網(wǎng)絡(luò)安全技術(shù)下植保無人機(jī)系統(tǒng)設(shè)計

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摘要:以植保無人機(jī)通信系統(tǒng)為研究對象,結(jié)合網(wǎng)絡(luò)安全技術(shù)建立了植保無人機(jī)飛行控制過程中的通信網(wǎng)絡(luò)。植保無人機(jī)通信網(wǎng)絡(luò)包含植保無人機(jī)之間、無人機(jī)與地面飛行控制監(jiān)控系統(tǒng)之間以及植保無人機(jī)與服務(wù)器之間網(wǎng)絡(luò)通信,無人機(jī)與系統(tǒng)之間和無人機(jī)之間形成點(diǎn)對點(diǎn)的交互式網(wǎng)絡(luò)通信。系統(tǒng)驗證結(jié)果表明:植保無人機(jī)通信系統(tǒng)能夠有效地進(jìn)行系統(tǒng)交互通信,通信數(shù)據(jù)量滿足實際使用設(shè)計要求;無人機(jī)飛行姿態(tài)與設(shè)定指令之間誤差較小,能夠有效進(jìn)行數(shù)據(jù)及指令的發(fā)送與接收。研究可為植保無人機(jī)通信網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定性、可靠性及有效性提供參考。

關(guān)鍵詞:植保無人機(jī);通信系統(tǒng);網(wǎng)絡(luò)安全;可靠性

0引言

無人機(jī)是硬件與網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)相互協(xié)同作業(yè)的智能系統(tǒng),在無人機(jī)硬件結(jié)構(gòu)上搭載不同的執(zhí)行機(jī)構(gòu)即可進(jìn)行不同作業(yè),農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程中所用無人機(jī)通過搭載噴灌、監(jiān)控及施肥等不同的作業(yè)機(jī)構(gòu),形成不同的植保無人機(jī)[1-2]。無人機(jī)飛行控制過程是一種集成飛行控制完整性和飛行穩(wěn)定性一體要求的綜合控制系統(tǒng),包含飛行控制硬件原理及無人機(jī)控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)通信[3]。無人機(jī)通信網(wǎng)絡(luò)包含無人機(jī)系統(tǒng)與地面監(jiān)測控制系統(tǒng)、無人機(jī)系統(tǒng)、無人機(jī)云服務(wù)器以及無人機(jī)系統(tǒng)之間的相互通信網(wǎng)絡(luò)[4]。筆者基于網(wǎng)絡(luò)安全技術(shù),設(shè)計開發(fā)了一種集成于無人機(jī)系統(tǒng)之間、無人機(jī)與控制系統(tǒng)之間以及無人機(jī)與云服務(wù)器之間的協(xié)同控制通信網(wǎng)絡(luò),形成了植保無人機(jī)飛行作業(yè)過程中的有效交互式通信。

1植保無人機(jī)通信系統(tǒng)

植保無人機(jī)通信系統(tǒng)信號包括控制遙感信號、無人機(jī)控制指令以及無人機(jī)機(jī)載傳感器信號,通信系統(tǒng)信號在傳輸過程中通常采用3種信號分開傳輸?shù)姆绞絒5]。無人機(jī)控制遙感信號是地面遙控控制信號,能夠?qū)o人機(jī)的自主飛行過程進(jìn)行干預(yù),使自主飛行過程切換至非完全自主飛行[6]。無人機(jī)控制指令信號包含無人機(jī)飛行過程中的狀態(tài)數(shù)據(jù),是無人機(jī)能夠自主飛行的關(guān)鍵,通常包含無人機(jī)姿態(tài)等信息[7]。無人機(jī)機(jī)載傳感器信號通常指無人機(jī)攜帶的相關(guān)傳感器所采集到的圖像信息、環(huán)境參數(shù)信息及其他相關(guān)物理參數(shù)信息,機(jī)載傳感器信號數(shù)據(jù)量大,對于通信系統(tǒng)的傳輸要求較高,為保證無人機(jī)任務(wù)的有效性,通常設(shè)定專用通道進(jìn)行無人機(jī)機(jī)載傳感器信號的傳輸與接收[8-9]。無人機(jī)通信系統(tǒng)信號在進(jìn)行獨(dú)立傳輸時,通信信道相互獨(dú)立,但需要占用較大的通信帶寬,造成浪費(fèi)。因此,設(shè)計的植保無人機(jī)通信系統(tǒng)將3種信號進(jìn)行合成傳輸,并設(shè)置專用信號通道進(jìn)行無人機(jī)機(jī)載信號傳輸[10]。圖1所示為植保無人機(jī)通信系統(tǒng)架構(gòu)圖。

2無人機(jī)通信網(wǎng)絡(luò)方案設(shè)計

隨著物聯(lián)網(wǎng)和智能化技術(shù)的發(fā)展,植保無人機(jī)通信網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展更加趨于實際需求,無人機(jī)網(wǎng)絡(luò)主要包含植保無人機(jī)機(jī)群網(wǎng)絡(luò)通信、無人機(jī)與地面控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)通信、無人機(jī)與遠(yuǎn)程服務(wù)器網(wǎng)絡(luò)通信、地面控制系統(tǒng)與遠(yuǎn)程服務(wù)器網(wǎng)絡(luò)通信以及地面系統(tǒng)之間的相互通信。地面控制系統(tǒng)與無人機(jī)之間的通信是建立的點(diǎn)對點(diǎn)通信網(wǎng)絡(luò),使無人機(jī)的飛行狀態(tài)處于監(jiān)控狀態(tài)。無人機(jī)通信網(wǎng)絡(luò)是具有互聯(lián)網(wǎng)基礎(chǔ)的通信系統(tǒng)[11-12],如圖2所示。

3植保無人機(jī)通信組網(wǎng)

植保無人機(jī)飛行控制器進(jìn)行機(jī)載通信協(xié)議的生成,并在植保無人機(jī)內(nèi)進(jìn)行協(xié)議軟件程序的搭載,抓取植保無人機(jī)的實時飛行數(shù)據(jù),生成特定協(xié)議數(shù)據(jù)包,通過機(jī)載數(shù)據(jù)網(wǎng)關(guān)進(jìn)行發(fā)送,并通過植保無人機(jī)通信網(wǎng)絡(luò)傳輸至地面控制系統(tǒng)及監(jiān)管中心[13]。飛行控制器在進(jìn)行通信協(xié)議的生成時,主要通過控制邏輯以及優(yōu)先等級進(jìn)行判斷,通信協(xié)議數(shù)據(jù)包格式定義如表1所示。地面控制系統(tǒng)通信基礎(chǔ)傳輸協(xié)議采用串口協(xié)議進(jìn)行數(shù)據(jù)包的傳輸,地面控制系統(tǒng)通信協(xié)議包含4層傳輸結(jié)構(gòu),傳輸過程具有較高的傳輸頻率,能夠?qū)?shù)據(jù)內(nèi)容提供較寬的數(shù)據(jù)傳輸帶。植保無人機(jī)地面控制系統(tǒng)通信協(xié)議傳輸結(jié)構(gòu),如圖3所示。機(jī)載飛行控制系統(tǒng)中具有軟件邏輯控制數(shù)據(jù),能夠在飛行控制過程中進(jìn)行數(shù)據(jù)的接收,并進(jìn)行正確通信和數(shù)據(jù)包內(nèi)容的獲取,消除錯誤的通信數(shù)據(jù),保證通信數(shù)據(jù)的安全性;數(shù)據(jù)網(wǎng)關(guān)能夠?qū)C(jī)載數(shù)據(jù)進(jìn)行接收傳輸及協(xié)議地址的分配,實現(xiàn)機(jī)載飛行數(shù)據(jù)和地面基站數(shù)據(jù)之間的交互。數(shù)據(jù)網(wǎng)關(guān)邏輯示意圖,如圖4所示。數(shù)據(jù)網(wǎng)關(guān)邏輯進(jìn)行通信邏輯和通信協(xié)議的控制,并生成數(shù)據(jù)流,通過數(shù)據(jù)交互方式與地面控制系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。當(dāng)數(shù)據(jù)網(wǎng)關(guān)接收到地面控制指令數(shù)據(jù)后,對數(shù)據(jù)正確性和完整性進(jìn)行判斷,并通過指令信號的質(zhì)量確定數(shù)據(jù)包的完整性,同時提取有效的數(shù)據(jù)信息,并按照協(xié)議內(nèi)容對數(shù)據(jù)進(jìn)行分發(fā),同時將請求數(shù)據(jù)傳輸至通信系統(tǒng),反饋信號傳輸至地面控制系統(tǒng)及監(jiān)控中心。植保無人機(jī)地面監(jiān)控中心要求能夠進(jìn)行無人機(jī)群的飛行監(jiān)控,同時獲取獨(dú)立無人機(jī)的位置信息,并能對無人機(jī)進(jìn)行控制指令的發(fā)送,同時要求能夠?qū)ΡO(jiān)控中心的相關(guān)飛行數(shù)據(jù)信息進(jìn)行共享。植保無人機(jī)監(jiān)控中心要求能夠控制無人機(jī)的飛行狀態(tài),保證無人機(jī)的飛行安全。無人機(jī)飛行控制器和地面監(jiān)管中心服務(wù)器之間的通信內(nèi)容主要包含植保無人機(jī)的位置信息、無人機(jī)的身份狀態(tài)信息、控制指令及監(jiān)管中心服務(wù)器中的共享數(shù)據(jù)信息,且保證植保無人機(jī)控制系統(tǒng)能夠介入通信網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)當(dāng)中,并通過通信網(wǎng)絡(luò)對植保無人機(jī)進(jìn)行監(jiān)管和控制。植保無人機(jī)組網(wǎng)是進(jìn)行無人機(jī)飛行工作狀態(tài)機(jī)群控制的核心,控制人員通過地面監(jiān)管中心及地面控制系統(tǒng)對植保無人機(jī)進(jìn)行任務(wù)指令的傳輸,進(jìn)行無人機(jī)的控制;被控制的植保無人機(jī)機(jī)群將自身飛行數(shù)據(jù)進(jìn)行發(fā)送,從而抽象出一種點(diǎn)對點(diǎn)的數(shù)據(jù)通信;通過點(diǎn)對點(diǎn)的數(shù)據(jù)傳輸,能夠較好地進(jìn)行無人機(jī)機(jī)群控制,能夠有效地進(jìn)行通信系統(tǒng)組網(wǎng);通信數(shù)據(jù)量小,能夠有效地降低硬件成本及控制過程資源消耗。每個獨(dú)立植保無人機(jī)除了能夠進(jìn)行自身的通信外,還能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)路由功能,經(jīng)過路由以后將數(shù)據(jù)傳輸至控制系統(tǒng)中心,實現(xiàn)無人機(jī)群的鏈?zhǔn)浇M網(wǎng),提高無人機(jī)群的數(shù)據(jù)傳輸距離,形成控制系統(tǒng)物聯(lián)網(wǎng)。

4通信系統(tǒng)測試分析

植保無人機(jī)飛行控制系統(tǒng)用于進(jìn)行無人機(jī)飛行狀態(tài)的控制,并按照飛行避障功能進(jìn)行飛行狀態(tài)的自適應(yīng)調(diào)整。為驗證設(shè)計的植保無人機(jī)通信系統(tǒng)有效性,通過對3組無人機(jī)飛行過程中的姿態(tài)信息進(jìn)行采集,驗證無人機(jī)通信網(wǎng)絡(luò)的有效性。飛行試驗前,通過無人機(jī)通信數(shù)據(jù)的監(jiān)測,進(jìn)行通信網(wǎng)絡(luò)檢測。植保無人機(jī)通信系統(tǒng)數(shù)據(jù)接收與發(fā)送測試結(jié)果,如表2所示。由表2可以看出:植保無人機(jī)通信系統(tǒng)在數(shù)據(jù)傳輸過程中,當(dāng)系統(tǒng)通信網(wǎng)絡(luò)處于最大通信DXV時,系統(tǒng)通信量處于最小值;當(dāng)系統(tǒng)通信網(wǎng)絡(luò)處于最小通信DXV時,其通信量達(dá)到最大值;植保無人機(jī)通信系統(tǒng)通信量的有效通信數(shù)據(jù)、冗余通信數(shù)據(jù)及總通信數(shù)據(jù)均符合無人機(jī)通信系統(tǒng)設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)值。3組植保無人機(jī)飛行姿態(tài)與控制指令對比曲線,如圖5所示。plantprotectionUAV由圖5可以看出:3架植保無人機(jī)在飛行過程中,飛行控制器采集到的其3個不同方向的飛行曲線與控制指令設(shè)定值基本相符。這表明植保無人機(jī)通信系統(tǒng)能夠有效地進(jìn)行控制指令的傳輸,控制系統(tǒng)能夠有效地對控制指令進(jìn)行接收。

5結(jié)論

植保無人機(jī)通信網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)要求具有較高的運(yùn)行可靠性,且能夠進(jìn)行遠(yuǎn)距離高速數(shù)據(jù)交互通信。隨著物聯(lián)網(wǎng)及智能化通信的發(fā)展,植保無人機(jī)通信系統(tǒng)穩(wěn)定性、安全性以及通信效率將得到快速發(fā)展,滿足系統(tǒng)使用過程中的交互式要求,同時結(jié)合云服務(wù)器技術(shù),植保無人機(jī)通信控制網(wǎng)絡(luò)將得到更有效的發(fā)展。

作者:程常喜 單位:南陽農(nóng)業(yè)職業(yè)學(xué)院