在欺骗攻击下，针对网络化自主飞行器的弹性动态覆盖控制

《IEEE/ASME Transactions on Mechatronics》：Resilient Dynamic Coverage Control for Networked Autonomous Aerial Vehicles Under Deception Attacks

网络化自主飞行器（AAV）在欺骗攻击下存在覆盖效率降低和碰撞风险，本文提出基于KL散度的鲁棒动态覆盖控制框架，通过扩展卡尔曼滤波器结合双增益机制实现状态估计优化，利用零空间构造将覆盖与避碰统一为闭环反馈系统，并验证了其稳定性与有效性。

　　

摘要：

欺骗攻击通过注入虚假数据来危害联网的自主飞行器（AAVs），可能导致AAVs离开未受保护的区域，甚至与邻近的AAVs发生碰撞。本文为联网AAVs开发了一种具有弹性的动态覆盖控制框架，以确保在欺骗攻击下仍能高效执行覆盖任务。采用Kullback–Leibler散度作为检测欺骗攻击的标准。随后，设计了一种基于扩展卡尔曼滤波器的弹性估计器来估计邻近AAVs的状态，并提出了双增益机制以在欺骗攻击关闭和激活期间实现最优估计。该弹性动态覆盖控制方案利用零空间构造将覆盖点到达和碰撞避免集成到一个统一的反馈循环中。零空间构造确保了碰撞避免的优先级，而可变增益反馈机制使每架AAV能够一致地到达其指定的覆盖点，同时保持整体覆盖率。利用李雅普诺夫定理进行的数学分析证明了联网AAVs的闭环稳定性，进一步证实了系统的稳健性。最后，通过实际实验和数值模拟验证了所提出控制方案的可行性和弹性。

引言

在过去几十年中，多架自主飞行器（AAVs）的合作操作引起了学术界和 practical 领域的广泛关注。特别是四旋翼飞行器因其流线型的空气动力学设计和垂直起降能力而成为首选的飞行平台，在各种类型的AAVs中占据了主导地位。它们在军事和民用领域执行危险和劳动密集型任务（如航空测绘、战略监视和精准农业）方面的有效性已有充分记录 [1]、[2]、[3]、[4]。这些应用的一个关键方面是确保联网AAVs在指定区域内高效分布，以最大化覆盖范围，这涉及到确定AAVs的最佳位置、规划路径以及实施覆盖控制策略来提升整体系统性能。然而，随着信息战的兴起，联网AAVs越来越容易受到通信攻击，这可能导致任务失败，甚至危及国家安全。覆盖控制策略对于提高联网AAVs在复杂和动态环境中的效率、适应性和弹性至关重要，从而促进自主和安全的操作。