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正文

基于无线网络安全的农业机器人自动避障系统

摘 要: 农业机器人能够感测其周围环境,解释感测到的信息,以获得其当前位置和周边环境信息; 并规划实时轨迹,以到达目标对象。在整个过程中,自动避障是一个需要挑战的基本问题。为了实现农业机器人的避障功  能,提出了一种基于无线网络安全的农业机器人自动避障系统。系统采用无线网络安全技术与嵌入式控制技术,引入机器人自动避障策略,并通过差动驱动农业机器人的数值模拟和实验结果验证了系统的有效性、准确性和可行性。
关键词: 农业机器人; 路径规划; 自动避障; 无线网络安全
引言:随着通信技术的发展,无线网络技术得到迅速发展。相比于传统的有线网络,其具备扩展性、灵活性及安装灵活简单等优势。无线网络安全结合了互联网、物联网等技术,是智能控制策略中的保证,其关键在于能否抵御外来黑客非法入侵,以保证整个系统的安全。为此,在无线网络安全的基础上,结合嵌入式智能控制技术,提出了一种基于无线网络安全的农业机器人自动避障系统,实现前进道路上的避障功能。
一、无线网络安全技术
       目前,无线网络已经成为一种重要的通信方式, 人们对无线网络的依赖程度越来越高。由于无线网络的普及,使得农业机器人的远程控制成为可能,而农业机器人的网络安全就显得非常重要。在现实的应用中,无线网络比有线网络更易遭受网络攻击。农业机器人是一种网络应用终端,在作业过程中肯定会受到黑客的恶意攻击。一旦农业机器人控制系统被攻击和入侵,为人类提供便利的新科技就沦为罪犯作案的工具,会造成用户信息的泄露、农业机器人控制系统的破坏等。因此,在应用无线网络技术时,应该充分对网络安全进行考虑和预防。无线网络安全技术具有以下特点。
1、与有线网络的区别之处
      无线网络主要是采用无线通信技术实现的网络, 将各种 PC 机、PAD、手机等终端设备互联起来,构成相互通信和资源共享的网络架构,主要包括 CDMA、GPRS 及 Wi-Fi 等。相比有线网络百兆、千兆级别的传输速度,无线网络由于电磁波传输的局限性,最高只可达到 300Mbps。无线网络采用电磁波进行数据的传输,相对于有线网络的光纤传输介质,无线网络传输效果受非透明介质的影响较大,且传输距离的限制性也较强。
2、无线网络安全性
      无线网络在使用过程中开放性比较强,用户在信号覆盖区域便可连接上网,而该网络传输方式也给无线网络带来了较大的安全隐患。公共场合的无线网络和家用、办公场合相比,用户连接更为频繁,大大提高了网络被攻击和入侵的机会。
       近年来,比亚迪智能汽车安全漏洞事件、美国菲亚特克莱斯勒公司越野车遭到黑客入侵事件、Equifax 信息泄露事件,暴露了无线网络使用中的漏洞,使如何加强无线网络安全成为热门话题。目前,使用较多的无线网络加密技术有 SSID、MAC ACL、WEP 、WebRedirection、WPA 及 WPA2 等。WEP 加密流程如图 1所示。
3、无线网络的安全隐患
(1)、无线网络很容易被搜索发现,非常容易被黑客采用无线网卡设备侵入,然后对在该网络内的所有用户进行攻击。
(2)、相比于有线网络能够采用部署防火墙硬件安全设备来构建一个防范外部攻击的防线,无线网络没有具体的“防范”措施,必须根据各连接终端实现安全防范措施。
(3)、无线网络数据传输过程中,由于各个网络的节点都可以完成数据的接收和传递,因此容易被窃取和更改数据。
(4)、无线网络的数据加密手段会存在一定的漏洞, 黑客会在加密手段的缺陷上进行攻击。为了保证农业机器人自动避障系统的安全,防止网络黑客攻击,在无线网络应用中应该加强无线网络安全意识,采取严密的网络加密机制; 另外,还应该采取及时变更 SSID、禁止 SSID 广播、MAC 地址过滤等措施。











图 1   WEP 的加密流程
二、农业机器人运动学模型
农业机器人的运动学模型如图 2 所示。










图 2 农业机器人运动学模型示意图
        其包括一个安装在同一轴上的两个驱动轮( Driv- ing Wheel) 的车载平台,以及 1 个用于承载机械结构的脚轮( Caster) 。其中,两个驱动轮由两个用于运动和定向的致动器独立驱动,而脚轮则是被动的调节支撑轮。假设该农业机器人由配备有不可变形轮的刚性框架构成,两个驱动轮之前的距离为 2b,轮子半径为 r,点 P 为穿过农业机器人的质心( 点 C) 的直线与穿过驱动轴的交点。农业机器人的运动由点 P 的运动轨迹进行表示,农业机器人在全局坐标系中的位置{ O,U,V} 完全由{ u,v,} 确定,u 和 v 是点 P 在全局坐标系中的坐标。
假设对该农业机器人运动施加了以下形式的非完整约束,即
vcosθ - usinθ = 0     (1)
那么,农业机器人的运动学模型在全局坐标系中可以表示为
ìu = ( vr + vl ) cosθ /2
ï·                                     (2)
ív = ( vr + vl ) sinθ /2
ïθ = ( v - v ) /2b
              r     1
       其中,vl 和 vr 分别是左轮和右轮的线速度,由最大速度 vmax 限制。在本文的自动避障研究中,控制的首要问题是指定合适的路径规划以保障农业机器人避障障碍物,安全地到达目的地。
三、农业机器人自动避障策略
1、农业机器人运动策略
      为了确保基于无线网络安全的农业机器人自动避障系统能够在不同环境下的安全运动,将对农业人的路径规划和避障进行分析和讨论。农业机器人障碍物检测示意图和流程图分别如图 3 和图 4 所示。








图 3 农业机器人障碍物检测示意图
 
 











图 4 农业机器人障碍物检测流程图
        农业机器人在运动过程中直接朝向物体移动,直至机器人检测到障碍物才会进行避障。在研究中,农业机器人通过 8 个声纳传感器阵列感知其周边环境。
8 个声纳传感器可以分组为左传感器( s1 、s2 、s3 和 s4 ) 和右传感器( s5 、s6 、s7 和 s8 ) 。
其中,式( 3) 、式( 4) 分别为
θ0 = tan-1 (v0 - v)        (3)
              (u0 - u )
ud = u + dncosθ0
vd = v + dnsinθ0                (4)
当农业机器人检测到障碍物时,为了防止与障碍物发生碰撞,系统通过左轮和右轮的适当线速度来操纵机器人,以跟踪由所提出的切换路径规划控制方案产生的参考轨迹,该过程为避障模式。
2、农业机器人自动避障系统软硬件设计
      农业机器人在作业过程中,需要准确、无碰撞地从当前位置到达目标地点,因此应针对将要碰到的障 碍物进行避障运动。本文研究的农业机器人自动避障系统硬件部分采用 MSP430 为核心处理器,包括主控制模块、电机驱动模块、传感器检测模块、无线网络 传输模块和 PC 远程管理系统等 4 部分,如图 5 所示。





图 5 农业机器人自动避障系统硬件框架图
        后台工作人员对农业机器人任务的指派和分配, 都是采用无线网络进行远程发送,因此无线传输模块也非常重要。系统无线网络通信模块如图 6 所示。







图 6 无线网络传输示意图
        农业机器人自动避障系统软件设计一般需要满足一般小型化、轻型化和模块化等需求,因此在硬件平台的基础上还需要采用模块化的思想设计好软件驱动。系统自动避障子程序流程如 7 所示。


















图7 系统自动避障子程序流程图
四、实验仿真与结果分析
为了验证该农业机器人自动避障系统的可行性及其有效性,利用差动驱动方式作为示例来验证所提出的控制方案的有效性。该农业机器人详细参数为: r= 0. 092mvmax = 0. 5m / s,θs1 = - 90°,θs2 = - 50°,θs3 =-30°,θs4 = -10°,θs5 = - 10°,θs6 = - 90°,θs7 = - 90°,θs8 =-90°。
利用 MatLab 仿真软件对该系统进行避障仿真模拟并选择了两种类型的障碍物形状来测试所提出的控制方案的适应性。试验仿真结果如图 8 所示。



















图 8   试验仿真结果
       由图 8 可以看出: 在两种环境下( u0 = 3,v0 = 5. 5和 u0 = 5,v0 = 5) ,采摘机器人都成功地从起点前行到了目标终点,安全避开了所有的障碍物,实现了规划路径最优化。由此证明了该农业机器人自动避障系统的有效性、准确性和可行性。
五、结论
       基于无线网络安全技术开发了一种路径规划控 制方案,在无线网络传输中采取严密的网络加密机 制,以及及时变更SSID、禁止 SSID 广播、进行 MAC 地址过滤等措施,大大提高了无线网络传输的安全性, 以避免农业机器人前进中的障碍。本研究主要内容包括: ①在数据安全的前提上实现无线网络数据传输; ②搭建了非完整农业机器人的运动学模型; ③设计了农业机器人自动避障策略; ④利用MatLab 仿真软件对该系统进行避障仿真模拟,证实了系统的可靠性和可行性。
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