本发明涉及一种地面无人车系统安全控制的切换方法及系统，属于地面无人车的安全控制。
背景技术：
1、近年来，随着诸如交通运输、无人化仓储、抢险救灾以及国防军事领域的快速发展，迫切需要地面无人车(unmanned ground vehicle，ugv)协助人类高效、安全地开展工作，在此应用背景下，可在复杂环境中完成各种困难任务的地面无人车应运而生。
2、在ugv系统中，信息层（即控制系统）和物理层（即被控对象）的深度融合，提高了网络化控制系统（networked control systems, ncss）和信息物理系统（cyber-physicalsystems, cpss）效率和智能化，可以引入通讯网络的ugv系统可以看作是一类典型的cpss。而通讯网络的引入，使得ugv本体、传感器、系统控制器等共享通讯资源，实现了对ugv本体的控制在物理空间上的突破，并有效降低了系统的复杂度。但与此同时，又由于这种系统的高集成度，其给系统带来了脆弱性和增加了系统遭受信息网络攻击的风险。这种网络攻击可能是恶意攻击，也可能是意外的破坏，这些攻击可能发生在信息空间、物理空间或同时发生在信息物理空间，因此在受到网络攻击时，如何实现对ugv的安全控制受到广泛关注。由于地面无人车控制系统与无人车本体需要进行网络通讯才能实现对地面无人车的实时、准确控制，而网络攻击通常是通过占用网络通信通道、错误数据注入、信号发送策略等，使网络出现拥堵、延迟增加、信号传输路径改变，进而导致ugv系统失稳或失控。因此，网络攻击将对ugv系统的安全控制造成巨大威胁。
3、拒绝服务(denial of service, dos)攻击，也被称为阻塞攻击，其通过阻塞通讯通道，阻止数据传输，实现网络攻击。并因其易于实施、破坏范围大等特点而成为系统安全中的重点研究对象。dos攻击对ugv系统的攻击主要是通过占用网络通讯资源，从而阻止ugv测量信号和ugv控制信号更新以及信息传输中出现丢包，进而导致系统性能降低甚至导致系统不稳定。dos攻击将严重威胁到ugv系统的安全控制，因此迫切需要设计出一种安全控制策略，使得系统能够在遭受dos攻击情况下实现对ugv系统的稳定和安全控制。
4、目前针对dos攻击的安全控制研究的研究成果中，研究人员提出多种控制策略，例如事件触发控制、预测控制、最优控制、博弈控制、平均驻留时间切换控制等，再如，中国专利公开号cn116880434a，公开了一种空地异构无人集群协同控制方法，首先，通过分析无人机、无人车的运动学及动力学特性建立各智能单元模型，引入云雾计算架构、聚集-分散函数建立空地异构无人集群系统模型，定义云网络、雾网络的误差模型，并且建立拒绝服务攻击denial of service(dos)模型；其次，采用事件触发机制减少dos攻击所带来的影响，设计基于领导跟随策略的云网络渐进一致性控制律；最后，采用事件触发机制设计雾网络分布式平均一致性控制律，对云网络所传输的参考一致性信号进行追踪，从而实现攻击下空地无人集群安全协同控制。
5、这些控制策略解决了部分dos攻击对系统造成的负面影响，但仍然还有大量的问题没有得到有效解决。根据dos攻击的特点，可以将遭受dos攻击的cpss视为不稳定系统。因此可以将cpss建模为一类包含稳定子系统和不稳定子系统的切换系统，其中在ugv遭受dos攻击时的子系统建模为不稳定子系统，相反地，没有遭受dos攻击的子系统建模为稳定子系统。在这种模型下，cpss根据是否遭受dos攻击来激活稳定子系统和不稳定子系统，实现稳定子系统和不稳定子系统之间的切换。另一方面，针对ugv系统在离散时间域下，针对有周期性dos攻击的cpss中具有不稳定子系统和稳定子系统的周期驻留时间切换系统的控制综合问题，目前尚未出现有效的解决方法。
技术实现思路
1、本发明的主要目的在于克服现有技术中的一些缺陷，提供一种地面无人车系统安全控制的切换方法及系统，实现稳定子系统和不稳定子系统之间的切换，并针对ugv系统在离散时间域下，解决有周期性dos攻击的cpss中具有不稳定子系统和稳定子系统的周期驻留时间切换系统的控制综合问题。
2、本发明所述的一种地面无人车系统安全控制的切换方法，预先搭建地面无人车试验仿真系统，根据地面无人车的动力学特点建立地面无人车的动力学数学模型，并通过离散化得到一类信息物理系统，根据拒绝服务攻击的特点，在测量和控制通道同时存在拒绝服务攻击的系统时，将一类信息物理系统建模为一类周期切换系统。
3、本发明提供的ugv系统安全控制的切换方法通过将一类信息物理系统在测量和控制通道同时存在拒绝服务攻击的系统建模为一类周期切换系统，保证了ugv系统在测量通道和控制通道同时存在dos攻击时的系统安全控制，有效提高ugv的系统安全。
4、优选的，所述通过离散化得到一类信息物理系统时增加外部扰动的影响，一类信息物理系统如下：
5、；
6、其中，与分别表示一类信息物理系统在第与时刻的状态，表示第时刻的控制输入，表示第时刻的控制输出，表示第时刻的名义测量输出，表示第时刻的外部扰动信号，该扰动信号属于，其中，表示二范数；系数矩阵,,, 而、、表示系统常数矩阵。
7、优选的，所述地面无人车试验仿真系统引入观测器的输出反馈控制器，观测器的输出反馈控制器通过地面无人车试验仿真系统输出对地面无人车试验仿真系统状态进行估计，从而对地面无人车试验仿真系统实现闭环控制，基于观测器的输出反馈控制器的一类信息物理系统描述形式如下：
8、；
9、其中，和分别表示观测器在第和时刻的状态估计；表示观测器输出，表示观测器测量输出；表示观测器的输出反馈控制器输出；与分别表示时变控制器和观测器的控制增益。
10、优选的，所述地面无人车试验仿真系统的闭环控制描述形式为：
11、；
12、其中切换信号，并且下标，表示由给出的模式序列在时间上的周期重复，表示模式序列，表示一个周期时长，表示自然数集；和分别表示测量和控制传输通道的拒绝服务攻击，其可描述为如下函数形式：
13、；
14、其中表示在一个周期内信息传输未被拒绝服务攻击的时间长度，其满足；表示信息传输次数。
15、优选的，所述地面无人车试验仿真系统还包括控制器模块以及测量模块，当系统同时在测量通道和控制通道遭受拒绝服务攻击时，通过系统状态误差来描述系统偏离预期的程度，现将系统状态估计误差定义为：，则得到如下的系统状态误差描述：
16、；
17、其中表示第时刻的系统状态误差，定义辅助向量， 则一类信息物理系统的增广系统描述为如下形式：
18、；
19、其中，，，，。
20、优选的，对所述地面无人车试验仿真系统构建周期分段线性lyapunov函数，并得到其相应的差分描述函数：
21、；
22、其中为周期分段线性lyapunov函数，是正定矩阵，下标表示切换子系统；大于零的常数。
23、优选的，所述一类信息物理系统的增广系统中标量，，，且，，并满足如下不等式：
24、；
25、；
26、；
27、；
28、其中，表示稳定子系统且，而；表示周期定时正定矩阵，表示整数；且在满足如下不等式时：
29、；
30、一类信息物理系统是全局一致指数稳定的。
31、优选的，所述一类信息物理系统的增广系统的增益，在满足驻留时间条件时，在系统lyapunov函数满足如下关系时：
32、；
33、其中，一类信息物理系统获得理想的增益性能；表示lyapunov函数；是整数序列。
34、优选的，所述一类信息物理系统的增广系统不能通过线性矩阵不等式方法求出解时，在测量和控制通道同时遭受拒绝服务攻击时的系统安全控制的控制器和观测器增益为：
35、；
36、；
37、；
38、其中系数矩阵，表示控制器增益，表示观测器增益；与表示控制器和观测器增益矩阵。本发明所述的一种地面无人车系统安全控制的切换系统，应用于上述的一种地面无人车系统安全控制的切换方法，包括：
39、模型搭建模块：用于搭建地面无人车试验仿真系统的动力学数学模型；
40、一类切换模块：用于在测量传输通道和控制传输通道同时存在拒绝服务攻击时，将遭受拒绝服务攻击的系统考虑为一类驻留时间切换问题；
41、增益分析模块：用于采用周期分段线性lyapunov函数对系统进行增益分析，并求得系统全局一致指数稳定的条件
42、观测控制模块：用于在存在外界扰动和拒绝服务攻击条件下，为系统设计基于观测器的输出反馈控制器，获得满足系统要求的性能指标，同时求得满足条件的控制增益和观测器增益。
43、与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：
44、1）同时考虑了dos攻击存在于测量通道和控制通道的控制问题。
45、2）采用了周期分段线性lyapunov函数方法对受dos攻击系统进行增益分析，并对系统进行全局一致指数稳定稳定分析。
46、3）提出了基于观测器的输出反馈控制方法，在有非零外界扰动情况下，获得满足系统要求的的性能指标。
1.一种地面无人车系统安全控制的切换方法，其特征在于，预先搭建地面无人车试验仿真系统，根据地面无人车的动力学特点建立地面无人车的动力学数学模型，并通过离散化得到一类信息物理系统，根据拒绝服务攻击的特点，在测量和控制通道同时存在拒绝服务攻击时，将一类信息物理系统建模为一类周期切换系统。
2.根据权利要求1所述的一种地面无人车系统安全控制的切换方法，其特征在于，所述通过离散化得到一类信息物理系统时增加外部扰动的影响，一类信息物理系统如下：
3.根据权利要求1所述的一种地面无人车系统安全控制的切换方法，其特征在于，所述地面无人车试验仿真系统引入观测器的输出反馈控制器，观测器的输出反馈控制器通过地面无人车试验仿真系统输出对地面无人车试验仿真系统状态进行估计，从而对地面无人车试验仿真系统实现闭环控制，基于观测器的输出反馈控制器的一类信息物理系统描述为形式如下：
4.根据权利要求3所述的一种地面无人车系统安全控制的切换方法，其特征在于，所述地面无人车试验仿真系统的闭环控制描述形式为：
5.根据权利要求4所述的一种地面无人车系统安全控制的切换方法，其特征在于，所述地面无人车试验仿真系统还包括控制器模块以及测量模块，当系统同时在测量通道和控制通道遭受拒绝服务攻击时，通过系统状态误差来描述系统偏离预期的程度，现将系统状态估计误差定义为：，则得到如下的系统状态误差描述：
6.根据权利要求5所述的一种地面无人车系统安全控制的切换方法，其特征在于，对所述地面无人车试验仿真系统构建周期分段线性lyapunov函数，并得到其相应的差分描述函数：
7.根据权利要求6所述的一种地面无人车系统安全控制的切换方法，其特征在于，所述一类信息物理系统的增广系统中标量，，，且，，并满足如下不等式：
8.根据权利要求7所述的一种地面无人车系统安全控制的切换方法，其特征在于，所述一类信息物理系统的增广系统的增益，在满足驻留时间条件时，在系统lyapunov函数满足如下关系时：
9.根据权利要求8所述的一种地面无人车系统安全控制的切换方法，其特征在于，所述一类信息物理系统的增广系统不能通过线性矩阵不等式方法求出解时，在测量和控制通道同时遭受拒绝服务攻击时的系统安全控制的控制器和观测器增益为：
10.一种地面无人车系统安全控制的切换系统，应用于权利要求1-9任一项所述的一种地面无人车系统安全控制的切换方法，其特征在于，包括：
