網絡安全技術下植保無人機系統設計

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摘要:以植保無人機通信系統為研究對象,結合網絡安全技術建立了植保無人機飛行控制過程中的通信網絡。植保無人機通信網絡包含植保無人機之間、無人機與地面飛行控制監控系統之間以及植保無人機與服務器之間網絡通信,無人機與系統之間和無人機之間形成點對點的交互式網絡通信。系統驗證結果表明:植保無人機通信系統能夠有效地進行系統交互通信,通信數據量滿足實際使用設計要求;無人機飛行姿態與設定指令之間誤差較小,能夠有效進行數據及指令的發送與接收。研究可為植保無人機通信網絡的穩定性、可靠性及有效性提供參考。

關鍵詞:植保無人機;通信系統;網絡安全;可靠性

0引言

無人機是硬件與網絡通信技術相互協同作業的智能系統,在無人機硬件結構上搭載不同的執行機構即可進行不同作業,農業生產過程中所用無人機通過搭載噴灌、監控及施肥等不同的作業機構,形成不同的植保無人機[1-2]。無人機飛行控制過程是一種集成飛行控制完整性和飛行穩定性一體要求的綜合控制系統,包含飛行控制硬件原理及無人機控制系統網絡通信[3]。無人機通信網絡包含無人機系統與地面監測控制系統、無人機系統、無人機云服務器以及無人機系統之間的相互通信網絡[4]。筆者基于網絡安全技術,設計開發了一種集成于無人機系統之間、無人機與控制系統之間以及無人機與云服務器之間的協同控制通信網絡,形成了植保無人機飛行作業過程中的有效交互式通信。

1植保無人機通信系統

植保無人機通信系統信號包括控制遙感信號、無人機控制指令以及無人機機載傳感器信號,通信系統信號在傳輸過程中通常采用3種信號分開傳輸的方式[5]。無人機控制遙感信號是地面遙控控制信號,能夠對無人機的自主飛行過程進行干預,使自主飛行過程切換至非完全自主飛行[6]。無人機控制指令信號包含無人機飛行過程中的狀態數據,是無人機能夠自主飛行的關鍵,通常包含無人機姿態等信息[7]。無人機機載傳感器信號通常指無人機攜帶的相關傳感器所采集到的圖像信息、環境參數信息及其他相關物理參數信息,機載傳感器信號數據量大,對于通信系統的傳輸要求較高,為保證無人機任務的有效性,通常設定專用通道進行無人機機載傳感器信號的傳輸與接收[8-9]。無人機通信系統信號在進行獨立傳輸時,通信信道相互獨立,但需要占用較大的通信帶寬,造成浪費。因此,設計的植保無人機通信系統將3種信號進行合成傳輸,并設置專用信號通道進行無人機機載信號傳輸[10]。圖1所示為植保無人機通信系統架構圖。

2無人機通信網絡方案設計

隨著物聯網和智能化技術的發展,植保無人機通信網絡的發展更加趨于實際需求,無人機網絡主要包含植保無人機機群網絡通信、無人機與地面控制系統網絡通信、無人機與遠程服務器網絡通信、地面控制系統與遠程服務器網絡通信以及地面系統之間的相互通信。地面控制系統與無人機之間的通信是建立的點對點通信網絡,使無人機的飛行狀態處于監控狀態。無人機通信網絡是具有互聯網基礎的通信系統[11-12],如圖2所示。

3植保無人機通信組網

植保無人機飛行控制器進行機載通信協議的生成,并在植保無人機內進行協議軟件程序的搭載,抓取植保無人機的實時飛行數據,生成特定協議數據包,通過機載數據網關進行發送,并通過植保無人機通信網絡傳輸至地面控制系統及監管中心[13]。飛行控制器在進行通信協議的生成時,主要通過控制邏輯以及優先等級進行判斷,通信協議數據包格式定義如表1所示。地面控制系統通信基礎傳輸協議采用串口協議進行數據包的傳輸,地面控制系統通信協議包含4層傳輸結構,傳輸過程具有較高的傳輸頻率,能夠對數據內容提供較寬的數據傳輸帶。植保無人機地面控制系統通信協議傳輸結構,如圖3所示。機載飛行控制系統中具有軟件邏輯控制數據,能夠在飛行控制過程中進行數據的接收,并進行正確通信和數據包內容的獲取,消除錯誤的通信數據,保證通信數據的安全性;數據網關能夠對機載數據進行接收傳輸及協議地址的分配,實現機載飛行數據和地面基站數據之間的交互。數據網關邏輯示意圖,如圖4所示。數據網關邏輯進行通信邏輯和通信協議的控制,并生成數據流,通過數據交互方式與地面控制系統進行數據傳輸。當數據網關接收到地面控制指令數據后,對數據正確性和完整性進行判斷,并通過指令信號的質量確定數據包的完整性,同時提取有效的數據信息,并按照協議內容對數據進行分發,同時將請求數據傳輸至通信系統,反饋信號傳輸至地面控制系統及監控中心。植保無人機地面監控中心要求能夠進行無人機群的飛行監控,同時獲取獨立無人機的位置信息,并能對無人機進行控制指令的發送,同時要求能夠對監控中心的相關飛行數據信息進行共享。植保無人機監控中心要求能夠控制無人機的飛行狀態,保證無人機的飛行安全。無人機飛行控制器和地面監管中心服務器之間的通信內容主要包含植保無人機的位置信息、無人機的身份狀態信息、控制指令及監管中心服務器中的共享數據信息,且保證植保無人機控制系統能夠介入通信網絡系統當中,并通過通信網絡對植保無人機進行監管和控制。植保無人機組網是進行無人機飛行工作狀態機群控制的核心,控制人員通過地面監管中心及地面控制系統對植保無人機進行任務指令的傳輸,進行無人機的控制;被控制的植保無人機機群將自身飛行數據進行發送,從而抽象出一種點對點的數據通信;通過點對點的數據傳輸,能夠較好地進行無人機機群控制,能夠有效地進行通信系統組網;通信數據量小,能夠有效地降低硬件成本及控制過程資源消耗。每個獨立植保無人機除了能夠進行自身的通信外,還能夠實現數據路由功能,經過路由以后將數據傳輸至控制系統中心,實現無人機群的鏈式組網,提高無人機群的數據傳輸距離,形成控制系統物聯網。

4通信系統測試分析

植保無人機飛行控制系統用于進行無人機飛行狀態的控制,并按照飛行避障功能進行飛行狀態的自適應調整。為驗證設計的植保無人機通信系統有效性,通過對3組無人機飛行過程中的姿態信息進行采集,驗證無人機通信網絡的有效性。飛行試驗前,通過無人機通信數據的監測,進行通信網絡檢測。植保無人機通信系統數據接收與發送測試結果,如表2所示。由表2可以看出:植保無人機通信系統在數據傳輸過程中,當系統通信網絡處于最大通信DXV時,系統通信量處于最小值;當系統通信網絡處于最小通信DXV時,其通信量達到最大值;植保無人機通信系統通信量的有效通信數據、冗余通信數據及總通信數據均符合無人機通信系統設計標準值。3組植保無人機飛行姿態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定值基本相符。這表明植保無人機通信系統能夠有效地進行控制指令的傳輸,控制系統能夠有效地對控制指令進行接收。

5結論

植保無人機通信網絡系統要求具有較高的運行可靠性,且能夠進行遠距離高速數據交互通信。隨著物聯網及智能化通信的發展,植保無人機通信系統穩定性、安全性以及通信效率將得到快速發展,滿足系統使用過程中的交互式要求,同時結合云服務器技術,植保無人機通信控制網絡將得到更有效的發展。

作者:程常喜 單位:南陽農業職業學院