本發(fā)明專利技術(shù)公開了一種全局動(dòng)態(tài)網(wǎng)絡(luò)攻擊下多無人機(jī)協(xié)同搜索的彈性優(yōu)化方法，步驟如下：S1，建立多無人機(jī)節(jié)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和拜占庭網(wǎng)絡(luò)攻擊模型；S2，通過彈性凸組合算子算法，使每個(gè)節(jié)點(diǎn)僅從未受攻擊的鄰居接收信息的彈性凸組合；S3，將彈性凸組合算子問題轉(zhuǎn)化為線性規(guī)劃問題；S4，引入中間變量，將多無人機(jī)協(xié)同搜索問題轉(zhuǎn)化為優(yōu)化問題；S5，通過梯度下降法更新每個(gè)無人機(jī)節(jié)點(diǎn)的狀態(tài)；S6，將步驟S3中的彈性凸組合算子加入步驟S5中的分布式優(yōu)化算法，更新每個(gè)無人機(jī)的狀態(tài)，并判斷是否達(dá)成共識(shí)。本發(fā)明專利技術(shù)能夠在有全局動(dòng)態(tài)網(wǎng)絡(luò)攻擊下多無人機(jī)協(xié)同搜索的任務(wù)中，使無人機(jī)能夠抵抗拜占庭網(wǎng)絡(luò)攻擊，實(shí)現(xiàn)多無人機(jī)協(xié)同搜索的分布式優(yōu)化。實(shí)現(xiàn)多無人機(jī)協(xié)同搜索的分布式優(yōu)化。實(shí)現(xiàn)多無人機(jī)協(xié)同搜索的分布式優(yōu)化。
【技術(shù)實(shí)現(xiàn)步驟摘要】
一種全局動(dòng)態(tài)網(wǎng)絡(luò)攻擊下多無人機(jī)協(xié)同搜索的彈性優(yōu)化方法
[0001]本專利技術(shù)涉及機(jī)器人智能算法領(lǐng)域，尤其涉及一種全局動(dòng)態(tài)網(wǎng)絡(luò)攻擊下多無人機(jī)協(xié)同搜索的彈性優(yōu)化方法。
技術(shù)介紹
[0002]多無人機(jī)系統(tǒng)是一種基于無人機(jī)的多智能體系統(tǒng)，由多架無人機(jī)協(xié)同完成一項(xiàng)任務(wù)，隨著無人機(jī)技術(shù)的不斷發(fā)展和普及，分布式多無人機(jī)系統(tǒng)的應(yīng)用背景非常廣泛，涉及到多個(gè)領(lǐng)域，如搜索救援、農(nóng)業(yè)、建筑檢測(cè)、森林防火、城市管理等。
[0003]多無人機(jī)協(xié)同搜索技術(shù)是一種利用無人機(jī)進(jìn)行搜索和救援任務(wù)的技術(shù)，廣泛應(yīng)用于復(fù)雜或危險(xiǎn)的環(huán)境中，如地震、火山等場(chǎng)景。該技術(shù)中，多個(gè)無人機(jī)可以組成一個(gè)無人機(jī)群，通過分布式控制實(shí)現(xiàn)協(xié)同工作。多無人機(jī)在分布式協(xié)同搜索中具有以下優(yōu)勢(shì)：高效性、魯棒性、靈活性、安全性和多樣性。
[0004]在分布式多無人機(jī)協(xié)同搜索中，每個(gè)無人機(jī)都有自己的代價(jià)函數(shù)，代價(jià)函數(shù)反映了無人機(jī)在完成任務(wù)時(shí)的成本或效益。由于每個(gè)無人機(jī)的代價(jià)函數(shù)不同，因此需要對(duì)無人機(jī)群進(jìn)行協(xié)調(diào)和規(guī)劃，以最小化無人機(jī)群中最大的代價(jià)函數(shù)。為了實(shí)現(xiàn)無人機(jī)群的協(xié)調(diào)和規(guī)劃，需要使用分布式控制方法。分布式控制是指每個(gè)無人機(jī)都有自己的控制器，無人機(jī)之間通過通信進(jìn)行信息交換和協(xié)調(diào)。在分布式控制中，每個(gè)無人機(jī)可以根據(jù)自己的觀測(cè)和任務(wù)需求，制定自己的行動(dòng)計(jì)劃。同時(shí)，無人機(jī)之間也可以相互協(xié)調(diào)和調(diào)整行動(dòng)計(jì)劃，以達(dá)成共識(shí)。
[0005]然而，在分布式多無人機(jī)系統(tǒng)中，由于通信故障、軟件漏洞、硬件故障等因素，會(huì)存在拜占庭攻擊，有些節(jié)點(diǎn)會(huì)傳播錯(cuò)誤信息，破壞該系統(tǒng)的協(xié)同性，導(dǎo)致無人機(jī)之間的信息傳遞出現(xiàn)錯(cuò)誤和混亂，影響整個(gè)系統(tǒng)的協(xié)同運(yùn)行。
[0006]因此，針對(duì)這種全局的動(dòng)態(tài)拜占庭網(wǎng)絡(luò)攻擊下，如何保證分布式多無人機(jī)系統(tǒng)的安全性和可靠性成為一個(gè)亟待解決的問題。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路
[0007]專利技術(shù)目的：本專利技術(shù)的目的是提供一種全局動(dòng)態(tài)網(wǎng)絡(luò)攻擊下多無人機(jī)協(xié)同搜索的彈性優(yōu)化方法，旨在充分利用多無人機(jī)之間彈性凸組合優(yōu)化的優(yōu)勢(shì)，實(shí)現(xiàn)在全局動(dòng)態(tài)網(wǎng)絡(luò)攻擊下整個(gè)無人機(jī)系統(tǒng)的安全性和魯棒性。
[0008]技術(shù)方案：本專利技術(shù)全局動(dòng)態(tài)網(wǎng)絡(luò)攻擊下多無人機(jī)協(xié)同搜索的彈性優(yōu)化方法，包括步驟如下：
[0009]S1，建立多無人機(jī)節(jié)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和拜占庭網(wǎng)絡(luò)攻擊模型；
[0010]S2，通過彈性凸組合算子算法，使每個(gè)節(jié)點(diǎn)僅從未受攻擊的鄰居接收信息的彈性凸組合；
[0011]S3，將彈性凸組合算子問題轉(zhuǎn)化為線性規(guī)劃問題；
[0012]S4，引入中間變量，將多無人機(jī)協(xié)同搜索問題轉(zhuǎn)化為優(yōu)化問題；
[0013]S5，通過梯度下降法更新每個(gè)無人機(jī)節(jié)點(diǎn)的狀態(tài)；
[0014]S6，將步驟S3中的彈性凸組合算子加入步驟S5中的分布式優(yōu)化算法，更新每個(gè)無人機(jī)的狀態(tài)；若每個(gè)無人機(jī)都已達(dá)成共識(shí)，將整個(gè)群體中有最大損耗的無人機(jī)代價(jià)函數(shù)最小化，協(xié)同搜索任務(wù)結(jié)束；否則，繼續(xù)更新每個(gè)無人機(jī)的狀態(tài)。
[0015]進(jìn)一步，步驟S1中，所述多無人機(jī)節(jié)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如下：設(shè)一個(gè)時(shí)不變的有向圖表示N個(gè)節(jié)點(diǎn)的集合，表示所有節(jié)點(diǎn)單向通信信道的集合，(i,j)∈ε表示節(jié)點(diǎn)i能夠獲取其他節(jié)點(diǎn)j的信息，該時(shí)不變的有向圖圖中必須存在從每個(gè)節(jié)點(diǎn)i到每個(gè)其他節(jié)點(diǎn)j的單向路徑；
[0016]所述拜占庭網(wǎng)絡(luò)攻擊模型如下：在每個(gè)離散步長將受攻擊節(jié)點(diǎn)表示為集合表示未受到攻擊的節(jié)點(diǎn)；每個(gè)節(jié)點(diǎn)i無法獲取哪些鄰居受到攻擊，但能在每個(gè)時(shí)間步長k獲取整數(shù)擊，但能在每個(gè)時(shí)間步長k獲取整數(shù)代表受攻擊鄰居數(shù)量的上界。
[0017]進(jìn)一步，所述步驟S2中，彈性凸組合算子算法如下：
[0018]構(gòu)造集合其中每個(gè)元素是從鄰居節(jié)點(diǎn)接收信息的子集：
[0019][0020]其中，表示在步長k時(shí)節(jié)點(diǎn)j的狀態(tài)信息，
[0021]子集共有種可能性，因此集合表示為：
[0022][0023]生成集合的凸包其中表示求解集合凸包的算子，“∪”表示并集，“∩”表示交集，并且獲取所有凸包的交集
[0024]選擇交集中的任意一點(diǎn)作為僅從未被攻擊的鄰居接收的信息的彈性凸組合。
[0025]進(jìn)一步，所述步驟S3中，用如下凸組合形式表示
[0026][0027]其中，系數(shù)滿足
[0028]系數(shù)通過求解以下線性規(guī)劃問題來確定：
[0029][0030]其中，每個(gè)是包含所有待求解系數(shù)的列向量，聚合了集合中的所有狀態(tài)，1表示為每個(gè)元素都為1的列向量，為該向量的轉(zhuǎn)置，κ為待優(yōu)化變量，狀態(tài)為每個(gè)中的第一列。
[0031]進(jìn)一步，所述步驟S4中，原始多無人機(jī)協(xié)同搜索的優(yōu)化問題的求解方法如下：
[0032]在多無人機(jī)協(xié)同搜索任務(wù)中，原始優(yōu)化問題為：
[0033][0034]其中，是由第i個(gè)無人機(jī)節(jié)點(diǎn)維護(hù)的私有局部代價(jià)函數(shù)，該函數(shù)為凸函數(shù)，
[0035]通過引入一個(gè)輔助標(biāo)量變量將原始優(yōu)化問題轉(zhuǎn)化為以下形式：
[0036][0037]將約束條件表示為集合此外，將兩個(gè)決策變量x和t綁定為一個(gè)新變量再此基礎(chǔ)上，該原始優(yōu)化問題進(jìn)一步表述為以下形式：
[0038][0039]其中，為單位矩陣的第p+1列。
[0040]進(jìn)一步，所述步驟S5中，梯度下降法更新每個(gè)無人機(jī)節(jié)點(diǎn)的狀態(tài)的實(shí)現(xiàn)如下：使每個(gè)節(jié)點(diǎn)i在每個(gè)時(shí)間步長保持局部狀態(tài)并按照以下梯度下降法迭代更新：
[0041][0042][0043][0044]其中，函數(shù)定義為h
i
(θ):＝f
i
(x)
?
t，表示為函數(shù)h
i
(
·
)的梯度，對(duì)應(yīng)組合來自鄰居的信息時(shí)的非負(fù)權(quán)重，α
k
＞0和γ
k
＞0為兩種步長類型；運(yùn)算符
定義為[x]+
:＝max{x,0}，表示在集合上的歐氏投影。
[0045]進(jìn)一步，所述步驟S6中，采用彈性分布式最小
?
最大算法更新每個(gè)無人機(jī)的狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)步驟如下：
[0046]S61，接收所有被攻擊和未被攻擊的鄰居節(jié)點(diǎn)的狀態(tài)，進(jìn)行彈性凸組合，得到
[0047]S62，執(zhí)行梯度下降步驟，得到中間結(jié)果
[0048]S63，根據(jù)中間結(jié)果更新狀態(tài)
[0049]S64，使k
→
k+1，繼續(xù)循環(huán)。
[0050]一種全局動(dòng)態(tài)網(wǎng)絡(luò)攻擊下多無人機(jī)協(xié)同搜索的裝置，包括存儲(chǔ)器和處理器，其中：
[0051]存儲(chǔ)器，用于存儲(chǔ)能夠在處理器上運(yùn)行的計(jì)算機(jī)程序；
[0052]處理器，用于在運(yùn)行所述計(jì)算機(jī)程序時(shí)，執(zhí)行上述任一項(xiàng)全局動(dòng)態(tài)網(wǎng)絡(luò)攻擊下多無人機(jī)協(xié)同搜索的彈性優(yōu)化方法。
[0053]一種存儲(chǔ)介質(zhì)，所述存儲(chǔ)介質(zhì)上存儲(chǔ)有計(jì)算機(jī)程序，所述計(jì)算機(jī)程序被至少一個(gè)處理器執(zhí)行時(shí)實(shí)現(xiàn)上述任一項(xiàng)全局動(dòng)態(tài)網(wǎng)絡(luò)攻擊下多無人機(jī)協(xié)同搜索的彈性優(yōu)化方法。
[0054]本專利技術(shù)與現(xiàn)有技術(shù)相比，其顯著效果如下：
[0055]1、本專利技術(shù)通過建立了一個(gè)多無人機(jī)拓?fù)渚W(wǎng)絡(luò)，使無人機(jī)之間相互通信交流信息，使無人本文檔來自技高網(wǎng)...
【技術(shù)保護(hù)點(diǎn)】
【技術(shù)特征摘要】
1.一種全局動(dòng)態(tài)網(wǎng)絡(luò)攻擊下多無人機(jī)協(xié)同搜索的彈性優(yōu)化方法，其特征在于，包括步驟如下：S1，建立多無人機(jī)節(jié)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和拜占庭網(wǎng)絡(luò)攻擊模型；S2，通過彈性凸組合算子算法，使每個(gè)節(jié)點(diǎn)僅從未受攻擊的鄰居接收信息的彈性凸組合；S3，將彈性凸組合算子問題轉(zhuǎn)化為線性規(guī)劃問題；S4，引入中間變量，將多無人機(jī)協(xié)同搜索問題轉(zhuǎn)化為優(yōu)化問題；S5，通過梯度下降法更新每個(gè)無人機(jī)節(jié)點(diǎn)的狀態(tài)；S6，將步驟S3中的彈性凸組合算子加入步驟S5中的分布式優(yōu)化算法，更新每個(gè)無人機(jī)的狀態(tài)；若每個(gè)無人機(jī)都已達(dá)成共識(shí)，將整個(gè)群體中有最大損耗的無人機(jī)代價(jià)函數(shù)最小化，協(xié)同搜索任務(wù)結(jié)束；否則，繼續(xù)更新每個(gè)無人機(jī)的狀態(tài)。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的全局動(dòng)態(tài)網(wǎng)絡(luò)攻擊下多無人機(jī)協(xié)同搜索的彈性優(yōu)化方法，其特征在于，步驟S1中，所述多無人機(jī)節(jié)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如下：設(shè)一個(gè)時(shí)不變的有向圖特征在于，步驟S1中，所述多無人機(jī)節(jié)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如下：設(shè)一個(gè)時(shí)不變的有向圖表示N個(gè)節(jié)點(diǎn)的集合，表示所有節(jié)點(diǎn)單向通信信道的集合，(i,j)∈ε表示節(jié)點(diǎn)i能夠獲取其他節(jié)點(diǎn)j的信息，該時(shí)不變的有向圖圖中必須存在從每個(gè)節(jié)點(diǎn)i到每個(gè)其他節(jié)點(diǎn)j的單向路徑；所述拜占庭網(wǎng)絡(luò)攻擊模型如下：在每個(gè)離散步長將受攻擊節(jié)點(diǎn)表示為集合表示未受到攻擊的節(jié)點(diǎn)；每個(gè)節(jié)點(diǎn)i無法獲取哪些鄰居受到攻擊，但能在每個(gè)時(shí)間步長k獲取整數(shù)每個(gè)時(shí)間步長k獲取整數(shù)代表受攻擊鄰居數(shù)量的上界。3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的全局動(dòng)態(tài)網(wǎng)絡(luò)攻擊下多無人機(jī)協(xié)同搜索的彈性優(yōu)化方法，其特征在于，所述步驟S2中，彈性凸組合算子算法如下：構(gòu)造集合其中每個(gè)元素是從鄰居節(jié)點(diǎn)接收信息的子集：其中，表示在步長k時(shí)節(jié)點(diǎn)j的狀態(tài)信息，子集共有種可能性，因此集合表示為：生成集合的凸包其中表示求解集合凸包的算子，“∪”表示并集，“∩”表示交集，并且獲取所有凸包的交集表示交集，并且獲取所有凸包的交集選擇交集中的任意一點(diǎn)作為僅從未被攻擊的鄰居接收的信息的彈性凸組合。4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的全局動(dòng)態(tài)網(wǎng)絡(luò)攻擊下多無人機(jī)協(xié)同搜索的彈性優(yōu)化方法，其特征在于，所述步驟S3中，用如下凸組合形式表示
其中，系數(shù)滿足系數(shù)通過求解以下線性規(guī)劃問題來確定：通過求解以下線性規(guī)劃問題來確定：通過求解以下線性規(guī)劃問題來確定：通過求解以下線性規(guī)劃問題來確定：其中，每個(gè)是包含所有待求解系數(shù)的列向量，聚合了集合中的所有狀態(tài)，1表示為每個(gè)元素都為1的列向量，為該向量的轉(zhuǎn)置，κ為待優(yōu)化變量，狀態(tài)為每個(gè)中的第一列。5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的全局動(dòng)態(tài)網(wǎng)絡(luò)攻擊下多無人機(jī)協(xié)同搜索的彈性優(yōu)化方法，其特征在于，所述步驟S4中，原始多無人機(jī)協(xié)同搜索的優(yōu)化問題的求解方法如下：在多無人機(jī)協(xié)同搜索任務(wù)中，原始優(yōu)化問題為：其中，...
【專利技術(shù)屬性】
技術(shù)研發(fā)人員：杜斌，陳謀，張鵬，邵書義，
申請(qǐng)(專利權(quán))人：南京航空航天大學(xué)，
類型：發(fā)明
國別省市：
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