CN114465792A - 基于区块链和Mesh组网的集群控制与任务分配方法及系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于区块链和Mesh组网的集群控制与任务分配方法及系统，涉及无人机技术领域，其中基于区块链和Mesh组网的集群控制与任务分配方法通过创新的基于区块链的去中心化任务调度算法，很好的解决了中心化的主从机任务调度不安全不稳定的缺陷，并基于区块链的共识机制，非对称加密算法与Mesh多跳网络，提升了集群任务的安全性；本发明提升了无人机集群应对恶劣环境及突发状况等复杂问题的应对与决策能力，同时通过加密校验，大大降低了无人机集群做出错误决策和被破解的概率。

Description

基于区块链和Mesh组网的集群控制与任务分配方法及系统
技术领域
本发明涉及无人机技术领域，更具体的，涉及一种基于区块链和Mesh组网的集群控制与任务分配方法及系统。
背景技术
随着无人机技术的逐步发展，集群无人机的应用越来越广泛，例如火灾救援，空中巡检，军用侦查与打击等场景。目前，无人机间的相互通信多采用一台或几台无人机进行通信和控制调度，其他无人机听候这一台或几台无人机的中心调度方案。该方案易于实现，但其最大缺点是在面对恶劣条件或强信号干扰下，若中心调度的无人机出现机械故障或算法错误，其他无人机将会接收到错误指令甚至无法收到指令，对集群的安全性和稳定性造成了严重威胁；且通信间安全只受到简单的加密甚至不加密，不适合用于机密任务。而基于区块链和Mesh组网技术，集群内不再存在主机概念，每台无人机间都可以相互通信并进行独立且唯一结果的任务分配计算，使得集群调度安全性提高。
现有的无人机集群任务调度通信方案中，大多数的采用中心化的单主机调度，多主机冗余调度的方案，整个集群的下一步飞行动作都以主机的指令为准，其在面对恶劣条件下，若主机出现机械故障或算法错误，其他从机将会接收到错误指令甚至无法收到指令，对集群的安全性和稳定性造成了严重威胁。
发明内容
为了解决上述技术问题，本发明提出了一种基于区块链和Mesh组网的集群控制与任务分配方法及系统。
本发明第一方面提供了一种基于区块链和Mesh组网的集群控制与任务分配方法，包括：
步骤S1：在飞行前，通过地面站对无人机的私钥进行配置，并对无人机配置通信私钥用于Mesh组网通信加密，将两项秘钥与时间戳混合生成公钥；
步骤S2：在起飞后，地面站发送的经过公钥验证的指令可以被任意一台无人机接收，添加到任务意向区块链，并分发到其他的无人机，同时更新信任链；
步骤S3：进入任务分配模式，更新无人机状态网络区块链，基于所述状态网络区块链，使用FDA和ATSA算法叠加评估，每台无人机分别计算出全部无人机对该任务的适配指数得分，组合为区块添加到任务分配评估得分区块链；
步骤S4：利用随机数哈希叠加，得出最终的任务分配方案区块，添加到任务决策结果区块链中，将所述任务决策结果区块链指令解析为姿态控制指令。
本方案中，当出现无人机失联的情况时，信任链的区块数量减少，此时所有决策仍可以在缺失该区块的情况下继续开展；
当无人机尝试重连时，即重新尝试连接信任链，其他无人机也会检查重连无人机是否正常，确保信任链不会被恶意篡改。
本方案中，无人机参与决策的数据都需要附上本无人机的数字签名和公钥，用于集群中其他的无人机进行与信任链数据进行信任校验；
若任何无人机发现其他无人机决策的数据校验不通过，则发起共识机制信任投票，该无人机节点在投票结束前不能参与任何决策工作，从信任链中移除。
本方案中，无人机集群间使用Mesh组网实现集群间点对点的去中心化的区块链数据的传输，数据以数据包形式打包发送，包括校验与非对称签名加密的参数。
本方案中，所述区块链包括信任区块链和功能区块链，无人机集群中的无人机节点均可在信任区块链的认证下参与功能区块链的计算；
所述信任区块链包括：信任意向区块链及信任主区块链；
所述功能区块链包括：任务意向区块链，状态网络区块链，任务分配评估得分区块链，任务决策结果区块链。
本方案中，所述任务意向区块链记录了地面站发过来经过解密校验的任务指令；
所述状态网络区块链记录了无人机节点的状态数据；
所述任务分配评估得分区块链基于无人机节点状态网络区块链，结合任务需求构造，使用FDA和ATSA算法叠加评估，计算无人机节点对任务的适配分数；
所述任务决策结果区块链从任务分配评估得分区块链得出，包括了任务的最终分配结果与历史任务决策的任务日志。
本发明第二方面还提供了一种基于区块链和Mesh组网的集群控制与任务分配系统，该系统包括：存储器、处理器，所述存储器中包括一种基于区块链和Mesh组网的集群控制与任务分配方法程序，所述一种基于区块链和Mesh组网的集群控制与任务分配方法程序被所述处理器执行时实现如下步骤：
在飞行前，通过地面站对无人机的私钥进行配置，并对无人机配置通信私钥用于Mesh组网通信加密，将两项秘钥与时间戳混合生成公钥；
在起飞后，地面站发送的经过公钥验证的指令可以被任意一台无人机接收，添加到任务意向区块链，并分发到其他的无人机，同时更新信任链；
进入任务分配模式，更新无人机状态网络区块链，基于所述状态网络区块链，使用FDA和ATSA算法叠加评估，每台无人机分别计算出全部无人机对该任务的适配指数得分，组合为区块添加到任务分配评估得分区块链；
利用随机数哈希叠加，得出最终的任务分配方案区块，添加到任务决策结果区块链中，将所述任务决策结果区块链指令解析为姿态控制指令。
本方案中，当出现无人机失联的情况时，信任链的区块数量减少，此时所有决策仍可以在缺失该区块的情况下继续开展；
当无人机尝试重连时，即重新尝试连接信任链，其他无人机也会检查重连无人机是否正常，确保信任链不会被恶意篡改。
本方案中，无人机参与决策的数据都需要附上本无人机的数字签名和公钥，用于集群中其他的无人机进行与信任链数据进行信任校验；
若任何无人机发现其他无人机决策的数据校验不通过，则发起共识机制信任投票，该无人机节点在投票结束前不能参与任何决策工作，从信任链中移除。
本方案中，无人机集群间使用Mesh组网实现集群间点对点的去中心化的区块链数据的传输，数据以数据包形式打包发送，包括校验与非对称签名加密的参数。
本方案中，所述区块链包括信任区块链和功能区块链，无人机集群中的无人机节点均可在信任区块链的认证下参与功能区块链的计算；
所述信任区块链包括：信任意向区块链及信任主区块链；
所述功能区块链包括：任务意向区块链，状态网络区块链，任务分配评估得分区块链，任务决策结果区块链。
本方案中，所述任务意向区块链记录了地面站发过来经过解密校验的任务指令；
所述状态网络区块链记录了无人机节点的状态数据；
所述任务分配评估得分区块链基于无人机节点状态网络区块链，结合任务需求构造，使用FDA和ATSA算法叠加评估，计算无人机节点对任务的适配分数；
所述任务决策结果区块链从任务分配评估得分区块链得出，包括了任务的最终分配结果与历史任务决策的任务日志。
本发明解决了背景技术中存在的缺陷，具备以下有益效果：
本发明通过创新的基于区块链的去中心化任务调度算法，很好的解决了中心化的主从机任务调度不安全不稳定的缺陷，大大提高了集群无人机生存能力与环境的适应性；
基于区块链的共识机制，非对称加密算法与Mesh多跳网络，算法全程多次校验，信任链逐层传递，非对称的加密校验，集群做出错误决策和被破解的概率大大降低，提升了集群任务的安全性；
本发明中的算法不依赖地面站调控，提升在弱信号或强干扰下的无人机集群的生存能力，集群所有控制与任务调度均可以依赖该方案进行，具有广泛的适配性。
附图说明
图1示出了本发明一种基于区块链和Mesh组网的集群控制与任务分配方法的流程图；
图2示出了本发明以信任意向区块链为例的区块链构建流程图；
图3示出了本发明中的任务调度流程图；
图4示出了本发明一种基于区块链和Mesh组网的集群控制与任务分配系统的框图。
具体实施方式
为了能够更清楚地理解本发明的上述目的、特征和优点，下面结合附图和具体实施方式对本发明进行进一步的详细描述。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是，本发明还可以采用其他不同于在此描述的其他方式来实施，因此，本发明的保护范围并不受下面公开的具体实施例的限制。
图1示出了本发明一种基于区块链和Mesh组网的集群控制与任务分配方法的流程图。
如图1所示，本发明第一方面提供了一种基于区块链和Mesh组网的集群控制与任务分配方法，包括：
S102，在飞行前，通过地面站对无人机的私钥进行配置，并对无人机配置通信私钥用于Mesh组网通信加密，将两项秘钥与时间戳混合生成公钥；
S104，在起飞后，地面站发送的经过公钥验证的指令可以被任意一台无人机接收，添加到任务意向区块链，并分发到其他的无人机，同时更新信任链；
S106，进入任务分配模式，更新无人机状态网络区块链，基于所述状态网络区块链，使用FDA和ATSA算法叠加评估，每台无人机分别计算出全部无人机对该任务的适配指数得分，组合为区块添加到任务分配评估得分区块链；
S108，利用随机数哈希叠加，得出最终的任务分配方案区块，添加到任务决策结果区块链中，将所述任务决策结果区块链指令解析为姿态控制指令。
需要说明的是，在该步骤S104中，通过pow工作量证明确保在数据分发时唯一性；若任意无人机出现地面站与从其他无人机收到的指令有不同，则该指令作废，要求地面站重发，确保在数据分发时准确性；
在该步骤S106中，所有无人机均先加密广播自身状况，然后所有无人机分别根据收到的数据和自己的数据进行区块链构造；对于针对全集群的任务，全部无人机自动跳过计算适配指数得分步骤，但是仍然会要求更新状态网络区块链用于无人机校验与地面站确认；
在该步骤S108中，为了确保不出现同分情况，使用密钥得出的随机数进行最终哈希叠加，得出最终的任务分配方案区块，添加到任务决策结果区块链中，所有无人机均按照此区块中的指令，解析为更详细的姿态控制指令。
需要说明的是，当出现无人机失联的情况时，信任链的区块数量减少，此时所有决策仍可以在缺失该区块的情况下继续开展；
当无人机尝试重连时，即重新尝试连接信任链，其他无人机也会检查重连无人机是否正常，确保信任链不会被恶意篡改。
需要说明的是，无人机参与决策的数据都需要附上本无人机的数字签名和公钥，用于集群中其他的无人机进行与信任链数据进行信任校验；
若任何无人机发现其他无人机决策的数据校验不通过，则发起共识机制信任投票，该无人机节点在投票结束前不能参与任何决策工作，从信任链中移除。
需要说明的是，无人机集群间使用Mesh组网实现集群间点对点的去中心化的区块链数据的传输，数据以数据包形式打包发送，包括校验与非对称签名加密的参数；所有区块链均具有的特征：非对称签名加密验证，pow工作量证明，hash算法校验，差异发生时的共识机制，以保证区块链的安全性与稳定性。
需要说明的是，所述区块链包括信任区块链和功能区块链，无人机集群中的无人机节点均可在信任区块链的认证下参与功能区块链的计算；
所述信任区块链包括：信任意向区块链及信任主区块链；信任意向区块链为构建时操作的区块链，信任主区块链为构建一次完成后进行调取的区块链，分离两条链提高了读取效率也保证了不会出现连环影响；由于信任链更新频率高且涉及大量计算，不符合信任条件的机器无法完成信任链计算；如图2所示，示出了本发明以信任意向区块链为例的区块链构建方案。
所述功能区块链包括：任务意向区块链，状态网络区块链，任务分配评估得分区块链，任务决策结果区块链。
需要说明的是，所述任务意向区块链记录了地面站发过来经过解密校验的任务指令，等待分配；其中包括了本次任务的要求，是否需要全部无人机共同执行等；
所述状态网络区块链记录了无人机节点的状态数据，包括电量数据，旋翼升力比，各外设如摄像头状态等等，用于后续评分决策；
所述任务分配评估得分区块链基于无人机节点状态网络区块链，结合任务需求构造，使用FDA和ATSA算法叠加评估，计算无人机节点对任务的适配分数；
所述任务决策结果区块链从任务分配评估得分区块链得出，包括了任务的最终分配结果与历史任务决策的任务日志。
图4示出了本发明一种基于区块链和Mesh组网的集群控制与任务分配系统的框图。
本发明第二方面还提供了一种基于区块链和Mesh组网的集群控制与任务分配系统4，该系统包括：存储器41、处理器42，所述存储器中包括一种基于区块链和Mesh组网的集群控制与任务分配方法程序，所述一种基于区块链和Mesh组网的集群控制与任务分配方法程序被所述处理器执行时实现如下步骤：
在飞行前，通过地面站对无人机的私钥进行配置，并对无人机配置通信私钥用于Mesh组网通信加密，将两项秘钥与时间戳混合生成公钥；
在起飞后，地面站发送的经过公钥验证的指令可以被任意一台无人机接收，添加到任务意向区块链，并分发到其他的无人机，同时更新信任链；
进入任务分配模式，更新无人机状态网络区块链，基于所述状态网络区块链，使用FDA和ATSA算法叠加评估，每台无人机分别计算出全部无人机对该任务的适配指数得分，组合为区块添加到任务分配评估得分区块链；
利用随机数哈希叠加，得出最终的任务分配方案区块，添加到任务决策结果区块链中，将所述任务决策结果区块链指令解析为姿态控制指令。
需要说明的是，通过pow工作量证明确保在数据分发时唯一性；若任意无人机出现地面站与从其他无人机收到的指令有不同，则该指令作废，要求地面站重发，确保在数据分发时准确性；
所有无人机均先加密广播自身状况，然后所有无人机分别根据收到的数据和自己的数据进行区块链构造；对于针对全集群的任务，全部无人机自动跳过计算适配指数得分步骤，但是仍然会要求更新状态网络区块链用于无人机校验与地面站确认；
为了确保不出现同分情况，使用密钥得出的随机数进行最终哈希叠加，得出最终的任务分配方案区块，添加到任务决策结果区块链中，所有无人机均按照此区块中的指令，解析为更详细的姿态控制指令。
需要说明的是，当出现无人机失联的情况时，信任链的区块数量减少，此时所有决策仍可以在缺失该区块的情况下继续开展；
当无人机尝试重连时，即重新尝试连接信任链，其他无人机也会检查重连无人机是否正常，确保信任链不会被恶意篡改。
需要说明的是，无人机参与决策的数据都需要附上本无人机的数字签名和公钥，用于集群中其他的无人机进行与信任链数据进行信任校验；
若任何无人机发现其他无人机决策的数据校验不通过，则发起共识机制信任投票，该无人机节点在投票结束前不能参与任何决策工作，从信任链中移除。
需要说明的是，无人机集群间使用Mesh组网实现集群间点对点的去中心化的区块链数据的传输，数据以数据包形式打包发送，包括校验与非对称签名加密的参数；所有区块链均具有的特征：非对称签名加密验证，pow工作量证明，hash算法校验，差异发生时的共识机制，以保证区块链的安全性与稳定性。
需要说明的是，所述区块链包括信任区块链和功能区块链，无人机集群中的无人机节点均可在信任区块链的认证下参与功能区块链的计算；
所述信任区块链包括：信任意向区块链及信任主区块链；信任意向区块链为构建时操作的区块链，信任主区块链为构建一次完成后进行调取的区块链，分离两条链提高了读取效率也保证了不会出现连环影响；由于信任链更新频率高且涉及大量计算，不符合信任条件的机器无法完成信任链计算；
所述功能区块链包括：任务意向区块链，状态网络区块链，任务分配评估得分区块链，任务决策结果区块链。
需要说明的是，所述任务意向区块链记录了地面站发过来经过解密校验的任务指令，等待分配；其中包括了本次任务的要求，是否需要全部无人机共同执行等；
所述状态网络区块链记录了无人机节点的状态数据，包括电量数据，旋翼升力比，各外设如摄像头状态等等，用于后续评分决策；
所述任务分配评估得分区块链基于无人机节点状态网络区块链，结合任务需求构造，使用FDA和ATSA算法叠加评估，计算无人机节点对任务的适配分数；
所述任务决策结果区块链从任务分配评估得分区块链得出，包括了任务的最终分配结果与历史任务决策的任务日志。
在本申请所提供的几个实施例中，应该理解到，所揭露的设备和方法，可以通过其它的方式实现。以上所描述的设备实施例仅仅是示意性的，例如，所述单元的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，如：多个单元或组件可以结合，或可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。另外，所显示或讨论的各组成部分相互之间的耦合、或直接耦合、或通信连接可以是通过一些接口，设备或单元的间接耦合或通信连接，可以是电性的、机械的或其它形式的。
上述作为分离部件说明的单元可以是、或也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是、或也可以不是物理单元；既可以位于一个地方，也可以分布到多个网络单元上；可以根据实际的需要选择其中的部分或全部单元来实现本实施例方案的目的。
另外，在本发明各实施例中的各功能单元可以全部集成在一个处理单元中，也可以是各单元分别单独作为一个单元，也可以两个或两个以上单元集成在一个单元中；上述集成的单元既可以采用硬件的形式实现，也可以采用硬件加软件功能单元的形式实现。
本领域普通技术人员可以理解：实现上述方法实施例的全部或部分步骤可以通过程序指令相关的硬件来完成，前述的程序可以存储于计算机可读取存储介质中，该程序在执行时，执行包括上述方法实施例的步骤；而前述的存储介质包括：移动存储设备、只读存储器(ROM，Read-Only Memory)、随机存取存储器(RAM，Random Access Memory)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。
或者，本发明上述集成的单元如果以软件功能模块的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，也可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本发明实施例的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机、服务器、或者网络设备等)执行本发明各个实施例所述方法的全部或部分。而前述的存储介质包括：移动存储设备、ROM、RAM、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种基于区块链和Mesh组网的集群控制与任务分配方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤S1：在飞行前，通过地面站对无人机的私钥进行配置，并对无人机配置通信私钥用于Mesh组网通信加密，将两项秘钥与时间戳混合生成公钥；
步骤S2：在起飞后，地面站发送的经过公钥验证的指令可以被任意一台无人机接收，添加到任务意向区块链，并分发到其他的无人机，同时更新信任链；
步骤S3：进入任务分配模式，更新无人机状态网络区块链，基于所述状态网络区块链，使用FDA和ATSA算法叠加评估，每台无人机分别计算出全部无人机对该任务的适配指数得分，组合为区块添加到任务分配评估得分区块链；
步骤S4：利用随机数哈希叠加，得出最终的任务分配方案区块，添加到任务决策结果区块链中，将所述任务决策结果区块链指令解析为姿态控制指令。
2.根据权利要求1所述的一种基于区块链和Mesh组网的集群控制与任务分配方法，其特征在于，当出现无人机失联的情况时，信任链的区块数量减少，此时所有决策仍可以在缺失该区块的情况下继续开展；
当无人机尝试重连时，即重新尝试连接信任链，其他无人机也会检查重连无人机是否正常，确保信任链不会被恶意篡改。
3.根据权利要求1所述的一种基于区块链和Mesh组网的集群控制与任务分配方法，其特征在于，无人机参与决策的数据都需要附上本无人机的数字签名和公钥，用于集群中其他的无人机进行与信任链数据进行信任校验；
若任何无人机发现其他无人机决策的数据校验不通过，则发起共识机制信任投票，该无人机节点在投票结束前不能参与任何决策工作，从信任链中移除。
4.根据权利要求1所述的一种基于区块链和Mesh组网的集群控制与任务分配方法，其特征在于，无人机集群间使用Mesh组网实现集群间点对点的去中心化的区块链数据的传输，数据以数据包形式打包发送，包括校验与非对称签名加密的参数。
5.根据权利要求4所述的一种基于区块链和Mesh组网的集群控制与任务分配方法，其特征在于，所述区块链包括信任区块链和功能区块链，无人机集群中的无人机节点均可在信任区块链的认证下参与功能区块链的计算；
所述信任区块链包括：信任意向区块链及信任主区块链；
所述功能区块链包括：任务意向区块链，状态网络区块链，任务分配评估得分区块链，任务决策结果区块链。
6.根据权利要求5所述的一种基于区块链和Mesh组网的集群控制与任务分配方法，其特征在于，所述任务意向区块链记录了地面站发过来经过解密校验的任务指令；
所述状态网络区块链记录了无人机节点的状态数据；
所述任务分配评估得分区块链基于无人机节点状态网络区块链，结合任务需求构造，使用FDA和ATSA算法叠加评估，计算无人机节点对任务的适配分数；
所述任务决策结果区块链从任务分配评估得分区块链得出，包括了任务的最终分配结果与历史任务决策的任务日志。
7.一种基于区块链和Mesh组网的集群控制与任务分配系统，其特征在于，该系统包括：存储器、处理器，所述存储器中包括一种基于区块链和Mesh组网的集群控制与任务分配方法程序，所述一种基于区块链和Mesh组网的集群控制与任务分配的方法程序被所述处理器执行时实现如下步骤：
在飞行前，通过地面站对无人机的私钥进行配置，并对无人机配置通信私钥用于Mesh组网通信加密，将两项秘钥与时间戳混合生成公钥；
在起飞后，地面站发送的经过公钥验证的指令可以被任意一台无人机接收，添加到任务意向区块链，并分发到其他的无人机，同时更新信任链；
进入任务分配模式，更新无人机状态网络区块链，基于所述状态网络区块链，使用FDA和ATSA算法叠加评估，每台无人机分别计算出全部无人机对该任务的适配指数得分，组合为区块添加到任务分配评估得分区块链；
利用随机数哈希叠加，得出最终的任务分配方案区块，添加到任务决策结果区块链中，将所述任务决策结果区块链指令解析为姿态控制指令。
8.根据权利要求7所述的一种基于区块链和Mesh组网的集群控制与任务分配系统，其特征在于，当出现无人机失联的情况时，信任链的区块数量减少，此时所有决策仍可以在缺失该区块的情况下继续开展；
当无人机尝试重连时，即重新尝试连接信任链，其他无人机也会检查重连无人机是否正常，确保信任链不会被恶意篡改。
9.根据权利要求7所述的一种基于区块链和Mesh组网的集群控制与任务分配系统，其特征在于，无人机参与决策的数据都需要附上本无人机的数字签名和公钥，用于集群中其他的无人机进行与信任链数据进行信任校验；
若任何无人机发现其他无人机决策的数据校验不通过，则发起共识机制信任投票，该无人机节点在投票结束前不能参与任何决策工作，从信任链中移除。
10.根据权利要求7所述的一种基于区块链和Mesh组网的集群控制与任务分配系统，其特征在于，所述区块链包括信任区块链和功能区块链，无人机集群中的无人机节点均可在信任区块链的认证下参与功能区块链的计算；
所述信任区块链包括：信任意向区块链及信任主区块链；
所述功能区块链包括：任务意向区块链，状态网络区块链，任务分配评估得分区块链，任务决策结果区块链。
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