Entwurf und Implementierung eines sicheren Kommunikationsframeworks fur Flugdrohnen

Design and Implementation of a secure communications framework for UAVs

  • Ein Quadcopter ist ein Luftfahrzeug, das Auftrieb durch vier nach oben gerichtete Rotoren erzeugt. Erst die Fortschritte der jüngeren Vergangenheit im Bereich der Rechenleistung eingebetteter Systeme haben es ermöglicht, auf Basis eines Mikrocontrollers und Sensoren aus dem Luftfahrzeug-Modellbau Fluggeräte nach Bauart eines Quadcopters zu verwirklichen. Ein solcher Quadcopter ist ein echtzeitkritisches System, wodurch sich Einschränkungen beim Entwurf der Software ergeben. Dieses Werk beschreibt die Konzeption und Implementierung eines flexiblen, wiederverwendbaren und sicheren Kommunikationsframeworks für Flugdrohnen, das den Anforderungen dieser Echtzeitumgebung entspricht. Es ermöglicht,Ein Quadcopter ist ein Luftfahrzeug, das Auftrieb durch vier nach oben gerichtete Rotoren erzeugt. Erst die Fortschritte der jüngeren Vergangenheit im Bereich der Rechenleistung eingebetteter Systeme haben es ermöglicht, auf Basis eines Mikrocontrollers und Sensoren aus dem Luftfahrzeug-Modellbau Fluggeräte nach Bauart eines Quadcopters zu verwirklichen. Ein solcher Quadcopter ist ein echtzeitkritisches System, wodurch sich Einschränkungen beim Entwurf der Software ergeben. Dieses Werk beschreibt die Konzeption und Implementierung eines flexiblen, wiederverwendbaren und sicheren Kommunikationsframeworks für Flugdrohnen, das den Anforderungen dieser Echtzeitumgebung entspricht. Es ermöglicht, Telemetriedaten und Nachrichten über aufgetretene Ausnahmesituationen vom Quadcopter an seine Bodenstation zu übertragen und Steuerinformationen entgegenzunehmen. Ein im Rahmen dieser Arbeit verwirklichter Wartungs-Modus erlaubt es, die Sensoren des Quadcopters ohne Gefahr für Hardware und Personen zu kalibrieren. Die Übertragung zwischen Quadcopter und Bodenstation findet drahtlos statt, weswegen Verschlüsselung und Authentifizierung notwendig sind, um Manipulationen vorzubeugen. Die Interaktion mit dem Benutzer erfolgt durch eine graphische Benutzeroberfläche, deren Entwurf und Implementierung Teil des Projekts war. Sie bereitet empfangene Telemetriedaten mittels statistischer Methoden auf und visualisiert diese. Ein virtuelles Cockpit dient dazu, Steuerinformationen entgegenzunehmen und Telemetriedaten mit Hilfe in der Luftfahrt üblicher Instrumente anzuzeigen. Die Versendung komplexerer Steuerinformationen, wie z. B. Flugpläne, wurde vorbereitet. Abschließend wird die Erweiterbarkeit des Kommunikationsframeworks am Beispiel der Integration eines GPS-Gerätes in die Hard- und Software des Quadcopters nachgewiesen.show moreshow less
  • A quadcopter is an aircraft that generates lift using four upward facing rotors. Recent progress in the field of embedded computing now allows for building such aircraft based on micro controllers and remote-controlled model sensors. Since a quadcopter is a real-time critical system restrictions concerning software design apply. This document describes the concept and implementation of a flexible, reusable and secure communications framework for drone aircraft, that is adapted to a real-time environment. It is capable of sending both telemetry data and exception notifications to its ground station as well as of processing control messages. A maintenance mode permits the user to calibrate theA quadcopter is an aircraft that generates lift using four upward facing rotors. Recent progress in the field of embedded computing now allows for building such aircraft based on micro controllers and remote-controlled model sensors. Since a quadcopter is a real-time critical system restrictions concerning software design apply. This document describes the concept and implementation of a flexible, reusable and secure communications framework for drone aircraft, that is adapted to a real-time environment. It is capable of sending both telemetry data and exception notifications to its ground station as well as of processing control messages. A maintenance mode permits the user to calibrate the quadcopter’s sensors without danger to the hardware or bystanders. As ground station and quadcopter communicate by wireless means encryption and authentication is imperative in order to prevent manipulation. Design and implementation of a graphical user interface for interacting with the quadcopter was part of this project. The graphical user interface processes received telemetry data using statistical means and shows them on screen. It’s virtual cockpit accepts instructions and displays telemetry data using common aircraft instruments. The communications framework is prepared to process complex control messages. In conclusion the framework’s extensibility is demonstrated by integrating a GPS device into the quadcopter’s hard- and software.show moreshow less

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Metadaten
Author:Florian Franzmann
URN:urn:nbn:de:bvb:29-opus-15951
Document Type:Study Thesis
Language:German
Year of Completion:2009
Publishing Institution:Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg (FAU)
Release Date:2010/01/28
Tag:Echtzeitsystem; Fernsteuerung; Quadrokopter
Quadcopter; Quadrotor helicopter; Real-Time System; Remote control
SWD-Keyword:Drohne <Flugkörper>; Flugkörper; IP; Kommunikationsprotokoll; VANET
Institutes:Technische Fakultät / Technische Fakultät -ohne weitere Spezifikation-
Dewey Decimal Classification:Informatik, Informationswissenschaft, allgemeine Werke / Informatik, Wissen, Systeme / Datenverarbeitung; Informatik
open_access (DINI-Set):open_access

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