[发明专利]基于拓扑重构的抗拒绝服务攻击的机器人编队控制方法

说明书

本发明公开了一种基于拓扑重构的抗拒绝服务攻击的机器人编队控制方法，包括步骤：构建移动机器人编队，确定通信信道重构逻辑并分析拒绝服务攻击的影响；设计辅助系统以及变量估计器；设计自适应跟踪控制器；针对由移动机器人编队、辅助系统、变量估计器以及自适应跟踪控制器构成的闭环系统，进行系统稳定性分析，给出该闭环系统在拒绝服务攻击下的稳定性条件。该方法突破了传统控制方法无法抵御恶意攻击的难题，放宽了对可容许攻击时长和拓扑重构驻留时间的约束，提高了分布式编队控制器的控制性能，增强了编队的安全性和可靠性。

技术领域

本发明涉及地面移动机器人控制技术领域，尤其涉及一种双轮差速移动机器人的分布式自适应编队控制领域。具体讲，涉及在拒绝服务攻击下采用动态拓扑重构的移动机器人分布式自适应编队控制方法。

背景技术

双轮差速移动机器人具备两个独立驱动的主动轮，通过调节两个车轮的转速，实现对线速度和角速度的调整。相比于传统的采用舵机和后驱车轮的移动机器人，双轮差速移动机器人可以实现原地转向，具有机械结构简单、运动能力强、适用范围广等诸多优势，在军民应用领域展现出了巨大的应用潜力。双轮差速移动机器人具有多变量、欠驱动、非线性、含不确定性等特点，其控制技术一直是理论研究的重难点。另外，在构成编队的过程中，如何实现分布式控制，即每个机器人只需要若干个机器人的状态信息，而不需要获得所有的全局信息，也是研究的一个重难点。

目前，大部分机器人编队相关的研究成果，都基于固定的通信拓扑，重点关注机器人的运动学模型，在此基础上设计编队控制器。而对于动力学模型的控制问题，均采用经典的PID控制方法。

然而，目前的编队控制方法，存在一定的不足：（1）部分控制器需要使用全部或部分全局信息，一旦部分机器人出现故障，整个系统可能难以正常运行；（2）目前，一部分基于拓扑重构的编队控制器需要一定的重构驻留时间来确保闭环系统稳定，而该驻留时间的下界与设计参数、通信拓扑参数相关。另一部分则需要部分全局信息，通过牺牲分布式的鲁棒性来实现任意重构驻留时间下的系统稳定；（3）随着应用环境的复杂，通信安全日益严重。目前所设计的控制器以及采用的固定通信拓扑，均无法有效抵御常见的恶意通信攻击，比如拒绝服务攻击，难以确保系统在恶意通信攻击下的性能；（4）机器人动力学模型采用经典PID控制方法，忽略了未知参数和非线性项的影响，不利于提高系统的运行性能。更为严重的是，当系统参数发生改变时，原有的PID参数可能无法保证系统良好运行。因此，上述方法均具有一定的应用局限性。

发明内容

为了克服现有技术中存在的不足，本发明旨在提出一种拒绝服务攻击下，基于通信拓扑重构的机器人编队控制方法。具体而言，考虑双轮差速移动机器人在通信遭受拒绝服务攻击且系统参数不确定性的情形，提出了一种基于拓扑重构的分布式自适应编队控制方法，突破了传统控制方法无法抵御恶意攻击的难题，放宽了对可容许攻击时长和拓扑重构驻留时间的约束，提高了分布式编队控制器的控制性能，增强了编队的安全性和可靠性。

本发明采用的技术方案是：

一种基于拓扑重构的抗拒绝服务攻击的机器人编队控制方法，包括以下步骤：

第一步，确定通信信道重构逻辑并分析拒绝服务攻击的影响：构建移动机器人编队，并使用无向拓扑图描述移动机器人之间的通信信道；对所述移动机器人编队进行分层划分，确定通信信道的重构逻辑，得到拓扑重构策略，并分析拓扑重构策略影响下攻击对通信信道的有效攻击时长；

第二步，设计辅助系统以及变量估计器：针对只有部分移动机器人可以获取参考轨迹信息的情况，利用局部信息，为每个移动机器人设计辅助系统以及变量估计器，从而分布式地使辅助系统状态跟踪参考轨迹的位姿和速度；

第三步，设计自适应跟踪控制器：基于移动机器人的运动学和动力学模型，采用自适应反步法和横截函数，设计带有参数估计器的自适应跟踪控制器，使得移动机器人实现对系统未知参数的估计以及对辅助系统状态量的跟踪；