基于無線網絡安全的農業機器人自動避障系統

江 楠,司麗娜,蔡增玉

(鄭州輕工業學院,鄭州 450002)

0 引言

隨著通信技術的發展,無線網絡技術得到迅速發展。相比于傳統的有線網絡,其具備擴展性、靈活性及安裝靈活簡單等優勢。無線網絡安全結合了互聯網、物聯網等技術,是智能控制策略中的保證,其關鍵在于能否抵御外來黑客非法入侵,以保證整個系統的安全。為此,在無線網絡安全的基礎上,結合嵌入式智能控制技術,提出了一種基于無線網絡安全的農業機器人自動避障系統,實現前進道路上的避障功能。

1 無線網絡安全技術

目前,無線網絡已經成為一種重要的通信方式,人們對無線網絡的依賴程度越來越高。由于無線網絡的普及,使得農業機器人的遠程控制成為可能,而農業機器人的網絡安全就顯得非常重要。在現實的應用中,無線網絡比有線網絡更易遭受網絡攻擊。農業機器人是一種網絡應用終端,在作業過程中肯定會受到黑客的惡意攻擊。一旦農業機器人控制系統被攻擊和入侵,為人類提供便利的新科技就淪為罪犯作案的工具,會造成用戶信息的泄露、農業機器人控制系統的破壞等。因此,在應用無線網絡技術時,應該充分對網絡安全進行考慮和預防。無線網絡安全技術具有以下特點。

1.1 與有線網絡的區別之處

無線網絡主要是采用無線通信技術實現的網絡,將各種PC機、PAD、手機等終端設備互聯起來,構成相互通信和資源共享的網絡架構,主要包括CDMA、GPRS及Wi-Fi等。相比有線網絡百兆、千兆級別的傳輸速度,無線網絡由于電磁波傳輸的局限性,最高只可達到300Mbps。無線網絡采用電磁波進行數據的傳輸,相對于有線網絡的光纖傳輸介質,無線網絡傳輸效果受非透明介質的影響較大,且傳輸距離的限制性也較強。

1.2 無線網絡安全性

無線網絡在使用過程中開放性比較強,用戶在信號覆蓋區域便可連接上網,而該網絡傳輸方式也給無線網絡帶來了較大的安全隱患。公共場合的無線網絡和家用、辦公場合相比,用戶連接更為頻繁,大大提高了網絡被攻擊和入侵的機會。

近年來,比亞迪智能汽車安全漏洞事件、美國菲亞特克萊斯勒公司越野車遭到黑客入侵事件、Equifax信息泄露事件,暴露了無線網絡使用中的漏洞,使如何加強無線網絡安全成為熱門話題。目前,使用較多的無線網絡加密技術有SSID、MAC ACL、WEP、Web Redirection、WPA及WPA2等。WEP加密流程如圖1所示。

1.3 無線網絡的安全隱患

1)無線網絡很容易被搜索發現,非常容易被黑客采用無線網卡設備侵入,然后對在該網絡內的所有用戶進行攻擊。

2)相比于有線網絡能夠采用部署防火墻硬件安全設備來構建一個防范外部攻擊的防線,無線網絡沒有具體的“防范”措施,必須根據各連接終端實現安全防范措施。

3)無線網絡數據傳輸過程中,由于各個網絡的節點都可以完成數據的接收和傳遞,因此容易被竊取和更改數據。

4)無線網絡的數據加密手段會存在一定的漏洞,黑客會在加密手段的缺陷上進行攻擊。

為了保證農業機器人自動避障系統的安全,防止網絡黑客攻擊,在無線網絡應用中應該加強無線網絡安全意識,采取嚴密的網絡加密機制;另外,還應該采取及時變更SSID、禁止SSID廣播、MAC地址過濾等措施。

圖1 WEP的加密流程

2 農業機器人運動學模型

農業機器人的運動學模型如圖2所示。

圖2 農業機器人運動學模型示意圖

其包括一個安裝在同一軸上的兩個驅動輪(Driving Wheel)的車載平臺,以及1個用于承載機械結構的腳輪(Caster)。其中,兩個驅動輪由兩個用于運動和定向的致動器獨立驅動,而腳輪則是被動的調節支撐輪。假設該農業機器人由配備有不可變形輪的剛性框架構成,兩個驅動輪之前的距離為2b,輪子半徑為r,點P為穿過農業機器人的質心(點C)的直線與穿過驅動軸的交點。農業機器人的運動由點P的運動軌跡進行表示,農業機器人在全局坐標系中的位置{O,U,V}完全由{u,v,}確定,u和v是點P在全局坐標系中的坐標。

假設對該農業機器人運動施加了以下形式的非完整約束,即

(1)

那么,農業機器人的運動學模型在全局坐標系中可以表示為

(2)

其中,vl和vr分別是左輪和右輪的線速度,由最大速度vmax限制。在本文的自動避障研究中,控制的首要問題是指定合適的路徑規劃以保障農業機器人避障障礙物,安全地到達目的地。

3 農業機器人自動避障策略

3.1 農業機器人運動策略

為了確保基于無線網絡安全的農業機器人自動避障系統能夠在不同環境下的安全運動,將對農業人的路徑規劃和避障進行分析和討論。農業機器人障礙物檢測示意圖和流程圖分別如圖3和圖4所示。

圖3 農業機器人障礙物檢測示意圖

圖4 農業機器人障礙物檢測流程圖

農業機器人在運動過程中直接朝向物體移動,直至機器人檢測到障礙物才會進行避障。在研究中,農業機器人通過8個聲納傳感器陣列感知其周邊環境。8個聲納傳感器可以分組為左傳感器(s1、s2、s3和s4)和右傳感器(s5、s6、s7和s8)。

其中,式(3)、式(4)分別為

(3)

(4)

當農業機器人檢測到障礙物時,為了防止與障礙物發生碰撞,系統通過左輪和右輪的適當線速度來操縱機器人,以跟蹤由所提出的切換路徑規劃控制方案產生的參考軌跡,該過程為避障模式。

3.2 農業機器人自動避障系統軟硬件設計,

農業機器人在作業過程中,需要準確、無碰撞地從當前位置到達目標地點,因此應針對將要碰到的障礙物進行避障運動。本文研究的農業機器人自動避障系統硬件部分采用MSP430為核心處理器,包括主控制模塊、電機驅動模塊、傳感器檢測模塊、無線網絡傳輸模塊和PC遠程管理系統等4部分,如圖5所示。

圖5 農業機器人自動避障系統硬件框架圖

后臺工作人員對農業機器人任務的指派和分配,都是采用無線網絡進行遠程發送,因此無線傳輸模塊也非常重要。系統無線網絡通信模塊如圖6所示。

圖6 無線網絡傳輸示意圖

農業機器人自動避障系統軟件設計一般需要滿足一般小型化、輕型化和模塊化等需求,因此在硬件平臺的基礎上還需要采用模塊化的思想設計好軟件驅動。系統自動避障子程序流程如7所示。

圖7 系統自動避障子程序流程圖

4 實驗仿真與結果分析

為了驗證該農業機器人自動避障系統的可行性及其有效性,利用差動驅動方式作為示例來驗證所提出的控制方案的有效性。該農業機器人詳細參數為:r=0.092m,vmax=0.5m/s,θs1=-90°,θs2=-50°,θs3=-30°,θs4=-10°,θs5=-10°,θs6=-90°,θs7=-90°,θs8=-90°。

利用MatLab仿真軟件對該系統進行避障仿真模擬并選擇了兩種類型的障礙物形狀來測試所提出的控制方案的適應性。試驗仿真結果如圖8所示。

圖8 試驗仿真結果

由圖8可以看出:在兩種環境下(u0=3,v0=5.5和u0=5,v0=5),采摘機器人都成功地從起點前行到了目標終點,安全避開了所有的障礙物,實現了規劃路徑最優化。由此證明了該農業機器人自動避障系統的有效性、準確性和可行性。

5 結論

基于無線網絡安全技術開發了一種路徑規劃控制方案,在無線網絡傳輸中采取嚴密的網絡加密機制,以及及時變更SSID、禁止SSID廣播、進行MAC地址過濾等措施,大大提高了無線網絡傳輸的安全性,以避免農業機器人前進中的障礙。本研究主要內容包括:①在數據安全的前提上實現無線網絡數據傳輸;②搭建了非完整農業機器人的運動學模型;③設計了農業機器人自動避障策略;④利用MatLab仿真軟件對該系統進行避障仿真模擬,證實了系統的可靠性和可行性。