[發明專利]一種基于元胞自動機的蜂群無人機故障傳播方法

有效

• 申請號: 202110088613.5
• 申請日: 2021-01-22
• 公開（公告）號: CN112929205B
• 公開（公告）日: 2022-05-10
• 發明（設計）人: 程月華;汪志軍;姜斌;楊浩;陳嚴波;薛琪
• 申請（專利權）人: 南京航空航天大學
• 主分類號: H04L41/0695
• 分類號: H04L41/0695;H04L41/12;H04L41/14;H04B7/185
• 代理公司: 南京經緯專利商標代理有限公司 32200
• 代理人: 熊玉瑋

本發明公開了一種基于元胞自動機的蜂群無人機故障傳播方法，屬于計算、推算或計數的技術領域。該方法利用元胞自動機對蜂群無人機遭受惡意攻擊造成的故障傳播進行描述。根據蜂群無人機結構和動力學的特點，對元胞自動機模型進行了擴展，再建立元胞自動機模型。對所有元胞狀態進行循環更新，直到滿足條件退出循環。采用此方法解決了蜂群無人機故障傳播建模困難的問題，可以有效地對蜂群無人機中的故障進行描述，為有效避免故障對蜂群無人機系統產生危害提供理論依據。

技術領域

本發明涉及故障傳播技術，具體涉及一種基于元胞自動機的蜂群無人機故障傳播方法，屬于計算、推算或計數的技術領域。

背景技術

隨著無人機作戰環境的日益復雜以及執行任務的日漸多樣化，由于單架無人機平臺載荷相對較小且信息處理能力相對較弱，因而需要多架無人機以蜂群的形式協同執行任務以擴展任務能力、提高執行效率。蜂群無人機集體執行任務的同時會增加故障發生的可能性，因此需要研究蜂群無人機的故障傳播方式，為有效避免故障對整個蜂群的影響提供理論依據。

現有的蜂群無人機研究主要集中在控制上，關于故障的研究也僅限于無人機編隊中單個個體的執行器或傳感器發生故障，而蜂群無人機和無人機編隊存在本質上的區別。首先，蜂群無人機的拓撲呈現松散、耦合、隨時間變化的特點，無人機編隊的拓撲是預先設定、不隨時間改變的，因此蜂群無人機具有更大的靈活性。其次，蜂群無人機的數量比無人機編隊多，通過大范圍分布，具備較強態勢感知、識別以及抗毀能力。

由于蜂群無人機比無人機編隊具備更強的抗毀能力，所以傳統的單個個體發生執行器或傳感器故障的形式對蜂群無人機的影響很小，不會造成很大的危害。參考多智能體領域中的惡意攻擊形式，本發明考慮的故障形式為外部的惡意攻擊，會造成蜂群中部分個體控制器發生改變，從而影響自身及其鄰居的狀態，對蜂群造成很大的危害。

目前，對于故障傳播的研究主要集中在網絡系統、化學化工、電力系統、電子電路等，主要包括基于圖論、Petri網等故障傳播模型。基于圖論的故障傳播模型是用圖來表示系統的結構，并結合多種算法分析故障傳播機理，如故障傳播有向圖、故障符號有向圖，但實際系統具有很高的復雜度和密度，轉化為有向圖非常繁瑣、工作量大，因此圖論僅適用于簡單系統的故障傳播分析；基于Petri網的故障傳播模型可分為基于知識的故障分析法和基于對象模型的故障分析法兩大類，如果系統過于復雜，會使Petri網內節點過多，模型分析比較困難。

元胞自動機在模擬復雜系統和同步并行過程及在非線性科學方面有著出色的表現，不需要建立和求解復雜的偏微分方程、結構簡單并且易于計算，經常被應用于一些由空間上的耦合作用及時間上的因果關系產生的動力學系統中，如傳染病傳播、交通流演化、Internet故障傳播。本申請考慮蜂群無人機系統結構網絡的復雜性以及個體之間的耦合性，旨在采用元胞自動機的方法分析蜂群無人機故障傳播模型。

發明內容

本發明的目的是針對上述背景技術的不足，提出一種基于元胞自動機的蜂群無人機故障傳播方法，根據蜂群無人機通訊拓撲建立元胞模型，向元胞模型注入故障模擬蜂群無人機被惡意攻擊，通過評估注入故障對蜂群無人機速度及相對距離一致性的破壞程度計算各元胞的實時狀態，進而通過通訊拓撲得到相鄰元胞對注入故障的狀態反饋，統計分析各元胞的狀態反饋得到蜂群無人機系統故障傳播的規律，方便分析故障對蜂群無人機系統的影響，從而及時采取有效的措施避免故障對蜂群無人機系統造成危害，解決了蜂群無人機故障傳播模擬的技術問題。

本發明為實現上述發明目的采用如下技術方案：

(一)蜂群無人機模型及惡意攻擊形式分析

蜂群無人機系統動力學采用如下所示的二階模型：

其中，q_i、p_i∈R³分別為個體i的位置、速度矢量，其控制律u_i采用蜂擁控制的形式：