网络安全技术下植保无人机系统设计

摘要:以植保无人机通信系统为研究对象,结合网络安全技术建立了植保无人机飞行控制过程中的通信网络。植保无人机通信网络包含植保无人机之间、无人机与地面飞行控制监控系统之间以及植保无人机与服务器之间网络通信,无人机与系统之间和无人机之间形成点对点的交互式网络通信。系统验证结果表明:植保无人机通信系统能够有效地进行系统交互通信,通信数据量满足实际使用设计要求;无人机飞行姿态与设定指令之间误差较小,能够有效进行数据及指令的发送与接收。研究可为植保无人机通信网络的稳定性、可靠性及有效性提供参考。

关键词:植保无人机;通信系统;网络安全;可靠性

0引言

无人机是硬件与网络通信技术相互协同作业的智能系统,在无人机硬件结构上搭载不同的执行机构即可进行不同作业,农业生产过程中所用无人机通过搭载喷灌、监控及施肥等不同的作业机构,形成不同的植保无人机[1-2]。无人机飞行控制过程是一种集成飞行控制完整性和飞行稳定性一体要求的综合控制系统,包含飞行控制硬件原理及无人机控制系统网络通信[3]。无人机通信网络包含无人机系统与地面监测控制系统、无人机系统、无人机云服务器以及无人机系统之间的相互通信网络[4]。笔者基于网络安全技术,设计开发了一种集成于无人机系统之间、无人机与控制系统之间以及无人机与云服务器之间的协同控制通信网络,形成了植保无人机飞行作业过程中的有效交互式通信。

1植保无人机通信系统

植保无人机通信系统信号包括控制遥感信号、无人机控制指令以及无人机机载传感器信号,通信系统信号在传输过程中通常采用3种信号分开传输的方式[5]。无人机控制遥感信号是地面遥控控制信号,能够对无人机的自主飞行过程进行干预,使自主飞行过程切换至非完全自主飞行[6]。无人机控制指令信号包含无人机飞行过程中的状态数据,是无人机能够自主飞行的关键,通常包含无人机姿态等信息[7]。无人机机载传感器信号通常指无人机携带的相关传感器所采集到的图像信息、环境参数信息及其他相关物理参数信息,机载传感器信号数据量大,对于通信系统的传输要求较高,为保证无人机任务的有效性,通常设定专用通道进行无人机机载传感器信号的传输与接收[8-9]。无人机通信系统信号在进行独立传输时,通信信道相互独立,但需要占用较大的通信带宽,造成浪费。因此,设计的植保无人机通信系统将3种信号进行合成传输,并设置专用信号通道进行无人机机载信号传输[10]。图1所示为植保无人机通信系统架构图。

2无人机通信网络方案设计

随着物联网和智能化技术的发展,植保无人机通信网络的发展更加趋于实际需求,无人机网络主要包含植保无人机机群网络通信、无人机与地面控制系统网络通信、无人机与远程服务器网络通信、地面控制系统与远程服务器网络通信以及地面系统之间的相互通信。地面控制系统与无人机之间的通信是建立的点对点通信网络,使无人机的飞行状态处于监控状态。无人机通信网络是具有互联网基础的通信系统[11-12],如图2所示。

3植保无人机通信组网

植保无人机飞行控制器进行机载通信协议的生成,并在植保无人机内进行协议软件程序的搭载,抓取植保无人机的实时飞行数据,生成特定协议数据包,通过机载数据网关进行发送,并通过植保无人机通信网络传输至地面控制系统及监管中心[13]。飞行控制器在进行通信协议的生成时,主要通过控制逻辑以及优先等级进行判断,通信协议数据包格式定义如表1所示。地面控制系统通信基础传输协议采用串口协议进行数据包的传输,地面控制系统通信协议包含4层传输结构,传输过程具有较高的传输频率,能够对数据内容提供较宽的数据传输带。植保无人机地面控制系统通信协议传输结构,如图3所示。机载飞行控制系统中具有软件逻辑控制数据,能够在飞行控制过程中进行数据的接收,并进行正确通信和数据包内容的获取,消除错误的通信数据,保证通信数据的安全性;数据网关能够对机载数据进行接收传输及协议地址的分配,实现机载飞行数据和地面基站数据之间的交互。数据网关逻辑示意图,如图4所示。数据网关逻辑进行通信逻辑和通信协议的控制,并生成数据流,通过数据交互方式与地面控制系统进行数据传输。当数据网关接收到地面控制指令数据后,对数据正确性和完整性进行判断,并通过指令信号的质量确定数据包的完整性,同时提取有效的数据信息,并按照协议内容对数据进行分发,同时将请求数据传输至通信系统,反馈信号传输至地面控制系统及监控中心。植保无人机地面监控中心要求能够进行无人机群的飞行监控,同时获取独立无人机的位置信息,并能对无人机进行控制指令的发送,同时要求能够对监控中心的相关飞行数据信息进行共享。植保无人机监控中心要求能够控制无人机的飞行状态,保证无人机的飞行安全。无人机飞行控制器和地面监管中心服务器之间的通信内容主要包含植保无人机的位置信息、无人机的身份状态信息、控制指令及监管中心服务器中的共享数据信息,且保证植保无人机控制系统能够介入通信网络系统当中,并通过通信网络对植保无人机进行监管和控制。植保无人机组网是进行无人机飞行工作状态机群控制的核心,控制人员通过地面监管中心及地面控制系统对植保无人机进行任务指令的传输,进行无人机的控制;被控制的植保无人机机群将自身飞行数据进行发送,从而抽象出一种点对点的数据通信;通过点对点的数据传输,能够较好地进行无人机机群控制,能够有效地进行通信系统组网;通信数据量小,能够有效地降低硬件成本及控制过程资源消耗。每个独立植保无人机除了能够进行自身的通信外,还能够实现数据路由功能,经过路由以后将数据传输至控制系统中心,实现无人机群的链式组网,提高无人机群的数据传输距离,形成控制系统物联网。

4通信系统测试分析

植保无人机飞行控制系统用于进行无人机飞行状态的控制,并按照飞行避障功能进行飞行状态的自适应调整。为验证设计的植保无人机通信系统有效性,通过对3组无人机飞行过程中的姿态信息进行采集,验证无人机通信网络的有效性。飞行试验前,通过无人机通信数据的监测,进行通信网络检测。植保无人机通信系统数据接收与发送测试结果,如表2所示。由表2可以看出:植保无人机通信系统在数据传输过程中,当系统通信网络处于最大通信DXV时,系统通信量处于最小值;当系统通信网络处于最小通信DXV时,其通信量达到最大值;植保无人机通信系统通信量的有效通信数据、冗余通信数据及总通信数据均符合无人机通信系统设计标准值。3组植保无人机飞行姿态与控制指令对比曲线,如图5所示。plantprotectionUAV由图5可以看出:3架植保无人机在飞行过程中,飞行控制器采集到的其3个不同方向的飞行曲线与控制指令设定值基本相符。这表明植保无人机通信系统能够有效地进行控制指令的传输,控制系统能够有效地对控制指令进行接收。

5结论

植保无人机通信网络系统要求具有较高的运行可靠性,且能够进行远距离高速数据交互通信。随着物联网及智能化通信的发展,植保无人机通信系统稳定性、安全性以及通信效率将得到快速发展,满足系统使用过程中的交互式要求,同时结合云服务器技术,植保无人机通信控制网络将得到更有效的发展。

作者:程常喜 单位:南阳农业职业学院