CN109152091B - 一种可用于无人机集群控制的通信系统 - Google Patents

一种可用于无人机集群控制的通信系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开的一种可用于无人机集群控制的通信系统，无人机使用4G通信模块与服务器进行通信，克服了以往点对点的通信方式带来的通信距离受限和通信稳定度差的问题，达到了无限制的通信范围和稳定性，传输速率大大提高，数据的实时性更加可靠，可用于多个无人机的同时通信；视频压缩模块对视频数据进行压缩，提高了数据传输的效率，降低了通信设备的传输负载；同时4G通信模块和服务器之间的加密传输也大大提高了信息传输的安全等级，使得第三方难以篡改数据和入侵无人机。

Description

一种可用于无人机集群控制的通信系统
方法领域
本发明属于通信技术领域，主要涉及一种可用于无人机集群控制的通信系统。
背景方法
现有的无人机通信技术一般都是使用无线设备点对点的通信方式，一个数据发射端安装在无人机上面，无人机数据线接入到发射端装置。一个数据接收端安装在地面装置，然后地面接收端装置通过USB数据线连接地面站软件进行操作和无人机数据交互。如果需要同时传输无人机数据和安装在无人机上面的摄像头数据，也就需要两套如此的点对点式通信设备，一套进行数据传输，一套进行实时视频的传输。
现有技术的局限性和缺点都十分明显，无线点对点通信设备的通信距离十分受环境因素影响，不仅通信频段上容易受到干扰，也无法避免信号受建筑物遮挡的情况，一旦出现通信异常，没有有效的办法进行通信恢复，就无法保证无人机能够安全的继续飞行。另外在数据安全上，因为没有做加密处理，只要是同频段上的设备就能够轻易的获取传输数据，然后进行篡改，使无人机不受控制。如果发生这种情况，无人机安全可靠的飞行得不到保障。在传输数据量大的情况，例如摄像头数据，由于传输速率不高，数据量大不做任何处理，在实时上增大了通信的延时。这种方式也导致了地面站软件和无人机的通信必须保持一对一的控制方式，如果想要控制多台设备进行操作，则需要增加多台通信设备，不仅在成本上增加多余的开销，并且在安全可靠性上叠加了不确定的因素。由于每个无人机的通信相互独立，并且通信不稳定，密集控制还会受到同频干扰，应用在无人机集群控制，明显实施困难。
发明内容
本发明目的在于针对现有方法的缺陷，提供一种可用于无人机集群控制的通信系统，传输速率大大提高，数据的实时性更加可靠，降低了通信设备的传输负载。
为解决上述技术问题，本发明通过以下方法方案进行实施：
一种可用于无人机集群控制的通信系统，包括无人机数据采集模块、无人机通信模块和服务器；
所述无人机数据采集模块连接至所述无人机通信模块，所述无人机数据采集模块包括视频数据采集模块和飞行数据采集模块；
所述视频数据采集模块，用于采集无人机通过摄像头实时收集的视频数据；
所述飞行数据采集模块，用于采集无人机的飞行数据；所述飞行数据包括飞行高度、飞行速度和飞行位置；
所述无人机通信模块包括视频压缩模块和4G通信模块；
所述视频压缩模块，用于使用视频压缩算法压缩所述视频数据；
所述4G通信模块连接至所述服务器，用于将无人机数据加密传输至所述服务器，并接收所述服务器加密传输过来的操作指令；所述无人机数据包括所述飞行数据和压缩后的所述视频数据；所述操作指令包括用于控制无人机飞行的飞行控制指令和用于设置无人机参数的参数设置指令；
所述服务器，用于接收所述4G通信模块加密传输过来的所述飞行数据和所述视频数据，以及将所述操作指令加密传输至所述通信模块。
进一步的，所述4G通信模块的数量为多个；所述无人机通信模块在通信时，选择多个所述4G通信模块中信号最好的4G通信模块作为工作的模块。
进一步的，所述视频压缩算法为H.265编码技术。
进一步的，所述4G通信模块和所述服务器中储存有执行代码，所述执行代码使得所述4G通信模块和所述服务器通过以下步骤实现交换所述无人机数据和所述操作指令：
S1、所述4G通信模块与所述服务器建立TCP连接；
S2、所述4G通信模块与所述服务器间通过所述TCP连接进行加密的TCP认证登陆，建立TCP会话，并在所述TCP会话上加密交换所述操作指令；
S3、所述4G通信模块与所述服务器间通过所述TCP连接进行加密的UDP认证登陆，并建立UDP会话，并在所述UDP会话上加密交换所述无人机数据。
进一步的，所述步骤S2包括：
S21、所述4G通信模块和所述服务器间通过所述TCP连接使用密钥协商算法进行密钥协商，所述4G通信模块得到一对通信模块TCP加解密密钥和通信模块TCP加解密向量，而对应的，所述服务器得到一对服务器TCP加解密密钥和服务器TCP加解密向量；
S22、所述4G通信模块使用通信模块TCP加密密钥和通信模块TCP加密向量，通过第一对称加密算法对TCP认证请求信息进行加密，并将加密后的所述TCP认证请求信息发送至所述服务器；
S23、所述服务器接收所述加密后的TCP认证请求信息，使用服务器TCP解密密钥和服务器TCP解密向量，通过所述第一对称加密算法对其进行解密和完整性验证，并在验证成功后，使用服务器TCP加密密钥和服务器TCP加密向量，通过所述第一对称加密算法对TCP认证应答信息进行加密并发送至所述4G通信模块；所述TCP认证应答信息中包括UDP密钥协商凭证和UDP认证凭证；
S24、所述4G通信模块接收所述加密后的TCP认证应答信息，使用通信模块TCP解密密钥和通信模块TCP解密向量，通过所述第一对称加密算法对其进行解密和完整性验证，验证成功后即建立起TCP会话；
S25、所述4G通信模块和所述服务器在所述TCP会话上使用各自的TCP加解密密钥和TCP加解密向量对所述操作指令进行加密传输。
进一步的，所述步骤S21中的密钥协商算法为ECDHE算法。
进一步的，所述第一对称加密算法为AEAD类对称加密算法。
进一步的，所述步骤S3包括：
S31、所述4G通信模块发送所述UDP密钥协商凭证至所述服务器；
S32、所述服务器验证所述UDP密钥协商凭证，验证成功后，所述服务器和所述4G通信模块之间通过第二密钥协商算法进行密钥协商，所述4G通信模块得到一对通信模块UDP加解密密钥和通信模块UDP加解密向量，而对应的，所述服务器得到一对服务器UDP加解密密钥和服务器UDP加解密向量；
S33、所述4G通信模块使用通信模块UDP加密密钥和通信模块UDP加密向量，通过第二对称加密算法对UDP认证请求信息进行加密，并将加密后的所述UDP认证请求信息发送至所述服务器；所述UDP认证请求信息中包括所述UDP认证凭证；
S34、所述服务器接收所述加密后的UDP认证请求信息，使用服务器UDP解密密钥和服务器UDP解密向量，通过所述第二对称加密算法对其进行解密，得到明文，并对明文中的所述UDP认证凭证进行验证；
在验证成功后，所述服务器使用服务器UDP加密密钥和服务器UDP加密向量，通过所述第二对称加密算法对UDP认证应答信息进行加密并发送至所述4G通信模块；所述UDP认证应答信息中包括UDP密钥协商凭证和UDP认证凭证；
S35、所述4G通信模块接收所述加密后的UDP认证应答信息，使用通信模块UDP解密密钥和通信模块UDP解密向量，通过所述第二对称加密算法对其进行解密和完整性验证，验证成功后即建立起UDP会话；
S36、所述4G通信模块和所述服务器在所述UDP会话上使用各自的UDP加解密密钥和UDP加解密向量对所述无人机数据进行加密传输。
进一步的，所述步骤S31中的密钥协商算法为ECDHE算法。
进一步的，所述第二对称加密算法为AEAD类对称加密算法。
与现有方法相比，本发明的有益方法效果如下：
本发明公开的一种可用于无人机集群控制的通信系统，无人机使用4G通信模块与服务器进行通信，克服了以往点对点的通信方式带来的通信距离受限和通信稳定度差的问题，达到了无限制的通信范围和稳定性，传输速率大大提高，数据的实时性更加可靠，可用于多个无人机的同时通信；视频压缩模块对视频数据进行压缩，提高了数据传输的效率，降低了通信设备的传输负载；同时4G通信模块和服务器之间的加密传输也大大提高了信息传输的安全等级，使得第三方难以篡改数据和入侵无人机。
附图说明
图1为本发明中所述的可用于无人机集群控制的通信系统的结构示意图；
图2为本发明所述的4G通信模块和服务器的通信步骤示意图。
具体实施方式
为了充分地了解本发明的目的、特征和效果，以下将结合附图与具体实施方式对本发明的构思、具体步骤及产生的方法效果作进一步说明。
如图1所示，本发明公开了一种可用于无人机集群控制的通信系统，包括无人机数据采集模块1、无人机通信模块2和服务器3；
无人机数据采集模块1连接至无人机通信模块2，无人机数据采集模块1包括视频数据采集模块11和飞行数据采集模块12；
视频数据采集模块11，用于采集无人机通过摄像头实时收集的视频数据；
飞行数据采集模块12，用于采集无人机的飞行数据；飞行数据包括飞行高度、飞行速度和飞行位置；
无人机通信模块2包括视频压缩模块21和4G通信模块22；
视频压缩模块21，用于使用视频压缩算法压缩视频数据；
4G通信模块22连接至服务器3，用于将无人机数据加密传输至服务器3，并接收服务器3加密传输过来的操作指令；无人机数据包括飞行数据和压缩后的视频数据；操作指令包括用于控制无人机飞行的飞行控制指令和用于设置无人机参数的参数设置指令；
服务器3，用于接收4G通信模块22加密传输过来的飞行数据和视频数据，以及将操作指令加密传输至4G通信模块22。
通过上述公开的通信系统，无人机使用4G通信模块与服务器进行通信，克服了以往点对点的通信方式带来的通信距离受限和通信稳定度差的问题，达到了无限制的通信范围和稳定性，传输速率大大提高，数据的实时性更加可靠，可用于多个无人机的同时通信；视频压缩模块对视频数据进行压缩，提高了数据传输的效率，降低了通信设备的传输负载；同时4G通信模块和服务器之间的加密传输也大大提高了信息传输的安全等级，使得第三方难以篡改数据和入侵无人机。
作为本发明的另一实施例，4G通信模块22的数量也可以为多个；无人机通信模块2在通信时，选择多个4G通信模块22中信号最好的4G通信模块22作为工作的模块，通过这一设置，无人机在通信时可相应地在多个4G模块中选择信号最好的作为通信设备，为数据通信提供了备选的方案，保证了数据通信的稳定，防止因单个4G通信模块信号较弱带来的通信延迟。
具体的，视频压缩模块所使用的视频压缩算法为H.265编码技术，数据压缩率得到在300倍以上，充分保证实时图像的低延时，大大提高了通信的效率。
具体的，如图2所示，4G通信模块和服务器中储存有执行代码，执行代码使得4G通信模块和服务器通过以下步骤实现交换无人机数据和操作指令：
S1、4G通信模块与服务器建立TCP连接；
S2、4G通信模块与服务器间通过TCP连接进行加密的TCP认证登陆，建立TCP会话，并在TCP会话上加密交换操作指令；
S3、4G通信模块与服务器间通过TCP连接进行加密的UDP认证登陆，并建立UDP会话，并在UDP会话上加密交换无人机数据。
通过步骤S1至S3，4G通信模块和服务器间通过TCP连接交换无人机的控制指令、参数设置指令等需要可靠传输的数据，通过UDP连接交换无人机的实时视频数据和实时飞行数据等需要高效率传输的数据，很好地兼顾了TCP和UDP的优缺点，避免了以往单独使用其中一种通信协议带来的低效率或数据丢失的问题，大大提高了通信的可靠性和效率；同时在TCP的基础上进行UDP会话的建立，使基于无连接的UDP协议也能得到会话级别的安全性，提高了通信的安全性。
具体的，步骤S2包括：
S21、4G通信模块和服务器间通过TCP连接使用密钥协商算法进行密钥协商，4G通信模块得到一对通信模块TCP加解密密钥和通信模块TCP加解密向量，而对应的，服务器得到一对服务器TCP加解密密钥和服务器TCP加解密向量；
S22、4G通信模块使用通信模块TCP加密密钥和通信模块TCP加密向量，通过第一对称加密算法对TCP认证请求信息进行加密，并将加密后的TCP认证请求信息发送至服务器；
S23、服务器接收加密后的TCP认证请求信息，使用服务器TCP解密密钥和服务器TCP解密向量，通过第一对称加密算法对其进行解密和完整性验证，并在验证成功后，使用服务器TCP加密密钥和服务器TCP加密向量，通过第一对称加密算法对TCP认证应答信息进行加密并发送至4G通信模块；TCP认证应答信息中包括UDP密钥协商凭证和UDP认证凭证；
S24、4G通信模块接收加密后的TCP认证应答信息，使用通信模块TCP解密密钥和通信模块TCP解密向量，通过第一对称加密算法对其进行解密和完整性验证，验证成功后即建立起TCP会话；
S25、4G通信模块和服务器在TCP会话上使用各自的TCP加解密密钥和TCP加解密向量对无人机数据进行加密传输。
通过步骤S21-S25，4G通信模块和服务器之间通过密钥协商算法和加密算法建立TCP会话，每次会话都会通过密钥协商生成只属于当前会话使用的加解密密钥与加解密向量，保证了TCP连接的稳定性和安全性，提高了通信的安全性。
具体的，步骤S21中的密钥协商算法为ECDHE算法，也可根据设备负载等因素，选择其他密钥协商算法。
具体的，第一对称加密算法为AEAD类对称加密算法，使用AEAD类对称加密算法，具有前向安全性，不同于普通的对称加密算法，能保证数据在传输过程中的安全性，也保证了数据的完整性。
具体的，步骤S3包括：
S31、4G通信模块发送UDP密钥协商凭证至服务器；
S32、服务器验证UDP密钥协商凭证，验证成功后，服务器和4G通信模块之间通过第二密钥协商算法进行密钥协商，4G通信模块得到一对通信模块UDP加解密密钥和通信模块UDP加解密向量，而对应的，服务器得到一对服务器UDP加解密密钥和服务器UDP加解密向量；
S33、4G通信模块使用通信模块UDP加密密钥和通信模块UDP加密向量，通过第二对称加密算法对UDP认证请求信息进行加密，并将加密后的UDP认证请求信息发送至服务器；UDP认证请求信息中包括UDP认证凭证；
S34、服务器接收加密后的UDP认证请求信息，使用服务器UDP解密密钥和服务器UDP解密向量，通过第二对称加密算法对其进行解密，得到明文，并对明文中的UDP认证凭证进行验证；
在验证成功后，服务器使用服务器UDP加密密钥和服务器UDP加密向量，通过第二对称加密算法对UDP认证应答信息进行加密并发送至4G通信模块；UDP认证应答信息中包括UDP密钥协商凭证和UDP认证凭证；
S35、4G通信模块接收加密后的UDP认证应答信息，使用通信模块UDP解密密钥和通信模块UDP解密向量，通过第二对称加密算法对其进行解密和完整性验证，验证成功后即建立起UDP会话；
S36、4G通信模块和服务器在UDP会话上使用各自的UDP加解密密钥和UDP加解密向量对第二数据进行加密传输。
通过步骤S31-S36，4G通信模块和服务器利用TCP会话建立时交换的UDP凭证进行密钥协商和UDP会话的建立，使得UDP的密钥协商和UDP会话的建立依托于TCP会话的建立，保证了UDP会话的可靠性，防止了UDP会话被第三者恶意入侵，同时通过加密算法建立UDP会话，提高了会话的安全性。
具体的，步骤S31中的密钥协商算法为ECDHE算法，也可根据设备负载等因素，选择其他密钥协商算法。
具体的，第二对称加密算法为AEAD类对称加密算法，使用AEAD类对称加密算法，具有前向安全性，不同于普通的对称加密算法，能保证数据在传输过程中的安全性，也保证了数据的完整性。
以上详细描述了本发明的较佳具体实施例，应当理解，本领域的普通方法人员无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本方法领域中方法人员依本发明构思在现有方法基础上通过逻辑分析、推理或者根据有限的实验可以得到的方法方案，均应该在由本权利要求书所确定的保护范围之中。

Claims (7)

1.一种可用于无人机集群控制的通信系统，其特征在于，包括无人机数据采集模块、无人机通信模块和服务器；
所述无人机数据采集模块连接至所述无人机通信模块，所述无人机数据采集模块包括视频数据采集模块和飞行数据采集模块；
所述视频数据采集模块，用于采集无人机通过摄像头实时收集的视频数据；
所述飞行数据采集模块，用于采集无人机的飞行数据；所述飞行数据包括飞行高度、飞行速度和飞行位置；
所述无人机通信模块包括视频压缩模块和4G通信模块；
所述视频压缩模块，用于使用视频压缩算法压缩所述视频数据；
所述4G通信模块连接至所述服务器，用于将无人机数据加密传输至所述服务器，并接收所述服务器加密传输过来的操作指令；所述无人机数据包括所述飞行数据和压缩后的所述视频数据；所述操作指令包括用于控制无人机飞行的飞行控制指令和用于设置无人机参数的参数设置指令；
所述服务器，用于接收所述4G通信模块加密传输过来的所述飞行数据和所述视频数据，以及将所述操作指令加密传输至所述通信模块；
所述4G通信模块和所述服务器中储存有执行代码，所述执行代码使得所述4G通信模块和所述服务器通过以下步骤实现交换所述无人机数据和所述操作指令：
S1、所述4G通信模块与所述服务器建立TCP连接；
S2、所述4G通信模块与所述服务器间通过所述TCP连接进行加密的TCP认证登陆，建立TCP会话，并在所述TCP会话上加密交换所述操作指令；
S3、所述4G通信模块与所述服务器间通过所述TCP连接进行加密的UDP认证登陆，并建立UDP会话，并在所述UDP会话上加密交换所述无人机数据；
所述步骤S2包括：
S21、所述4G通信模块和所述服务器间通过所述TCP连接使用密钥协商算法进行密钥协商，所述4G通信模块得到一对通信模块TCP加解密密钥和通信模块TCP加解密向量，而对应的，所述服务器得到一对服务器TCP加解密密钥和服务器TCP加解密向量；
S22、所述4G通信模块使用通信模块TCP加密密钥和通信模块TCP加密向量，通过第一对称加密算法对TCP认证请求信息进行加密，并将加密后的所述TCP认证请求信息发送至所述服务器；
S23、所述服务器接收所述加密后的TCP认证请求信息，使用服务器TCP解密密钥和服务器TCP解密向量，通过所述第一对称加密算法对其进行解密和完整性验证，并在验证成功后，使用服务器TCP加密密钥和服务器TCP加密向量，通过所述第一对称加密算法对TCP认证应答信息进行加密并发送至所述4G通信模块；所述TCP认证应答信息中包括UDP密钥协商凭证和UDP认证凭证；
S24、所述4G通信模块接收所述加密后的TCP认证应答信息，使用通信模块TCP解密密钥和通信模块TCP解密向量，通过所述第一对称加密算法对其进行解密和完整性验证，验证成功后即建立起TCP会话；
S25、所述4G通信模块和所述服务器在所述TCP会话上使用各自的TCP加解密密钥和TCP加解密向量对所述操作指令进行加密传输；
所述步骤S3包括：
S31、所述4G通信模块发送所述UDP密钥协商凭证至所述服务器；
S32、所述服务器验证所述UDP密钥协商凭证，验证成功后，所述服务器和所述4G通信模块之间通过第二密钥协商算法进行密钥协商，所述4G通信模块得到一对通信模块UDP加解密密钥和通信模块UDP加解密向量，而对应的，所述服务器得到一对服务器UDP加解密密钥和服务器UDP加解密向量；
S33、所述4G通信模块使用通信模块UDP加密密钥和通信模块UDP加密向量，通过第二对称加密算法对UDP认证请求信息进行加密，并将加密后的所述UDP认证请求信息发送至所述服务器；所述UDP认证请求信息中包括所述UDP认证凭证；
S34、所述服务器接收所述加密后的UDP认证请求信息，使用服务器UDP解密密钥和服务器UDP解密向量，通过所述第二对称加密算法对其进行解密，得到明文，并对明文中的所述UDP认证凭证进行验证；
在验证成功后，所述服务器使用服务器UDP加密密钥和服务器UDP加密向量，通过所述第二对称加密算法对UDP认证应答信息进行加密并发送至所述4G通信模块；所述UDP认证应答信息中包括UDP密钥协商凭证和UDP认证凭证；
S35、所述4G通信模块接收所述加密后的UDP认证应答信息，使用通信模块UDP解密密钥和通信模块UDP解密向量，通过所述第二对称加密算法对其进行解密和完整性验证，验证成功后即建立起UDP会话；
S36、所述4G通信模块和所述服务器在所述UDP会话上使用各自的UDP加解密密钥和UDP加解密向量对所述无人机数据进行加密传输。
2.根据权利要求1所述的可用于无人机集群控制的通信系统，其特征在于，所述4G通信模块的数量为多个；所述无人机通信模块在通信时，选择多个所述4G通信模块中信号最好的4G通信模块作为工作的模块。
3.根据权利要求1所述的可用于无人机集群控制的通信系统，其特征在于，所述视频压缩算法为H.265编码技术。
4.根据权利要求1所述的可用于无人机集群控制的通信系统，其特征在于，所述步骤S21中的密钥协商算法为ECDHE算法。
5.根据权利要求1所述的可用于无人机集群控制的通信系统，其特征在于，所述第一对称加密算法为AEAD类对称加密算法。
6.根据权利要求1所述的可用于无人机集群控制的通信系统，其特征在于，所述步骤S21中的密钥协商算法为ECDHE算法。
7.根据权利要求1所述的可用于无人机集群控制的通信系统，其特征在于，所述第二对称加密算法为AEAD类对称加密算法。
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