一种重载车辆线控转向系统信息安全控制方法

本发明属于重载车辆线控转向系统信息安全控制，具体涉及一种重载车辆线控转向系统信息安全控制方法。

背景技术：

1、线控转向系统取消了方向盘与转向执行机构之间的机械连接，通过传感器、控制器、通信网络和转向执行机构实现转向指令采集、控制决策与转角执行，可为重载车辆的轨迹跟踪、稳定性控制和智能驾驶提供技术基础。然而，线控转向系统高度依赖车载通信网络，其中的传感器-控制器通道、控制器-执行器通道均可能受到通信中断、数据丢包、网络拥塞或恶意攻击影响，导致转向状态信息或控制指令无法按时传输，进而影响车辆行驶安全。

2、现有技术中，已有针对线控转向系统安全性和控制性能的相关方案。例如，中国发明专利申请号为cn202080004477.0名称为“线控转向系统和转向控制方法”中公开了通过设置转向柱限位装置改善方向盘转动范围与转向轮转动范围不一致所带来的操作安全问题；中国发明专利申请号为cn201310649410.4名称为“一种电动汽车线控转向系统及控制方法”公开了通过转向盘力反馈模块和前轮转向模块实现变传动比、车辆侧向稳定性控制和路感优化；上述方法主要从机械限位、力反馈和前轮转角控制等角度提高线控转向系统性能，但对拒绝服务攻击导致的采样输出缺失和控制指令丢失问题考虑不足。

3、拒绝服务攻击会通过阻断通信资源或占用网络带宽使控制系统无法及时获取数据或发送指令。对于网络化线控转向系统，当传感器-控制器通道受到攻击时，控制器难以获得实时转向状态，容易导致状态估计误差增大；当控制器-执行器通道受到攻击时，转向执行机构无法获得当前控制指令，容易导致控制输入更新中断和转角跟踪性能下降；若两类通道攻击同时或交替发生，传统依赖连续采样和连续控制指令传输的控制方法难以保证闭环安全性。

4、对于重载车辆而言，整车质量大、前轴载荷高、转向执行机构惯量大，转向系统需要克服更大的轮胎回正力矩、主销阻力矩和机构摩擦力矩；同时，高质心和载荷转移会使轮胎垂向载荷、路面附着利用状态和转向阻力呈现时变不确定性。上述扰动在拒绝服务攻击造成采样信息丢失或控制指令中断时，会进一步放大状态估计误差、转角跟踪误差和执行端控制输入跳变风险。

5、因此，有必要提出一种重载车辆线控转向系统信息安全控制方法，在考虑重载车辆扰动来源的基础上，针对状态信息丢失和控制指令丢失建立安全观测与鲁棒控制机制。

技术实现思路

1、针对于上述现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种重载车辆线控转向系统信息安全控制方法，以解决现有重载车辆线控转向系统在网络拒绝服务攻击作用下存在的状态信息获取中断、控制指令传输失效、重载车辆转向扰动显著以及闭环转角跟踪安全性难以保证的技术问题。

2、为达到上述目的，本发明采用的技术方案如下：

3、本发明的一种重载车辆线控转向系统信息安全控制方法，步骤如下：

4、1）建立重载车辆线控转向系统的网络化控制架构和动力学模型；

5、2）建立重载车辆线控转向系统网络攻击下的双通道通信中断模型，并建立传感器-控制器通道采样输出模型；

6、3）设计安全状态观测器，获得网络攻击下的系统观测状态；

7、4）设计基于tube-mpc的鲁棒安全控制器，生成预测控制序列；

8、5）将步骤4）中得到的预测控制序列发送至线控转向执行机构，并设计线控转向执行机构的控制序列缓存补偿机制；

9、6）根据步骤5）中的控制序列缓存补偿机制选取对应控制量，并作用于实际转向电机，实现重载车辆线控转向系统的转角跟踪控制。

10、进一步地，所述步骤1）具体包括：

11、11）建立重载车辆线控转向系统的网络化控制架构，所述网络化控制架构包括：转向角传感器、电子控制单元、can通信网络和线控转向执行机构；所述线控转向执行机构包括：永磁同步转向电机、减速机构、齿轮齿条机构和前轮转向机构；转向角传感器通过can通信网络中的传感器-控制器通道向电子控制单元发送转向角信号，电子控制单元通过can通信网络中的控制器-执行器通道向线控转向执行机构发送转向控制指令；永磁同步转向电机根据所述转向控制指令产生转向驱动力矩，所述转向驱动力矩经减速机构传递至齿轮齿条机构，并由齿轮齿条机构通过转向横拉杆驱动前轮转向机构转动；

12、12）建立重载车辆线控转向系统的动力学模型，所述动力学模型包括：转向电机电压方程、转向电机动力学方程、齿轮齿条动力学方程和前轮动力学方程；其中，

13、转向电机电压方程如下：

14、；

15、转向电机动力学方程如下：

16、；

17、齿轮齿条动力学方程如下：

18、；

19、前轮动力学方程如下：

20、；

21、式中，表示转向电机等效控制电流，表示转向电机等效控制电流变化率，表示转向电机等效控制电压，表示转向电机等效电阻，表示转向电机等效电感，表示转向电机反电动势系数，表示转向电机轴角度，表示转向电机轴角速度，表示转向电机轴角加速度，表示转向电机转动惯量，表示转向电机黏性摩擦系数，表示转向电机转矩系数，表示转向电机轴端负载转矩，表示转向齿条位移，表示转向齿条速度，表示转向齿条加速度，表示转向齿条等效质量，表示齿轮齿条机构等效阻尼系数，表示齿条负载转矩，表示减速机构传动比，表示齿轮齿条机构中小齿轮半径，表示前轮转向角，表示前轮转向角速度，表示前轮转向角加速度，表示前轮转向机构等效转动惯量，表示前轮转向机构等效黏性摩擦系数，表示转向横拉杆传动比，表示轮胎回正力矩；

22、13）建立转向电机轴端负载转矩和齿条负载转矩表达式；

23、所述转向电机轴端负载转矩由转向电机轴角度与经减速机构等效换算得到后的齿条位移之间的相对变形确定，表示为：

24、；

25、所述齿条负载转矩由转向齿条位移与经转向横拉杆等效换算得到后的前轮转向角之间的相对变形确定，表示为：

26、；

27、式中，表示转向电机轴端等效扭转刚度，表示齿轮齿条机构等效齿条刚度；

28、14）定义系统状态、控制输入和轮胎回正力矩输入；令表示连续时间，系统状态向量、控制输入和轮胎回正力矩输入分别表示为：

29、；

30、；

31、；

32、式中，表示连续时间下的系统状态向量，表示连续时间下的转向电机控制电压输入，表示连续时间下的轮胎回正力矩输入；

33、选取前轮转向角作为测量输出，建立连续状态空间模型如下：

34、；

35、；

36、式中，表示系统状态向量对连续时间的一阶导数，表示连续时间下的测量输出，表示外部扰动，表示测量噪声；所述外部扰动包括由重载车辆整车质量大、前轴载荷高、转向执行机构惯量大、轮胎回正力矩变化、主销阻力矩变化、齿轮齿条摩擦、载荷转移以及路面附着变化引起的等效扰动；

37、；

38、；；；

39、式中，表示线控转向执行系统状态矩阵，表示转向电机控制输入矩阵，表示轮胎回正力矩输入矩阵，表示前轮转角测量输出矩阵，表示外部扰动输入矩阵，表示测量噪声输入矩阵；

40、15）对步骤14）中建立的连续状态空间模型进行离散化，得到控制器设计所需的离散动力学模型；令表示离散采样时刻，则离散动力学模型表示为：

41、；

42、；

43、式中，表示第个采样时刻的系统状态向量，表示第个采样时刻的系统状态向量，表示第个采样时刻的转向电机控制电压输入，表示第个采样时刻的轮胎回正力矩输入，表示第个采样时刻的外部扰动，表示第个采样时刻的测量噪声，表示第个采样时刻的测量输出，表示离散系统状态矩阵，表示离散转向电机控制输入矩阵，表示离散轮胎回正力矩输入矩阵，表示离散外部扰动输入矩阵，表示离散测量输出矩阵，表示离散测量噪声输入矩阵；，，，，，表示控制器采样周期，。

44、进一步地，所述步骤2）中建立重载车辆线控转向系统网络攻击下的双通道通信中断模型具体包括：

45、分析网络攻击对双通道信号传输过程的影响，针对拒绝服务攻击引起的通信中断问题进行建模，得到双通道通信中断模型；

46、所述双通道通信中断模型包括：通信中断状态函数、通信中断发生频率边界和通信中断持续时间边界；

47、定义通信中断状态函数，其中表示通信链路处于拒绝服务攻击引起的中断状态，表示通信链路处于正常通信状态，令表示通信正常状态函数，且；当时，通信链路正常；当时，通信链路中断；

48、建立双通道通信中断模型中的通信中断发生频率边界：对于任意时间区间，表示该时间区间的起始时刻，表示该时间区间的终止时刻，且满足；设表示该时间区间内通信中断发生次数，则通信中断发生次数由下式限定：

49、；

50、式中，表示通信中断频率偏移常数，表示平均通信中断间隔下界；由此，对双通道通信中断在单位时间内的发生频率进行约束；

51、建立双通道通信中断模型中的通信中断持续时间边界：设表示时间区间内通信中断持续时间集合，则通信中断累计持续时间由下式限定：

52、；

53、式中，表示通信中断持续时间偏移常数，表示平均通信中断持续时间约束参数；由此，对双通道通信中断在给定时间区间内的累计持续时间进行约束。

54、进一步地，所述步骤2）中建立传感器-控制器通道采样输出模型具体包括：

55、设定为采样时刻，在拒绝服务攻击引起的通信中断影响下的传感器-控制器通道采样输出模型表示为：

56、；

57、式中，表示控制器在采样时刻实际获得的采样输出，表示前轮转角测量输出矩阵，表示系统状态，表示测量噪声项；当时，，传感器-控制器通道处于通信中断状态，控制器无法获得当前有效转向角采样输出；当时，，传感器-控制器通道处于正常通信状态，控制器获得正常转向角采样输出。

58、进一步地，所述步骤3）具体包括：

59、31）根据步骤1）中建立的动力学模型和步骤2）中建立的传感器-控制器通道采样输出模型，设计安全状态观测器，以在采样输出丢失、测量噪声和重载车辆转向扰动作用下重构系统状态；所述安全状态观测器表示为：

60、；

61、式中，表示连续时间，表示采样时刻，表示连续时间下的系统观测状态向量，表示系统观测状态向量对连续时间的一阶导数，表示采样时刻对应的系统观测状态向量，表示采样时刻对应的输出估计值，表示控制器在采样时刻通过传感器—控制器通道获得的采样输出，表示安全状态观测器增益矩阵；

62、32）定义状态估计误差：，并定义采样延迟：；结合拒绝服务攻击引起的通信中断影响下的传感器-控制器通道采样输出模型，得到状态估计误差系统方程如下：

63、；

64、式中，表示采样间隔，表示重载车辆转向扰动，表示延迟采样时刻对应的状态估计误差，表示测量噪声输入矩阵，表示延迟采样时刻对应的测量噪声；

65、33）通过lyapunov方法求解观测器增益矩阵；若存在对称正定矩阵、，可逆矩阵，矩阵，以及相关松弛矩阵和正标量，使线性矩阵不等式成立，则估计误差系统一致最终有界，线性矩阵不等式如下：

66、；

67、；

68、；

69、其中，表示对称矩阵中由对称性确定的转置项，即矩阵下三角对应分块等于上三角对应分块的转置；所述线性矩阵不等式中的各矩阵元素定义如下：

70、，，，，，，，，，，，，，，，，，，，，，，，，；

71、式中，表示矩阵的对称化算子，表示任意维数匹配的矩阵，且，和为对称正定矩阵，为可逆矩阵，、、、、、、、和为待求解矩阵变量，、、、、和为正标量；

72、34）根据所述线性矩阵不等式求解结果，得到安全状态观测器增益矩阵如下：

73、；

74、式中，用于确定步骤31）所述安全状态观测器中采样输出偏差对观测状态更新的反馈作用；

75、35）将步骤34）中得到的安全状态观测器增益矩阵代入步骤31）建立的安全状态观测器，在线获得网络攻击下的系统观测状态；

76、当传感器-控制器通道处于正常通信状态时，控制器根据当前采样输出与输出估计值之间的偏差修正观测状态；当传感器-控制器通道受到拒绝服务攻击导致采样输出中断时，控制器根据重载车辆线控转向系统的动力学模型、历史控制输入和上一时刻观测状态递推更新观测状态。

77、进一步地，所述步骤4）具体包括：

78、41）根据步骤15）中建立的离散动力学模型、步骤2）中建立的双通道通信中断模型以及步骤3）中得到的网络攻击下的系统观测状态，设计基于tube-mpc的鲁棒安全控制算法；所述鲁棒安全控制算法在每次滚动优化时计算未来预测时域内的最优控制序列；

79、42）建立控制器-执行器通道攻击下的受控系统方程；设定执行机构在时刻实际采用的控制量为，则受控系统方程表示为：

80、；

81、43）建立名义预测系统：设定名义状态为，名义输出为，名义控制量为，则名义系统方程表示为：

82、；

83、式中，为步骤3）得到的系统观测状态， 为第个采样时刻的名义状态，表示名义轮胎回正力矩输入；

84、44）定义受控系统输出与名义系统输出之间的误差，，并构造tube-mpc控制律如下：

85、；

86、式中，表示误差反馈控制矩阵；

87、45）根据实际受控系统和名义系统，得到误差动态如下：

88、；

89、46）定义误差方程的闭环状态转移矩阵，扰动输入矩阵，并定义集总扰动，其中，，表示第个采样时刻的集总扰动向量，表示名义控制量与执行机构实际采用控制量之间的偏差，表示名义轮胎回正力矩输入与实际轮胎回正力矩输入之间的偏差，则误差动态可整理为：

90、；

91、47）构造集总扰动集合和鲁棒正不变集；若使稳定，则存在鲁棒正不变集满足如下：

92、；

93、48）根据鲁棒正不变集对输出约束和控制输入约束进行收紧；设定原始输出约束集合为，原始控制输入约束集合为，则收紧约束集合为：

94、；

95、49）建立名义系统的可达稳态集合：设定名义稳态为，表示名义稳态状态向量，表示名义稳态控制输入向量；则存在矩阵使得：

96、；

97、；

98、式中，表示稳态参数，，表示由稳态参数到名义稳态状态向量的映射矩阵，表示由稳态参数到名义稳态输出的映射矩阵；

99、410）构造预测输出模型，预测输出表示为：

100、；

101、式中，表示第个采样时刻构造的名义预测输出序列，表示由当前系统观测状态到预测输出序列的状态预测矩阵，表示第个采样时刻由安全状态观测器得到的系统观测状态，表示由名义控制序列到预测输出序列的控制预测矩阵，表示第个采样时刻构造的名义控制序列，表示由预测轮胎回正力矩序列到预测输出序列的外部输入预测矩阵，表示预测轮胎回正力矩序列；，，其中，表示在第个采样时刻预测的第个采样时刻名义输出，表示在第个采样时刻预测的第个采样时刻名义控制量，表示预测时域，表示控制时域；

102、411）构造tube-mpc优化目标函数如下：

103、；

104、式中，表示tube-mpc优化目标函数，表示名义输出变量，表示名义控制变量，表示由安全状态观测器得到的输出估计值，表示给定输出目标值，表示第个采样时刻的名义输出，表示第个采样时刻的名义控制量，表示名义稳态输出，表示名义稳态控制输入，表示预测时域末端的名义输出，表示第个采样时刻的参考转向角，和分别表示预测时域和控制时域，、、和表示权重矩阵，、、和分别表示由权重矩阵、、和加权的二次型范数；

105、所述权重矩阵满足lyapunov方程如下：

106、；

107、412）考虑线控转向系统安全约束，对名义控制电压及其变化率、轮胎回正力矩和前轮转向角进行约束，如下：

108、；

109、；

110、；

111、式中，表示第个采样时刻的名义控制电压，表示名义控制电压下限，表示名义控制电压上限，表示第个采样时刻名义控制电压变化率，表示名义控制电压变化率下限，表示名义控制电压变化率上限，表示第个采样时刻的名义轮胎回正力矩输入，表示轮胎回正力矩输入下限，表示轮胎回正力矩输入上限，表示第个采样时刻的名义输出，且所述名义输出为前轮转向角，表示前轮转向角下限，表示前轮转向角上限；

112、413）在收紧约束和终端约束下，构造滚动优化问题如下：

113、；

114、；

115、式中，表示tube-mpc优化目标函数，表示由安全状态观测器得到的输出估计值，表示给定输出目标值，表示第个采样时刻的名义输出，表示由前轮转向角安全约束收紧后得到的名义输出约束集合，表示由控制电压及其变化率安全约束收紧后得到的名义控制约束集合，表示预测时域末端的名义输出，表示终端约束集合；

116、414）通过求解滚动优化问题得到名义最优控制序列，并进一步得到用于执行机构端缓存的预测控制序列，如下：

117、；

118、其中，，；表示第个采样时刻求得的名义最优控制序列，表示在第个采样时刻预测的第个采样时刻名义最优控制量，，表示控制时域；表示用于发送至线控转向执行机构并进行缓存的预测控制序列，表示在第个采样时刻预测的第个采样时刻实际可执行控制量；表示由误差反馈增益矩阵扩展得到的块对角反馈增益矩阵，表示维单位矩阵，表示kronecker积，表示由安全状态观测器得到的输出估计值，表示由当前测量输出和参考输出确定的名义最优输出。

119、进一步地，所述步骤5）具体包括：

120、51）建立线控转向执行机构的控制序列缓存补偿机制，所述控制序列缓存补偿机制用于在控制器-执行器通道正常通信时更新预测控制序列缓存，并在控制器-执行器通道受到拒绝服务攻击导致控制指令中断时调用已缓存的预测控制量；所述控制序列缓存补偿机制包括预测控制序列发送、预测控制序列缓存、通信状态判断、缓存序列更新和缓存控制量调用；

121、52）根据步骤4）中得到的预测控制序列，通过控制器-执行器通道将所述预测控制序列发送至线控转向执行机构，并在线控转向执行机构存储最近一次成功接收的预测控制序列；

122、53）根据对拒绝服务攻击的检测结果判断控制器-执行器通道是否正常通信，具体为：通过控制报文接收时间戳、心跳报文超时、连续丢包计数、报文序号跳变、控制指令更新标志位、控制器确认应答信号、can总线异常占用率或通信周期超时检测拒绝服务攻击：

123、当在设定通信周期内未接收到控制器发送的控制指令，或连续丢包次数超过设定阈值，或心跳报文超时，或控制指令更新标志位未变化时，判定控制器-执行器通道存在拒绝服务攻击或通信中断；否则，判定控制器-执行器通道处于正常通信状态；

124、当控制器-执行器通道正常通信时，线控转向执行机构采用当前接收到的预测控制序列并更新缓存；当控制器-执行器通道发生拒绝服务攻击时，线控转向执行机构保持最近一次成功接收的预测控制序列，并根据中断步数调用对应预测控制量；

125、54）根据步骤53）中得到的通信状态执行控制序列缓存补偿：

126、当控制器-执行器通道处于正常通信状态时，线控转向执行机构采用当前接收到的预测控制序列，并将当前预测控制序列更新为最新缓存序列；

127、当控制器-执行器通道受到拒绝服务攻击导致通信中断时，线控转向执行机构保持最近一次成功接收的预测控制序列，并根据通信中断步数调用对应的缓存预测控制量；

128、55）设定表示最近一次成功接收预测控制序列的时刻，表示控制器-执行器通道中断后的步数，则线控转向执行机构在通信中断状态下调用的缓存预测控制量表示为：

129、；

130、式中，表示线控转向执行机构在第个采样时刻基于最近一次成功接收的预测控制序列实际采用的控制量，表示在最近一次成功通信时刻生成并缓存的预测控制序列中对应通信中断步数的控制量。

131、进一步地，所述步骤6）具体包括：

132、61）根据步骤5）中的控制序列缓存补偿机制选取当前时刻实际作用于转向执行机构的控制量；当控制器-执行器通道正常通信时，采用当前预测控制序列的首个控制量；当控制器-执行器通道发生拒绝服务攻击时，采用线控转向执行机构缓存的预测控制序列中的对应控制量；

133、62）根据步骤61）中的控制量选取结果，构造实际作用于转向电机的控制量选取规则，表示为：

134、；

135、式中，表示拒绝服务攻击时间集合，表示正常通信时间集合，表示当前时刻滚动优化得到的首个控制量，表示线控转向执行机构缓存的预测控制序列中的对应控制量；

136、63）将所述实际控制律输出的控制量作用于实际转向电机，使转向电机驱动线控转向执行机构完成转角跟踪；由此，在传感器-控制器通道采样输出丢失时，通过安全状态观测器提供系统观测状态；在控制器-执行器通道控制指令中断时，通过预测控制序列缓存补偿机制提供执行控制量，实现重载车辆线控转向系统在拒绝服务攻击下的转角跟踪控制。

137、本发明的有益效果：

138、1、本发明针对传感器-控制器通道采样输出丢失问题，设计安全状态观测器，并将测量噪声、外部扰动和拒绝服务攻击引起的采样中断共同纳入估计误差系统，通过线性矩阵不等式求解观测器增益，使系统在采样输出间歇丢失时仍能够获得可靠观测状态，为后续鲁棒安全控制提供状态基础。

139、2、本发明将重载车辆质量大、前轴载荷高、转向执行机构惯量大、轮胎回正力矩变化、载荷转移和路面附着变化等因素引起的转向扰动纳入系统模型，并通过tube-mpc方法将实际系统与名义系统之间的偏差约束在鲁棒正不变集内，从而提高线控转向系统对重载车辆时变扰动和参数摄动的适应能力。

140、3、本发明在控制器端滚动生成预测控制序列，并将所述预测控制序列发送至线控转向执行机构进行缓存；当控制器-执行器通道受到拒绝服务攻击导致当前控制指令中断时，执行机构能够根据缓存序列选取对应控制量并驱动实际转向电机，避免控制输入直接丢失，从而提高转角跟踪连续性和安全性。

141、4、本发明分别针对传感器-控制器通道的状态信息丢失和控制器-执行器通道的控制指令中断建立防御机制，通过安全状态观测器、tube-mpc鲁棒安全控制器和线控转向执行结构端缓存补偿机制协同工作，对通信中断、测量噪声和重载车辆转向扰动进行联合处理，从而降低状态估计误差放大、控制输入中断和转角跟踪失效风险，提高重载车辆线控转向系统在网络攻击环境下的安全运行能力。