的有限性也限制了通信能力的提升，特别是在密集通信环境或频谱拥挤区域。通信延迟对某些应用场景尤为敏感，例如协同作战和紧急响应，因此，确保通信的实时性和可靠性至关重要。同时，随着电磁环境的复杂化，无人机编队还面临着来自干扰和恶意攻击的安全风险,导致无人机的控制性能降低，为此，我们提出基于事件的无人机编队间歇控制方法、系统、设备及介质。
具体实施方式
[0153] 下面将结合本公开实施例中的附图，对本公开实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本公开一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本公开中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本公开保护的范围。
[0154] 请参阅图1，本发明提供技术方案：基于事件的无人机编队间歇控制方法，包括以下步骤：
[0155] S1.构建无人机编队的动力学模型,具体如下：
[0156] (S11)建立无人机编队，编队中包含一个虚拟领导者，标记为第0个无人机，和N个跟随者，标记为1,2,…,N；
[0157] 第i架固定翼无人机的运动学方程表示为：
[0158]
[0159] 式中 表示第i个无人机的位置，[ ]T表示该矩阵的转置矩阵，分别表示是第i个无人机在时间t的x、y、z轴位置坐标，其具体定义分别
如下：
[0160]
[0161] 式中θi(t)表示第i架无人机的飞行路径的倾斜角，λi(t)表示第i个无人机的飞行路径的方位角，Vi(t)表示第i架无人机的飞行速度；
[0162] (S12)对于第i个跟随者无人机，满足以下方程：
[0163]
[0164] 式中g表示重力加速度；λxi(t)、λyi(t)和λzi(t)分别代表无人机滚动、俯仰和偏航的加速度；
[0165] 根据步骤(S11)和步骤(S12)可以得到实际控制公式：
[0166] qi(t)＝[λxi(t) λyi(t) λzi(t)]T (34)
[0167] 结合上述公式，可得最终公式：
[0168]
[0169] 其中，
[0170]
[0171] 式中， 表示无人机加速度矢量；θi(t)表示第i架无人机的飞行路径的倾斜角，λi(t)表示第i个无人机的飞行路径的方位角；
[0172] S2.基于图论基础构建无人机编队受欺骗攻击的状态空间模型,具体如下：
[0173] 对于第i架无人机，在受到欺骗攻击的情况下，其状态方程如下：
[0174]
[0175] 式中fi(t)表示未知的欺骗攻击信号,E0是一个已知的具有适当维度的常数矩阵，是第i架无人机的位置信息,vi(t)是第i架无人机的速度矢量。
[0176] E0和ui(t)的具体形式如下：
[0177]
[0178] ui(t)＝ji(t)*qi(t)
[0179] 为了表示无人机的状态，将状态向量xi(t)定义为：
[0180]
[0181] 由此，系统的状态空间模型可以表示为：
[0182]
[0183] yi(t)＝C1*xi(t)(40)
[0184] 式中 是状态向量xi(t)对时间的导数，yi(t)是输出向量，A、B、C1、E分别是系统矩阵、输入矩阵、攻击矩阵和输出矩阵；
[0185] 系统矩阵A、输入矩阵B、攻击矩阵E和C1的具体形式如下：
[0186]
[0187] C1＝[I3 0]
[0188] 式中I3是指3×3的单位矩阵；
[0189] S3.构建基于观测器的间歇控制策略，具体包括定义期望相对位置与跟踪误差、设计欺骗攻击观测器、在设计欺骗攻击观测器基础上构建间歇控制策略，具体如下：
[0190] (S31)定义期望相对位置与跟踪误差：
[0191] 多无人机系统的有向通信拓扑F具有有向生成树，根节点是虚拟领导无人机；为了获得第i架无人机的轨迹，描述第i架无人机与第0架无人机之间的相对位置如下：
[0192]
[0193] 其中Δζxi(t)、Δζyi(t)、Δζzi(t)分别为：
[0194]
[0195]
[0196] 式中θ0(t)表示两个任意相邻无人机之间的初始期望相对距离向量,λ0代表在在遭受欺骗攻击下的参数设置值，si(t)代表第i架无人机与第0架无人机之间的距离，χi(t)是连接线(连接线连接第i架无人机和第0架无人机)与xy平面的锐角，βi(t)是距离si(t)和相对速度dvi(t)在xy平面上的投影之间的夹角，λ0代表在特定条件下的参数设置值；
[0197] 第i架无人机的期望位置可以表示为：
[0198]
[0199] 其中 是第0架无人机的坐标；
[0200] 最终，将第i架无人机的跟踪误差记为:
[0201]
[0202] 其中 是第i架无人机的位置信息,vi(t)是第i架无人机的速度矢量；
[0203] (S32)在设计欺骗攻击观测器基础上构建间歇控制策略：
[0204] 为了估计和消除每个无人机的欺骗攻击的影响，第i架无人机的欺骗攻击观察器设计如下：
[0205]
[0206] 式中ξ(t)是中间变量，用于辅助估计攻击信号， 是估计的欺骗攻击信号，H是需要确定的观测器增益矩阵，C2是具有适当维度的可逆参数矩阵，C1是输出矩阵，yi(t)是测量输出，A、B是系统矩阵，E是观测矩阵；
[0207] H和C2矩阵用于估计出欺骗攻击信号，具体设计形式如下：
[0208] H＝I6
[0209] C2＝[I3 0]
[0210] 式中，I6表示六阶单位矩阵，I3表示三阶单位矩阵；
[0211] (S33)为了减少多无人机系统的计算和能源资源消耗，构建了一个周期性间歇控制策略，分为控制时间和休息时间：
[0212] 控制时间：[nT,nT+S)
[0213] 休息时间：[nT+S,(n+1)T)
[0214] 其中，S∈(0,T]是周期T内的控制时长，n用来标识周期的索引；
[0215] 然后提出如下的无人机编队系统控制策略：
[0216]
[0217] 其中， 是控制信号，在控制时间内生效； 是估计的欺骗攻击信号的补偿；+
是期望加速度，用于轨迹跟踪；B为矩阵B的伪逆矩阵；
[0218] B+的具体设计形式如下：
[0219]
[0220] 具体控制信号定义为：
[0221]
[0222] 其中，
[0223]
[0224] 其中， 是事件触发信号； 是来自j号无人机的最新传输信号；wij是权重系数，反映了无人机之间的通信拓扑结构；bi是偏置项；K是需要确定的控制器增益矩阵；
[0225] 该策略通过事件触发机制进行控制，只有在检测到显著状态变化时才进行控制计算，从而降低了计算负担，同时，间歇控制策略通过周期性休息时间进一步减少了控制器的能量消耗；
[0226] S4.构建基于平均方法的事件触发机制，具体包括定义状态误差和状态误差的平均值、定义触发阈值函数、定义触发条件、定义触发信号、定义系统状态方程及构建误差系统，具体如下：
[0227] (S41)定义状态误差和状态误差的平均值，方法如下：
[0228] 状态误差eyi(t)表示第i个无人机在时刻t的状态误差，定义为：
[0229]
[0230] 式中 是状态估计值， 是实际测量值，C1是输出矩阵， 是在最近一次事件触发时刻 时，第i个无人机的状态向量， 是状态向量估计值；
[0231] 状态误差的平均值 的具体定义为：
[0232]
[0233] 式中wij表示无人机i和j之间连接的权重， 代表第i个无人机在时刻t的状态估计值， 表示在最近一次事件触发时刻 时，第i个无人机及其邻点的状态平均值，表示第i个无人机在时间t的邻居状态的加权平均值；
[0234] (S42)定义触发阈值函数，方法如下：
[0235] 触发阈值函数σi(t)是一个时间相关的函数，用于动态调整触发条件的阈值，定义为：
[0236]
[0237] 式中σmini和σmaxi分别是最小和最大触发阈值， 是状态误差的平均值；
[0238] (S43)定义触发条件，方法如下：
[0239]
[0240] 表示如果状态误差eyi(t)的加权范数小于阈值σi(t)平均状态误差 的加权范数的乘积，则不触发事件；
[0241] 式中 是状态误差向量eyi(t)的转置矩阵；矩阵φi是一个权重矩阵，用于调整不同状态误差分量的重要性； 是平均状态误差 的转置矩阵；
[0242] (S44)定义触发信号，方法如下：
[0243] 事件触发信号 可以表示为：
[0244]
[0245] 其中eyi(t)表示第i个无人机在时间t的状态误差；
[0246] 估计误差表示为 使用克罗内克积可得：
[0247]
[0248] 其中，
[0249]
[0250] C1＝[I3 0]；
[0251] C2＝[I3 0]；
[0252]
[0253]
[0254] 其中，fi(t)表示第i个无人机的实际的欺骗攻击信号； 表示第i个无人机的估计的欺骗攻击信号；
[0255] (S45)定义系统状态方程，方法如下：
[0256] 系统状态方程在控制时间段和休息时间段分别表示为：
[0257]
[0258] 其中，
[0259] [nT,nT+S)是控制时间；[nT+S,(n+1)T)是休息时间；S∈(0,T]是周期T内的控制时长，n用来标识周期的索引；
[0260]B0＝diag{b1,b2,…,bN}；
是状态向量估计值； 是状态误差向量eN(t)的转置矩阵；
[0261] (S46)构建误差系统，方法如下：
[0262] 定义：
[0263]
[0264] 误差系统的定义如下：
[0265]
[0266] 其中，A1＝A1；A2＝A2；B1＝B；B2＝0；ε1＝ε2＝ε；z(t)是多无人机系统的输出；
[0267] 其中,l,A1,A2,B,ε,G,D的具体定义如下：
[0268]
[0269]
[0270] G＝[I6N 06N×3N]
[0271] D＝[2 2 3 3 2 2]；
[0272] S5.对无人机编队进行稳定性分析，并根据分析结果评估无人机编队飞行状态，具体如下：
[0273] 如果存在v＞0和衰减率ω使得无人机编队系统控制策略的误差系统指数稳定,则对于所有t＞0:
[0274] ||η(t)||≤ve‑ωt||η0|| (58)
[0275] 其中η0＝η(0)；
[0276] 如果存在矩阵 φi>0(i∈g)，则误差系统的指数是稳定的，且：
[0277]
[0278] κ＝ρ1s‑ρ2(T‑S)＞0
[0279] 其中：
[0280]
[0281] φ＝diag{φ1,φ2,…,φN}
[0282] γ＝3.61
[0283] 其中，S∈(0,T]是待定周期T内的控制时长； ρι(ι＝{1,2})都是待定参数，K是控制增益矩阵和H是观测增益矩阵；
[0284] 当无人机编队满足上述条件时，则认为无人机编队能够进行稳定飞行。
[0285] 综上所述，本实施例的技术方案为无人机系统的安全运行提供了强有力的保障，本实施例首先利用图论的数学工具，精细地构建了无人机编队的动力学模型和状态空间模型，在此基础上，设计了一种高效且经济的基于观测器的间歇控制策略，通过精确定义期望相对位置与跟踪误差，以及精心设计的欺骗攻击观测器，能够实时检测并补偿外部干扰，从而在保持控制性能的同时，大幅减少计算量和能源消耗，此外，构建的间歇控制策略通过智能地调整控制输入的频率，进一步优化了无人机编队的能源效率；
[0286] 并引入了一种基于平均方法的事件触发机制，通过定义状态误差、状态误差的平均值、触发阈值函数以及触发条件，确保了控制系统在受到欺骗攻击时的稳定性和响应速度，触发信号的设计使得系统仅在必要时进行控制更新，从而避免了不必要的计算和能源浪费，最后，进行无人机编队飞行稳定性分析，确保飞行过程中无人机的稳定性。
[0287] 实施例二：
[0288] 本发明提供一种基于事件的无人机编队间歇控制系统，用于实现实施例一描述的基于事件的无人机编队间歇控制方法，包括：
[0289] 第一构建模块，用于构建无人机编队的动力学模型；
[0290] 第二构建模块，用于基于图论基础构建无人机编队受欺骗攻击的状态空间模型；
[0291] 第三构建模块，用于构建基于观测器的间歇控制策略，具体包括定义期望相对位置与跟踪误差、设计欺骗攻击观测器、构建间歇控制策略；
[0292] 第四构建模块，用于构建基于平均方法的事件触发机制，具体包括定义状态误差和状态误差的平均值、定义触发阈值函数、定义触发条件、定义触发信号、定义系统状态方程及构建误差系统；
[0293] 分析模块，用于对无人机编队进行稳定性分析，并根据分析结果评估无人机编队飞行状态。
[0294] 具体而言，上述第一构建模块、第二构建模块、第三构建模块及分析模块可以嵌入到计算机处理系统中，计算机依据上述提供的基于事件的无人机编队间歇控制方法，调用上述各模块完成对无人机编队进行控制的任务；上述第一构建模块、第二构建模块、第三构建模块及分析模块可以按照所述的基于事件的无人机编队间歇控制方法给出的具体步骤执行操作。
[0295] 要说明的是，应理解以上系统的各个模块的划分仅仅是逻辑功能的划分，实际实现时可以全部或部分集成到一个物理实体上，也可以物理上分开，且这些模块可以全部以软件通过处理元件调用的形式实现；也可以全部以硬件的形式实现；还可以部分模块通过处理元件调用软件的形式实现，部分模块通过硬件的形式实现。例如，分析模块可以为单独设立的处理元件，也可以集成在上述装置的某一个芯片中实现，此外，也可以以程序代码的形式存储于上述装置的存储器中，由上述装置的某一个处理元件调用并执行以上信号处理模块的功能，其它模块的实现与之类似。此外这些模块全部或部分可以集成在一起，也可以独立实现，这里所述的处理元件可以是集成电路，具有信号的处理能力，在实现过程中，上述方法的各步骤或以上各个模块可以通过处理器元件中的硬件的集成逻辑电路或者软件形式的指令完成。
[0296] 例如，以上这些模块可以是被配置成实施以上方法的一个或多个集成电路，例如：一个或多个特定集成电路(Application Specific Integrated Circuit，简称ASIC)，或，一个或多个微处理器(Digital Singnal Processor，简称DSP)，或，一个或者多个现场可编程门阵列(Field Programmable Gate Array，简称FPGA)等。再如，当以上某个模块通过处理元件调度程序代码的形式实现时，该处理元件可以是通用处理器，例如中央处理器(Central Processing Unit，简称CPU)或其它可以调用程序代码的处理器。再如，这些模块可以集成在一起，以片上系统(system‑on‑a‑chip，简称SOC)的形式实现。
[0297] 实施例三：
[0298] 本发明提供一种终端设备，包括存储器、处理器及存储在存储器中并能够在处理器上运行的计算机程序，所述存储器中存储有能够在处理器上运行的计算机程序，所述处理器加载并执行计算机程序时，采用了上述的基于事件的无人机编队间歇控制方法。
[0299] 需要说明的是，终端设备可以采用台式电脑、笔记本电脑或者云端服务器等计算机设备，并且，终端设备包括但不限于处理器以及存储器，例如，终端设备还可以包括输入输出设备、网络接入设备以及总线等。
[0300] 进一步的，处理器可以采用中央处理单元(CPU)，当然，根据实际的使用情况，也可以采用其他通用处理器、数字信号处理器(DSP)、专用集成电路(ASIC)、现成可编程门阵列(FPGA)或者其他可编程逻辑器件、分立门或者晶体管逻辑器件、分立硬件组件等，通用处理器可以采用微处理器或者任何常规的处理器等，本申请对此不做限制。
[0301] 实施例四：
[0302] 本发明提供一种包含计算机可执行指令的存储介质，所述计算机可执行指令在由计算机处理器执行时用于执行上述的基于事件的无人机编队间歇控制方法。
[0303] 其中，计算机程序可以存储于计算机可读介质中，计算机程序包括计算机程序代码，计算机程序代码可以为源代码形式、对象代码形式、可执行文件或某些中间件形式等，计算机可读介质包括能够携带计算机程序代码的任何实体或装置、记录介质、U盘、移动硬盘、磁碟、光盘、计算机存储器、只读存储器(ROM)、随机存取存储器(RAM)、电载波信号、电信信号以及软件分发介质等，需要说明的是，计算机可读介质包括但不限于上述元器件。
[0304] 实施例五：
[0305] 本发明提供一种计算机程序产品，所述计算机程序产品包括计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时，用于加载并执行上述的基于事件的无人机编队间歇控制方法。
[0306] 需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。
[0307] 对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。当元件被称为“装配于”、“安装于”、“固定于”或“设置于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。本文所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“上”、“下”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的，并不表示是唯一的实施方式。
[0308] 尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。
[0309] 在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“示例”、“具体示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本公开的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
