基于广义拟线性观测器同步的AGV控制系统的超混沌决策加密方法

技术领域

本发明涉及一种基于广义拟线性观测器同步的AGV控制系统的超混沌决策加密方法、装置、下位机及存储介质，属于控制决策加密技术领域。

背景技术

随着通信技术的发展，通信安全越来越受到研究人员的重视。其中智能化控制过程难免会受到外界恶意破坏性攻击，面临严重的信息安全问题，如何保证控制过程中通信数据的机密性、完整性、可用性和抗抵赖性已成为现代控制工程中重点考虑的问题。随着学者对于传统密码学的深入学习，发现其信息有效利用率较低。通过对混沌系统的研究，人们发现混沌信号作为确定系统中的伪随机运动所具有的非周期遍历性以及对初始状态的敏感性等特征使其具备良好的隐蔽性和不可预测性，该动力学行为可以提高保密通信和混沌信息加密的安全性，并具有更高的效率。因此，混沌系统在信息工程领域具有非常广阔的应用前景，利用混沌系统对数据进行加密也成为控制领域中的一个研究热点。

林青等人利用优化预处理，提高了超混沌系统产生混沌序列的随机性，并进一步创建了与明文图像相关的动态选择特性，并成功应用于图像加密([1]林青,王延江,王珺.基于超混沌系统的图像加密算法[J].中国科学：技术科学,2016(9):9.)。谭云等人利用指数复合型混沌系统迭代输出混沌向量构成置乱矩阵，实现明文图像加密，然后由混沌系统迭代输出的混沌矩阵与明文像素矩阵进行取模运算实现，具有扩散抗差分攻击能力强，安全性能高的优点([1]谭云,张春虎,秦姣华,向旭宇.基于指数复合型混沌系统的图像加密算法[J].华中科技大学学报(自然科学版),2021,49(02):121-126.)。韩凤英利用非线性系统混沌反控制策略强化了原系统的混沌运动特性从而获得了密钥空间大，扩散扰乱性能好的图像加密效果([1]韩凤英.一类非线性系统的混沌反控制在图像加密中的应用[J].邵阳学院学报(自然科学版),2013,10(01):36-39.)。韩飞等人基于超混沌系统产生加密序列，生成有关明文数据的隐私信息密钥提高了信息序列的敏感性，具有较高的抗攻击性，并成功应用于网络用户隐私信息加密([1]韩飞,张葛祥.基于超混沌系统的网络用户隐私信息加密仿真[J].计算机仿真,2021,38(12):295-298.)。余自芳等人利用混沌交叉映射的混沌星座置乱方法，实现了对于型相干光正交频分复用/偏移正交幅度调制系统的信息加密，提高了系统的安全性([1]余自芳,方熙,周扬.安全增强型相干光正交频分复用/偏移正交幅度调制系统的混沌加密[J].北京电子科技学院学报,2021,29(03):57-65.)。

1990年，美国科学家Pecora L.M和Carroll T.L提出了驱动-响应混沌自同步控制，打破了混沌系统不可控的认知，并引起了控制领域学者们对于混沌同步保密信息方法的兴趣。其中由于以系统的所有状态变量都能得到并可以参加控制为前提的同步加密约束较为苛刻，自然地引入观测器理论进行混沌同步系统的设计。值得注意是，目前，大多数已有的研究方法将混沌系统的同步问题与保密通信分开考虑，这就带来了一些问题：在进行保密通信前如何判断收发端已实现同步；由于未知的干扰使同步效果不理想，如何保证信息信号的恢复。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种基于广义拟线性观测器同步的AGV控制系统的超混沌决策加密方法、装置、下位机及存储介质，本发明提供的方法将决策信息的加密解密过程转换为收发端(对应上下位机)的混沌系统的一次同步过程，无需单独设计加密解密算法，具有较为高效的、且易实现的优点，同时保证了AGV控制系统中上位机与下位机中决策通信数据的机密性和完整性。

本发明的第一个目的在于提供一种基于广义拟线性观测器同步的AGV控制系统的超混沌决策加密方法。

本发明的第二个目的在于提供一种基于广义拟线性观测器同步的AGV控制系统的超混沌决策加密装置。

本发明的第三个目的在于提供一种下位机。

本发明的第四个目的在于提供一种存储介质。

本发明的第一个目的可以通过采取如下技术方案达到：

一种基于广义拟线性观测器同步的AGV控制系统的超混沌决策加密方法，所述AGV控制系统包括上位机、下位机和通讯模块，所述上位机和下位机通过通讯模块建立通信，所述方法包括：

通过所述上位机将AGV小车的速度控制信号注入Lorenz混沌系统，将所述Lorenz混沌系统通过增广变换构建广义混沌加密系统；

接收所述广义混沌加密系统，并依据所述广义混沌加密系统构建拟线性观测器；

基于所述拟线性观测器求解，获得所述拟线性观测器的有效解，实现了对于超混沌系统的决策信息的加密同步及传输。

进一步的，所述Lorenz混沌系统为：

其中，k＝1,2,3，x

令

将所述Lorenz混沌系统通过增广变换构建广义混沌加密系统，包括：

构建相应的增广信号为

根据增广信号和Lorenz混沌系统，构建广义混沌加密系统为：

对应的控制输出为y＝[CD]ξ。

进一步的，跟据所述广义混沌加密系统构建的拟线性观测器为：

其中，矩阵N(x

进一步的，所述基于所述拟线性观测器求解，包括：

矩阵方程为:

对矩阵方程进行转置和几何变换，得到：

令

方程为全驱Sylvester矩阵，其解为观测器系数矩阵P(x

其中，Θ(x

进一步的，所述获得所述拟线性观测器的有效解，实现了对于超混沌系统的决策信息的加密同步及传输，包括：

由方程：

(6)

得到如下联合形式的矩阵方程：

带入公式(8)得到的参数形式：

由式(11)可知观测器矩阵L(x

且被表示为：

依据获得的有效解(8)和(13)，构建形如式(4)具体的观测器，实现对于混沌发送系统的同步，从而实现控制决策信息的加密传输。

进一步的，矩阵P(x

本发明的第二个目的可以通过采取如下技术方案达到：

一种基于广义拟线性观测器同步的AGV控制系统的超混沌决策加密装置，所述AGV控制系统包括上位机、下位机和通讯模块，所述上位机和下位机通过通讯模块建立通信，所述装置包括：

广义混沌加密系统构建模块，用于通过所述上位机将AGV小车的速度控制信号注入Lorenz混沌系统，将所述Lorenz混沌系统通过增广变换构建广义混沌加密系统；

拟线性观测器构建模块，用于接收所述广义混沌加密系统，并依据所述广义混沌加密系统构建拟线性观测器；

决策信息加密同步及传输模块，用于基于所述拟线性观测器求解，获得所述拟线性观测器的有效解，实现了对于超混沌系统的决策信息的加密同步及传输。

本发明的第三个目的可以通过采取如下技术方案达到：

一种下位机，包括处理器以及用于存储处理器可执行程序的存储器，所述处理器执行存储器存储的程序时，实现上述的超混沌决策加密方法。

本发明的第四个目的可以通过采取如下技术方案达到：

一种存储介质，存储有程序，所述程序被处理器执行时，实现上述的超混沌决策加密方法。

本发明相对于现有技术具有如下的有益效果：

本发明提供的方法，将决策信息的加密解密过程转换为收发端(对应上下位机)的混沌系统的一次同步过程，无需单独设计加密解密算法，具有较为高效的、且易实现的优点，同时保证了AGV控制系统中上位机与下位机中决策通信数据的机密性和完整性。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图示出的结构获得其他的附图。

图1为本发明实施例1的基于广义拟线性观测器的AGV小车同步加密控制关系图。

图2为本发明实施例1的基于广义拟线性观测器同步的AGV控制系统的超混沌决策加密方法的流程图。

图3为本发明实施例2的拟线性观测器对于广义拟线性加密系统状态的观测效果。

图4为本发明实施例2的控制策略解密同步传输效果。

图5为本发明实施例3的基于RGB图像分解过程图。

图6为本发明实施例4的基于广义拟线性观测器同步的AGV控制系统的超混沌决策装置的结构框图。

图7为本发明实施例5的下位机的结构框图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例，基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。应当理解，描述的具体实施例仅仅用以解释本申请，并不用于限定本申请。

实施例1：

如图1、2所示，本实施例提供了一种基于广义拟线性观测器同步的AGV控制系统的超混沌决策加密方法，其中AGV控制系统包括上位机1、下位机2和通讯模块3，上位机1用于提供AGV小车的速度控制信号，并依据Lorenz混沌系统构建广义混沌加密发送系统；下位机2用于依据发送系统模型，基于拟线性矩阵方程组求解，获得提出观测器的有效估计值，从而实现决策信息的解密过程；上位机1和下位机2通过通讯模块3建立通信，所述方法包括：

S201、在上位机发送端将AGV小车的速度控制信号注入Lorenz混沌系统，通过增广变换，构建广义混沌加密系统。

在发送端，考虑如下超混沌Lorenz系统：

其中x

引入相应的上位机控制决策信号s，该信号的加入并不会改变原系统的混沌特性且很好的隐藏在混沌系统的类随机性下，构建相应的增广信号

对应的控制输出为y＝[CD]ξ.

接收端的任务就是根据可测的发送端系统的可测信号y来解密上位机发送系统的控制决策信号s。

S202、下位机接收广义混沌加密系统，并依据广义混沌加密系统构建一种直接拟线性观测器。

依据广义混沌加密系统，提出如下形式的拟线性观测器：

利用式(3)和(4)，定义相应的辅助观测误差可得：

从而状态观测误差为：

待设计的矩阵P(x

则有：

当矩阵N(x

S203、基于拟线性观测器求解，获得该拟线性观测器的有效解，实现了对于超混沌系统的决策信息的加密同步及传输。

求解设计的观测器的有效参数，包括：

对于矩阵方程：

进行转置和几何变换，可得：

令

该方程为全驱Sylvester矩阵，其解即观测器系数矩阵P(x

其中Θ(x

进一步，由：

可得如下联合形式的矩阵方程：

带入(12)可得其参数形式：

由式(15)可知其观测器矩阵L(x

且被表示为：

依据获得的有效解(12)和(17)，可以构建形如(4)具体的观测器，实现对于混沌发送系统的同步，从而实现控制决策信息的加密传输。

实施例2：

针对于形如式(1)的Lorenz模型，其相关参数为：

引入AGV小车控制系统中由上位机发送的控制决策变量s，最终可构建如下发送端系统：

/>

令

则秩条件(16)的参数化形式如下：

依据约束rankF(M,Θ)＝3，可获得一组特解：

进一步获得：

最终在下位机构建如下观测器：

实现对于加密控制信号的解密传输。最终的AGV控制系统决策信息加密同步及传输效果见图3-4。其中，图3为设计的拟线性观测器对于广义拟线性加密系统状态的观测情况，其中实线为系统真实状态，虚线为观测情况；图4为控制策略解密同步传输情况。从仿真实验结果可以看出，设计的基于拟线性观测器很好的实线了AGV控制系统控制决策加密同步传输策略。

实施例3：

除了AGV小车控制系统控制策略加密传输外，在无线通讯过程中，为了有效的避免不法分子利用不正当手段对信息数据进行窃取和利用，同样可以利用该方法进行加密传输，达到降低隐私泄露和公共安全等问题的目的。例如针对于图5，将图5转化为如下维度为3的数据流：

其最终的求解方法与实施例1一致，实现了对于图像信息的加密传输过程。

本领域技术人员可以理解，实现上述实施例的方法中的全部或部分步骤可以通过程序来指令相关的硬件来完成，相应的程序可以存储于计算机可读存储介质中。

应当注意，尽管在附图中以特定顺序描述了上述实施例的方法操作，但是这并非要求或者暗示必须按照该特定顺序来执行这些操作，或是必须执行全部所示的操作才能实现期望的结果。相反，描绘的步骤可以改变执行顺序。附加地或备选地，可以省略某些步骤，将多个步骤合并为一个步骤执行，和/或将一个步骤分解为多个步骤执行。

实施例4：

如图6所示，本实施例提供了一种基于广义拟线性观测器同步的AGV控制系统的超混沌决策加密装置，所述AGV控制系统包括上位机、下位机和通讯模块，所述上位机和下位机通过通讯模块建立通信，所述装置包括广义混沌加密系统构建模块601、拟线性观测器构建模块602和决策信息加密同步及传输模块603，其中：

广义混沌加密系统构建模块601，用于通过所述上位机将AGV小车的速度控制信号注入Lorenz混沌系统，将所述Lorenz混沌系统通过增广变换构建广义混沌加密系统；

拟线性观测器构建模块602，用于接收所述广义混沌加密系统，并依据所述广义混沌加密系统构建拟线性观测器；

决策信息加密同步及传输模块603，用于基于所述拟线性观测器求解，获得所述拟线性观测器的有效解，实现了对于超混沌系统的决策信息的加密同步及传输。

本实施例中各个模块的具体实现可以参见上述实施例1，在此不再一一赘述；需要说明的是，本实施例提供的装置仅以上述各功能模块的划分进行举例说明，在实际应用中，可以根据需要而将上述功能分配由不同的功能模块完成，即将内部结构划分成不同的功能模块，以完成以上描述的全部或者部分功能。

实施例5：

本实施例提供了一种下位机，该下位机可以为计算机，如图7所示，其通过系统总线701连接的处理器702、存储器、输入装置703、显示器704和网络接口705，该处理器用于提供计算和控制能力，该存储器包括非易失性存储介质706和内存储器707，该非易失性存储介质706存储有操作系统、计算机程序和数据库，该内存储器707为非易失性存储介质中的操作系统和计算机程序的运行提供环境，处理器702执行存储器存储的计算机程序时，实现上述实施例1的超混沌决策加密方法，如下：

通过所述上位机将AGV小车的速度控制信号注入Lorenz混沌系统，将所述Lorenz混沌系统通过增广变换构建广义混沌加密系统；

接收所述广义混沌加密系统，并依据所述广义混沌加密系统构建拟线性观测器；

基于所述拟线性观测器求解，获得所述拟线性观测器的有效解，实现了对于超混沌系统的决策信息的加密同步及传输。

实施例6：

本实施例提供了一种存储介质，该存储介质为计算机可读存储介质，其存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时，实现上述实施例1的超混沌决策加密方法，如下：

通过所述上位机将AGV小车的速度控制信号注入Lorenz混沌系统，将所述Lorenz混沌系统通过增广变换构建广义混沌加密系统；

接收所述广义混沌加密系统，并依据所述广义混沌加密系统构建拟线性观测器；

基于所述拟线性观测器求解，获得所述拟线性观测器的有效解，实现了对于超混沌系统的决策信息的加密同步及传输。

需要说明的是，本实施例的计算机可读存储介质可以是计算机可读信号介质或者计算机可读存储介质或者是上述两者的任意组合。计算机可读存储介质例如可以是但不限于电、磁、光、电磁、红外线、或半导体的系统、装置或器件，或者任意以上的组合。计算机可读存储介质的更具体的例子可以包括但不限于：具有一个或多个导线的电连接、便携式计算机磁盘、硬盘、随机访问存储器(RAM)、只读存储器(ROM)、可擦式可编程只读存储器(EPROM或闪存)、光纤、便携式紧凑磁盘只读存储器(CD-ROM)、光存储器件、磁存储器件、或者上述的任意合适的组合。

综上所述，本发明提供的基于广义拟线性观测器同步的AGV控制系统的超混沌决策加密方法及装置，所述方法包括：首先，在不改变超混沌发送系统的混沌特性的前提下，将AGV控制系统的决策信息注入到发送系统中，并将决策信息看作系统的状态变量，最终构建广义形式下的混沌决策发送系统；接下来，在接受端处，设计广义拟线性观测器，实现利用发送系统传递下的隐藏的决策信息同步出广义混沌系统的状态和有效决策。本发明提供的方法将决策信息的加密解密过程转换为收发端的混沌系统的一次同步过程，无需单独设计加密解密算法，具有较为高效的，易实现的优点。

以上所述，仅为本发明专利较佳的实施例，但本发明专利的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明专利所公开的范围内，根据本发明专利的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都属于本发明专利的保护范围。