CN110189435A - 一种无人机日志存储和分析方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种无人机日志存储和分析方法，本发明通过由领导型无人机发起对群组内跟随型无人机任务日志的校验请求，当任务日志比对出现异常时，则需发起无人群体决策由群组内所有无人机共同分析检测对象的日志信息，同时能够将详细日志信息提交至地面站，分析检测对象出现任务故障的原因，从而实现无人机集群在飞行中对日志信息的自我诊断，检查无人机是否完成任务或者遭遇故障。

Description

一种无人机日志存储和分析方法

技术领域

本发明属于无人机网络协同控制领域，具体涉及一种无人机日志存储和分析方法。

背景技术

无人机已广泛应用于农业、工业、军事领域，执行如监视、救援，空中巡逻，气象观测和农药喷洒等任务。然而，用户不仅关心无人机可以提供的丰富功能，同时还关心它们运行过程中的稳健性。尽管无人机安装了各类精密传感器监控其飞行状态，但仍然存在任务失败的情况，导致财产损失或数据泄漏等严重错误。

因此，通过对异常日志信息的检测找出故障的根本原因对于无人机的安全飞行至关重要。然而，目前的异常检测方法过分依赖于飞行结束后通过地面控制站分析。在无人机集群飞行过程中，受限于网络的通信能力，地面站无法实时获取所有无人机的飞行状态，更无法进行异常检测。

发明内容

本发明的目的在于克服上述不足，提供一种无人机日志存储和分析方法，能够实现无人机集群在飞行中的对日志信息的自我诊断，检查无人机是否完成任务或者遭遇故障。

为了达到上述目的，本发明包括以下步骤：

步骤一，领导型无人机和跟随型无人机各自生成日志；

步骤二，领导型无人机生成的日志通过TPM安全模块加密后储存在领导型无人机中的日志储存模块中；跟随型无人机生成的日志通过TPM安全模块加密后储存在跟随型无人机中的日志储存模块中；

步骤三，领导型无人机中的日志请求模块向跟随型无人机中的日志储存模块发送请求日志数据的申请，申请通过TPM安全模块加密后发出；

步骤四，跟随型无人机中的日志储存模块接收到申请后，将所需日志数据通过TPM安全模块加密后发送至领导型无人机中的日志请求模块中，并通过TPM安全模块进行解密；

步骤五，领导型无人机将领导型无人机生成的日志和接收到的跟随型无人机中的日志发送至无人机日志验证模块中进行异常验证；

步骤六，若无异常，则持续验证；若有异常，则发送至地面站故障诊断模块；

步骤七，地面站故障诊断模块根据故障树模块诊断出异常日志产生的原因。

领导型无人机和跟随型无人机各自生成的日志包括无人机控制模块提供的飞行指令日志数据，并将日志数据序列化编码后发送至领导型无人机中的日志存储模块或跟随型无人机中的日志储存模块中。

日志储存模块是将序列化编码后的日志数据按层的次序插入Merkle Tree中。

Merkle Tree为一棵二叉树，其中每个叶子节点的值为单个日志数据M_i的哈希值，非叶子节点的值为该节点所有子节点值的哈希值。

日志储存模块的具体方法如下：

第一步，无人机日志存储模块接收发送来的日志数据Lognew；

第二步，若该Merkle Tree为满二叉树，则为最下层的第一个叶子节点N添加左子节点L和右子节点R，将N中的日志数据H(Log0)移入左子节点L中，将新日志数据H(Lognew)移入右子节点R中，最后更新N中数据为H(L,R)，并逐层向上更新父节点的数据，直至根节点，其中H()为由TPM提供的哈希运算；

若该Merkle Tree为完全二叉树，次下层节点存在以下三种情况：

1)次下层节点既有左子节点又有右子节点；

2)次下层节点只有左子节点没有右子节点；

3)次下层节点既没有左子节点又没有右子节点；

寻找次下层中第一个不是第1种情况的节点；

若该节点N只有左子节点没有右子节点，则为其添加右子节点R，并将新日志数据H(Lognew)移入右子节点R，更新N中数据为H(L,R)，并逐层向上更新父节点的数据，直至根节点，其中，L为节点N的左子节点中的日志数据；；

若该节点N既没有左子节点又没有右子节点，则为其添加左子节点L和右子节点R，将N中的日志数据H(LogN)移入左子节点L中，将新日志数据H(Lognew)移入右子节点R中，最后更新N中数据为H(L,R)，并逐层向上更新父节点的数据，直至根节点。

日志请求模块的工作方法如下：

第一步，领导型无人机和跟随型无人机通过TPM安全模块协商出通信密钥Key；

第二步，领导型无人机向跟随型无人机发送请求日志数据指令sendRequest；

第三步，跟随型无人机接收到sendRequest指令后，利用通信密钥Key加密无人机日志存储模块中的Merkle Tree得到密文C＝Enc(Merkle Tree,Key)，其中，Enc为TPM安全模块提供的加密运算，然后，将加密结果C发送给领导型无人机；

第四步，领导型无人机收到加密数据C后，用通信密钥Key解密后得到跟随性无人机的Merkle Tree＝Dec(C,Key)，其中Dec为TPM安全模块提供的解密运算，并将该树发送至领导型无人机的无人机日志验证模块。

无人机日志验证模块的工作方法如下：

第一步，将跟随型无人机的Merkle Tree和领导型无人机的Merkle Tree传至无人机日志验证模块；

第二步，比较两棵Merkle Tree的根节点值是否相同，如果相同则随型无人机的飞行日志正常，退出验证，如果不同，则检索该根节点的左右子节点；

第三步，如果左节点的值相同，右节点的值不同，则比较根节点右子树的内容；如果左节点的不同，右节点的值相同，则比较根节点左子树的内容；

第四步，逐层向下比较，直至找出值不同的叶子节点，即可定位出跟随型无人机出现异常的飞行模式或飞行指令。

与现有技术相比，本发明通过由领导型无人机发起对群组内跟随型无人机任务日志的校验请求，采集领导型无人机和所有跟随型无人机的当前日志，并将所有日志发送到无人机日志验证模块进行比对，当任务日志比对出现异常时，则需发起无人群体决策由群组内所有无人机共同分析检测对象的日志信息，同时能够将详细日志信息提交至地面站，分析检测对象出现任务故障的原因，从而实现无人机集群在飞行中对日志信息的自我诊断，检查无人机是否完成任务或者遭遇故障。

附图说明

图1为本发明的系统框图；

图2为本发明中日志存储模块的Merkle Tree示意图；

图3为本发明中满二叉树插入新日志示意图；

图4为本发明中二叉树节点类型示意图；

图5为本发明中完全二叉树插入新日志示意图；其中(a)为节点N只有左子节点没有右子节点时，(b)为节点N既没有左子节点又没有右子节点时。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步说明。

参照图1，本发明所述系统包括领导型无人机、跟随型无人机和地面站。其中，领导型无人机和跟随型无人机都拥有TPM安全模块、无人机日志采集模块、无人机日志存储模块。额外的，领导型无人机拥有无人机日志请求模块、无人机日志验证模块。地面站拥有故障诊断和故障树模块，用于分析异常日志产生的原因。

TPM安全模块，适用于为系统提供哈希运算、加解密运算以及无人机间密钥协商等功能。

无人机日志采集模块，适用于由无人机传感器采集飞行状态日志数据，无人机控制模块提供飞行指令日志数据，并将日志数据按{时间，飞行模式，飞行指令}的格式，发送至无人机日志存储模块，由于日志必须重视记录无人机的飞行状态和任务情况，所以日志采集模块的代码必须由TPM安全模块进行实时验证，防止日志信息被敌方篡改。

无人机日志存储模块，适用于将序列化编码后的日志数据按层的次序插入MerkleTree，如图2所示，Merkle Tree为一棵二叉树，其中每个叶子节点的值为单个日志数据M_i，非叶子节点的值为该节点所有子节点值的哈希值。具体步骤如下：

步骤一，无人机日志存储模块接收无人机日志采集模块所发送的新日志数据Lognew；

步骤二，若该Merkle Tree为满二叉树，则为最下层的第一个叶子节点N添加左子节点L和右子节点R，将N中的日志数据H(Log0)移入左子节点L中，将新日志数据H(Lognew)移入右子节点R中，最后更新N中数据为H(L,R)，并逐层向上更新父节点的数据，直至根节点，其中H()为由TPM提供的哈希运算，如图3所示；

若该Merkle Tree为完全二叉树，次下层节点存在三种情况：

1)次下层节点既有左子节点又有右子节点，如图4中的A节点；

2)次下层节点只有左子节点没有右子节点，如图4中的B节点；

3)次下层节点既没有左子节点又没有右子节点，如图4中的C节点；

寻找次下层中第一个不是第1种情况的节点；

如图5(a)所示，若该节点N只有左子节点没有右子节点，则为其添加右子节点R，并将新日志数据H(Lognew)移入右子节点R，更新N中数据为H(L,R)，并逐层向上更新父节点的数据，直至根节点，其中，L为节点N的左子节点中的日志数据；；

如图5(b)所示，若该节点N既没有左子节点又没有右子节点，则为其添加左子节点L和右子节点R，将N中的日志数据H(LogN)移入左子节点L中，将新日志数据H(Lognew)移入右子节点R中，最后更新N中数据为H(L,R)，并逐层向上更新父节点的数据，直至根节点。

无人机日志请求模块，适用于由领导型无人机向跟随型无人机请求日志数据。具体步骤如下：

步骤一，领导型无人机和跟随型无人机利用TPM安全模块协商出通信密钥Key；

步骤二，领导型无人机向跟随型无人机发送请求日志数据指令sendRequest；

步骤三，跟随型无人机接收到sendRequest指令后，利用通信密钥Key加密无人机日志存储模块中的Merkle Tree得到密文C＝Enc(Merkle Tree,Key)，其中，Enc为TPM安全模块提供的加密运算。然后，将加密结果C发送给领导型无人机；

步骤四，领导型无人机收到加密数据C后，用通信密钥Key解密后得到跟随性无人机的Merkle Tree＝Dec(C,Key)，其中Dec为TPM安全模块提供的解密运算，并将该树发送至领导型无人机的无人机日志验证模块。

无人机日志验证模块，适用于领导型无人机对跟随型无人机飞行日志的校验功能。由于跟随型无人机的飞行指令皆有领导型无人机下达，所以随型无人机应与领导型无人机具有相同的Merkle Tree。具体步骤如下：

步骤一，将跟随型无人机的Merkle Tree和领导型无人机的Merkle Tree传至无人机日志验证模块；

步骤二，比较两棵树的根节点值是否相同，如果相同则随型无人机的飞行日志正常，退出验证，如果不同，则检索该根节点的左右子节点；

步骤三，如果左节点的值相同，右节点的值不同，则比较根节点右子树的内容；如果左节点的不同，右节点的值相同，则比较根节点左子树的内容；

步骤四，逐层向下比较，直至找出值不同的叶子节点，即可定位出跟随型无人机出现异常的飞行模式或飞行指令。

地面站故障诊断模块，适用于接收到无人机日志验证模块所传输的异常日志后，利用故障树模块诊断出异常日志产生的原因，该故障诊断列表如表1.1所示。

表1.1无人机常见故障或异常

Claims (6)

1.一种无人机日志存储和分析方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一，领导型无人机和跟随型无人机各自生成日志；

步骤二，领导型无人机生成的日志通过TPM安全模块加密后储存在领导型无人机中的日志储存模块中；跟随型无人机生成的日志通过TPM安全模块加密后储存在跟随型无人机中的日志储存模块中；

步骤三，领导型无人机中的日志请求模块向跟随型无人机中的日志储存模块发送请求日志数据的申请，申请通过TPM安全模块加密后发出；

步骤四，跟随型无人机中的日志储存模块接收到申请后，将所需日志数据通过TPM安全模块加密后发送至领导型无人机中的日志请求模块中，并通过TPM安全模块进行解密；

步骤五，领导型无人机将领导型无人机生成的日志和接收到的跟随型无人机中的日志发送至无人机日志验证模块中进行异常验证；

步骤六，若无异常，则持续验证；若有异常，则发送至地面站故障诊断模块；

步骤七，地面站故障诊断模块根据故障树模块诊断出异常日志产生的原因。

2.根据权利要求1所述的一种无人机日志存储和分析方法，其特征在于，领导型无人机和跟随型无人机各自生成的日志包括无人机控制模块提供的飞行指令日志数据，并将日志数据序列化编码后发送至领导型无人机中的日志存储模块或跟随型无人机中的日志储存模块中。

3.根据权利要求1所述的一种无人机日志存储和分析方法，其特征在于，日志储存模块是将序列化编码后的日志数据按层的次序插入Merkle Tree中。

4.根据权利要求3所述的一种无人机日志存储和分析方法，其特征在于，日志储存模块的具体方法如下：

第一步，无人机日志存储模块接收发送来的日志数据Lognew；

第二步，若该Merkle Tree为满二叉树，则为最下层的第一个叶子节点N添加左子节点L和右子节点R，将N中的日志数据H(Log0)移入左子节点L中，将新日志数据H(Lognew)移入右子节点R中，最后更新N中数据为H(L,R)，并逐层向上更新父节点的数据，直至根节点，其中H()为由TPM提供的哈希运算；

若该Merkle Tree为完全二叉树，次下层节点存在以下三种情况：

1)次下层节点既有左子节点又有右子节点；

2)次下层节点只有左子节点没有右子节点；

3)次下层节点既没有左子节点又没有右子节点；

寻找次下层中第一个不是第1种情况的节点；

若该节点N只有左子节点没有右子节点，则为其添加右子节点R，并将新日志数据H(Lognew)移入右子节点R，更新N中数据为H(L,R)，并逐层向上更新父节点的数据，直至根节点，其中，L为节点N的左子节点中的日志数据；；

若该节点N既没有左子节点又没有右子节点，则为其添加左子节点L和右子节点R，将N中的日志数据H(LogN)移入左子节点L中，将新日志数据H(Lognew)移入右子节点R中，最后更新N中数据为H(L,R)，并逐层向上更新父节点的数据，直至根节点。

5.根据权利要求1所述的一种无人机日志存储和分析方法，其特征在于，日志请求模块的工作方法如下：

第一步，领导型无人机和跟随型无人机通过TPM安全模块协商出通信密钥Key；

第二步，领导型无人机向跟随型无人机发送请求日志数据指令sendRequest；

第三步，跟随型无人机接收到sendRequest指令后，利用通信密钥Key加密无人机日志存储模块中的Merkle Tree得到密文C＝Enc(Merkle Tree,Key)，其中，Enc为TPM安全模块提供的加密运算，然后，将加密结果C发送给领导型无人机；

第四步，领导型无人机收到加密数据C后，用通信密钥Key解密后得到跟随性无人机的Merkle Tree＝Dec(C,Key)，其中Dec为TPM安全模块提供的解密运算，并将该树发送至领导型无人机的无人机日志验证模块。

6.根据权利要求1所述的一种无人机日志存储和分析方法，其特征在于，无人机日志验证模块的工作方法如下：

第一步，将跟随型无人机的Merkle Tree和领导型无人机的Merkle Tree传至无人机日志验证模块；

第二步，比较两棵Merkle Tree的根节点值是否相同，如果相同则随型无人机的飞行日志正常，退出验证，如果不同，则检索该根节点的左右子节点；

第三步，如果左节点的值相同，右节点的值不同，则比较根节点右子树的内容；如果左节点的不同，右节点的值相同，则比较根节点左子树的内容；

第四步，逐层向下比较，直至找出值不同的叶子节点，即可定位出跟随型无人机出现异常的飞行模式或飞行指令。