[发明专利]一种在DoS攻击下保持移动舞台车队安全间距的分布式控制方法

说明书

本发明公开了一种在DoS攻击下保持移动舞台车队安全间距的分布式控制方法，采用了领航跟随编队控制方法并结合对车台的运动学分析建立了移动舞台车系统的状态空间模型；然后用一条马尔可夫链模拟攻击行为并通过马尔可夫切换系统方法来构建在攻击下的运动学模型；随后设计了一个在DoS攻击下保持移动舞台车队预设安全间距的网络化分布式控制器来对系统进行控制；并进一步通过李雅普诺夫稳定性理论分析和相关矩阵变换方法给出了通过求解一组LMI来获得保证系统鲁棒性的控制器增益方法，可以很便利的通过使用LMI求解工具离线求解控制器增益K_ρ(k),根据本方法所设计的状态反馈控制器能够保证在DoS攻击下移动舞台车队可以保持在一个预设的安全距离下动作。

技术领域

本发明涉及移动舞台车队编队控制领域，尤其涉及一种在DoS攻击下保持移动舞台车队安全间距的分布式控制方法。

背景技术

为了给观众带来更加震撼的视觉体验，现代舞台演出中更多的不仅仅是单个个体的表演，而是多个个体之间有序的协同配合完成特定节目效果，如2016年央视春晚的540台Alpha机器人编队舞蹈为孙楠伴舞，2019年深圳600架无人机编队组成“我爱中国”，“我爱香港”等标语……协同控制问题的研究与应用也吸引了越来越多的专家学者和企业的兴趣。在编队控制问题中，传统理论上一般可归结为领航跟随法、基于行为法和虚拟结构法三种研究方法，其中基于行为法不能明确的定义群体行为，难以对其进行数学分析，并且不能保证队形的稳定性；虚拟结构法要求队形向一个虚拟结构运动，限制了该方法的应用范围；而其中最常用的是跟随领航法，即以一个机器人为领导者，剩下的其他机器人作为跟随者跟随领导者实现某种编队或者作出相应动作。

在实际舞台节目演出中，我们一般采用领航跟随法来对移动车台系统进行编队控制，保持某种队形运动或者编队形态的改变完成特定的情境效果。一般的协同控制是状态趋同，但是这在实际应用中往往太过理想化，因为车台自身有一定的体积，在舞台演出中移动车台最终不可能达到同一个位置，这样会导致车台之间发生相互碰撞。更常见的是，多个车台往往以直线或者曲线编队形式来做出特定动作达到节目效果，各车台之间是会保留一定的安全距离。此外，实际控制中采用网络化分布式控制方式，每个车台通过固定时间采样方式将自身的状态信息发送到通信交流拓扑网络中。由于一般来说一场演出会设置固定的节目场景，所以作为领导者的车台通常都是采用预先写入运动轨迹或者运行速度等信息的方式，而不需要控制器来实时控制。而作为跟随者的每一个移动车台则都需要一个局部控制器来单独进行控制，具体为每一个分布式控制器通过获取信息交流拓扑中各邻居车台和领导者车台的状态信息来实时更新自身的控制量输出给被控车台。一般移动舞台车系统中的各个个体之间通信广泛采用的是网络传输方式，但无论是采用有线传输(同轴电缆、双绞线、光纤等)还是无线传输(ZigBee、WiFi、Bluetooth等)都会存在恶意网络攻击和环境干扰等问题。当干扰或者攻击发生时，车台之间的通信连接将被阻塞甚至完全打断。例如，当拒绝服务(Denial of Servie，简称DoS)网络攻击发生时，分布式控制器无法获取被控车台信息从而为其更新控制命令造成系统失控，造成移动舞台车系统的编队发生非预设的异变，从而发生车台-车台碰撞甚至车台-演员(观众)碰撞而导致舞台演出安全事故。

发明内容

为了保证在DoS网络攻击下移动舞台车队能够维持在一个预设的安全间距下动作从而不至于造成车台-车台碰撞甚至车台-演员(观众)碰撞而发生舞台演出安全事故，本发明通过运动学建模和状态反馈控制器设计给出了一种在DoS网络攻击下保持移动舞台车队安全间距的编队控制方法。

本发明的上述技术问题主要是通过下述技术方案得以解决的：

一种在DoS攻击下保持移动舞台车队安全间距的分布式控制方法，所述方法包括如下步骤：

1)通过领航跟随法建立如下移动舞台车编队运动学模型：

领导者：

跟随者：