BREZPILOTNI LETALNIKI IN MOTILNI SIGNALI

Transkripcija

1 UNIVERZA V MARIBORU FAKULTETA ZA ELEKTROTEHNIKO, RAČUNALNIŠTVO IN INFORMATIKO Domen Colnarič BREZPILOTNI LETALNIKI IN MOTILNI SIGNALI Diplomsko delo Maribor, januar 2020

2 BREZPILOTNI LETALNIKI IN MOTILNI SIGNALI Diplomsko delo Študent: Študijski program: Smer: Mentor: Lektorica: Domen Colnarič Visokošolski strokovni študijski program Elektrotehnika Avtomatika in robotika izr. prof. dr. PETER PLANINŠIČ, univ. dipl. inž. el. Danijela Sekej, prof. ped. in dipl. slov.

3 Zahvala Za mentorstvo bi se rad zahvalil izr. prof. dr. Petru Planinšiču. Prav tako bi se rad zahvalil prijatelju Žigu, ki mi je s posojo brezpilotnega letalnika omogočil testiranje in izdelavo zaključnega dela. Posebaj se zahvaljujem družini, ki mi je vsa leta študija stala ob strani. I

4 Brezpilotni letalniki in motilni signali Ključne besede: brezpilotni letalnik, dron, deavtentikator, ESP8266, motilni signali UDK: : (043.2) Povzetek V tem diplomskem delu smo sprva izpostavili pravila, ki v Sloveniji veljajo na področju brezpilotnih letalnikov. Razložili smo njihovo delovanje in tehnične podrobnosti. V zadnjem delu smo predstavili čip ESP8266 NodeMCU (vozlišče z mikrokroprocesorsko centralno enoto) in kako ga učinkovito uporabiti za motenje komunikacije dronov. Korak za korakom smo dokazali, kako lahko učinkovito in poceni pretvorimo ESP8266-modul v motilnik komunikacije Wi-Fi. Sledi opis testiranja, pri katerem smo poskušali motiti komunikacijo brezpilotnega letalnika. II

5 Unmanned aerial vehicle and disturbing signals Keywords: unmanned aerial vehicle, drone, deauther, ESP8266, disturbing signals UDC: : (043.2) Abstract In this diploma work we first highlight the rules that apply in the field of drones in Slovenia. We explain their functionality and technical details. In the last part, we present an ESP8266 NodeMCU (Node-Microcontroller Unit) chip and how it can be effectively used to disrupt drone communication. We then demonstrate step by step how we can efficiently and inexpensively convert ESP8266 NodeMCU into a Wi-Fi communication interrupter (deauther). This was followed by testing where we tried to disrupt the communication of the drone. III

6 KAZALO 1 UVOD PREDPISI NA PODROČJU UPRAVLJANJA Z BREZPILOTNIMI ZRAKOPLOVI Na kaj morajo lastniki dronov v Sloveniji biti pozorni in kaj od njih zahteva direktiva Kaj nam prepoveduje direktiva Predvidene kazni za kršitelje direktive Klasifikacija brezpilotnih zrakoplovov in območij letenja Identifikacijske oznake ter zavarovanje KAJ JE DRON IN KAKO DELUJE Komponente in sestava brezpilotnega zrakoplova Pozicioniranje UAV in vrnitev domov Tehnologije za zaznavanje ovir in preprečevanje trkov Stabilizacija z žiroskopom, krmilnik letenja ter pospeškometer Smer vrtenja motorjev ter zasnova propelerjev Ustvarjanje 3D-zemljevidov in modelov s pomočjo fuzije senzorjev (Sensor Fusion) Napajanje in platforma Programska oprema Regulacijske zanke Komunikacija UPORABLJENI DRON IN ESP8266 NodeMCU Modul ESP8266 NodeMCU Brezpilotni letalnik PARROT AR.DRONE 2.0 ELITE EDITION Deavtentikator IV

7 4.3.1 ESP8266-modul kot deavtentikator TESTIRANJE IN EKSPERIMENTALNI REZULTATI Motenje komunikacije brezpilotnega letalnika Meritev moči in razdalje signala Model razširjanja elektromagnetnih valov ZAKLJUČEK KAZALO SLIK Slika 1: Slika prikazuje uporabo drona za prenos paketov [3]... 3 Slika 2: Če je upravljalec na poznanem terenu in ima vsaj pet ur izkušenj z opazovalcem, takrat lahko z FPV-sistemom (izjemoma) leti sam [4] Slika 3: MQ-9 Reaper, UAV ameriške vojske, ki je zmožen nositi natančno vodene bombe ter izstrelke zrak-zemlja [8]... 9 Slika 4: Ilustracija področij delovanja brezpilotnih letalnikov, satelitov ter nizko letečih UAV [37]. 11 Slika 5: Zgradba elektronike UAV ali brezpilotnega zrakoplova [10] Slika 6: Satelitsko ozvezdje oziroma mreža GPS [12] Slika 7: Pozicioniranje GPS ter vrnitev domov [13] Slika 8: Delovanje stereo vida. Zgoraj desno je vid kamere A, spodaj desno pa vid kamere B [15]. 16 Slika 9: Delovanje stereo vida, kot je omenjeno v zgornjem besedilu [15] Slika 10: Ultrazvočni senzor [16] Slika 11: Senzor preleta Flash lidar [17] Slika 12: Preprost IR-senzor (modul) za Arduino [18] Slika 13: Senzor Lidar Vu8 podetja LeddarTech [19] Slika 14: IMU vesoljske ladje Apollo [21] V

8 Slika 15: Rotacije kvadrokopterja. Nagib (roll), dvig (pitch) in zavijanje (yaw) [22] Slika 16: 3D-pospeškometer, 3D-žiroskop ter 3D-magnetometer proizvajalca STMicroelectronics [23] Slika 17: Primer površja MEMS [24] Slika 18: Konfiguracija smeri vrtenja propelerjev [25] Slika 19: Tipičen primer regulacijske zanke letenja multikopterja [9] Slika 20: Fotografija našega modula ESP8266 NodeMCU [lasten vir] Slika 21: Položaj čipa ESP-12E in antene Wi-Fi [26] Slika 22: Električna shema ESP-12E modula Wi-Fi [35] Slika 23: Pozicija posameznih priključnih sponk [26] Slika 24: Pozicija multipleksiranih GPIO-pinov [26] Slika 25: Pozicija posameznih gumbov in LED-indikatorja [26] Slika 26: Pozicija mostičnega krmilnika CP2102 [26] Slika 27: Pini in njihove funkcije [26] Slika 28: Dron Parrot AR DRONE 2.0 elite edition [lasten vir] Slika 29: Na spodnjem delu letalnika lahko vidimo monokularno kamero ter oddajnik in sprejemnik ultrazvočnega senzorja razdalje [lasten vir] Slika 30: 2.4 GHz-pasovi za WLAN [38] Slika 31: Paketno preklapljanje [38] Slika 32: Sekvenčni diagram deavtentikacijskega napada Wi-Fi [36] Slika 33: Izbira verzije za Win32 ali Win64, odvisno od operacijskega sistema, ki ga uporabljamo [lasten vir] Slik 34: Ustrezno binarno datoteko izberemo glede na velikost pomnilnika ESP8266-modula [lasten vir] Slika 35: Izbira gonilnika glede na operacijski sistem [lasten vir] Slika 36: Namestitev datoteke.exe (gonilnik) [lasten vir] Slika 37: Program, s katerim lahko naložimo aplikacijski softver na modul ESP8266 [lasten vir] Slika 38: Izberemo datoteko.bin, kot kaže slika [lasten vir] Slika 39: Vključitev posameznih knjižnic z določeno funkcijo ter definiranje posameznih spremenljivk run-time [27] VI

9 Slika 40: Del programske kode za izvedbo napada deavtentikacije (deauth) iz knjižnice»attack«. [27] Slika 41: Prikaz dostopnih omrežij Wi-Fi, omrežje pwned morda ni na voljo. Naj nas to ne zmoti [lasten vir] Slika 42: Uvodna stran našega deavtentikatorja [lasten vir] Slika 43: Izbira SSID oziroma komunikacije, ki jo želimo motiti, v našem primeru ardrone2_ [lasten vir] Slika 44: Če se razvrstimo pod Attacks lahko pod opcijo Deauth s pritiskom na START pričnemo motiti povezavo [lasten vir] Slika 45: Približna izmerjena maksimalna razdalja motenja 160,7 m [lasten vir] Slika 46: Prva meritev, pri kateri smo začeli na 0 metrov. Moč signala Wi-Fi je bila 36 dbm (100%). Merili smo signal Deautherja [lasten vir] Slika 47: Upadanje moči signala deautherja glede na razdaljo [lasten vir] Slika 48: Dodatne infromacije, ki nam jih ponuja aplikacija, s katero smo merili signal [lasten vir] Slika 49: Upadanje moči signala drona glede na razdaljo upravljalca [lasten vir] Slika 50: Model zemeljskega odboja [39] KAZALO TABEL Tabela 1: Klasifikacijo podaja tabela [2]... 6 Tabela 2: Različne zahteve glede na težo letalnika in namen letenja [2]... 8 Tabela 3: Pregled programskih oprem Flight stack [9] Tabela 4: referenčni model ISO/OSI Tabela 5: WLAN-standardi znotraj IEEE Tabela 6: Izmerjene vrednosti signala deautherja Tabela 7: Izmerjene vrednosti signala drona VII

10 UPORABLJENI SIMBOLI IN KRATICE Simbol ali kratica kg g J m GHz Hz UHF SHF CAA UAV UAS GNSS GPS GLONASS SAR SLAM Wi-Fi FPV SSID URL OS Pomen kilogram gram joule meter gigahertz hertz Ultra High Frequency (ultra visoka frekvenca) Super High Frequency (super visoka frekvenca) Civil Aviation Agency (Javna agencija za civilno letalstvo) Unmanned Aerial Vehicle (brezpilotni zrakoplov/letalnik) Unmanned Aerial System (brezpilotni zrakoplovni/letalni sistem) Global Navigation Satellite System (globalni navigacijski satelitski sistem) Global Positioning System (globalni sistem pozicioniranja) GLObal NAvigation Satellite System (globalni navigacijski satelitski sistem) Search and Rescue (iskanje in reševanje) Simultaneous Localization and Mapping (Sprotno pozicioniranje in mapiranje) Wireless Fidelity (brezžična tehnologija) First Person View (prvoosebni pogled) Service Set Identifier (identifikator servisnih naborov) Uniform Resource Locator (enotni lokator virov) Operating System (operacijski sistem) VIII

11 WPA V ma RST khz LED PWM MHz SDIO SPI FIFO SD UART Mbps ADC SAR ADC CPU IR GPIO I2C GND SDK Wi-Fi Protected Access (zaščiteni dostop Wi-Fi) volt miliamper resetiranje kilohertz Light-Emitting Diode (svetleča dioda) Pulse-Width Modulation (modulacija širine impulza) megahertz Secure Digital Input Output (varni digitalni vhod izhod) Serial Peripheral Interface Bus (serijsko vodilo perfirernega vmesnika) First-In, First-Out register (register prvi noter, prvi ven) Secure Digital Universal Asynchronous Receiver- Transmitter (univerzalni asinhroni sprejemnik-oddajnik) Megabit per second (megabitov na sekundo) Analog-to-Digital Converter (analogno-digitalni pretvornik) Successive Approximation ADC (analogno-digitalni pretvornik na osnovi zaporednih približkov) Central Processing Unit (centralno procesna enota) infrardeči General-Purpose input/output (splošnonamenski vhod/izhod) Inter-Integrated Circuit (vmesniško vezje) Ground (ozemljitev) Software Development Kit (komplet za razvoj programske opreme) IX

12 IoT RTOS MAVLink MUM-T LTE GCS TCP/IP C&C PID-Controller MCU BEC Li-Po batery 3D DEMS RGB CW CWW ESC RPM MEMS ToF Inter of Things (internetne stvari) Real-Time Operating System (operacijski sistem za delo v realnem času) Micro Air Vehicle Link (zračna mikro povezava vozila) Manned-Unmanned Teaming (pilotno-brezpilotno združevanje) Long Term Evolution (standard na področju mobilnih telekomunikacij) Ground Control Station (zemeljska nadzorna postaja) Transmission Control Protocol/ InternetProtocol (protokol za nadzor prenosa/ internetni protokol) Command and Control Proportional Integral Derivative-Controller (proporcionalno-integralni-diferencialni regulator) Micro-Controler-Unit (mikro računalniška centralna enota) Battery Elimination Circuit (vezje za odstranitev baterije) Lithium Polymer batery (litijeva polimerna baterija) 3-Dimensional (3-dimenzionalen) Digital Elevation Maps (višinski digitalni zemljevid) Red Green Blue (rdeča, zelena, modra) Clock-Wise (v smeri urnega kazalca) Counter-Clock-Wise (v obratni smeri urnega kazalca) Electronic Speed Control (elektronski nadzor hitrosti) Revolutions per minute (vrtljajev na minuto) Micro Electro-Mechanical Systems (mikro elektro-mehanski sistemi) Time of Flight (čas preleta) X

13 XML MB KB RAM WLAN ROS JSON LDO IMU DDS USB FBW dbm AP ISO OSI RF FCC ETSI Extensible Markup Language (razširljivi označevalni jezik) megabajt kilobajt Random Acces Memory (bralno-pisalni pomnilnik) Wireless Local Area Network (brezžično lokalno omrežje) Robot Operating System (robotski operacijski sistem) JavaScript Object Notation Low-dropout regulator (regulator z nizkim osipom) Inertial Measurement Unit (inercijska merilna enota) Data Distribution Service (storitev distribucije podatkov) Universal Serial Bus (univerzalno serijsko vodilo) Fly-by-Wire decibel milivat Access Point (dostopna točka) International Organization for Standardization (Mednarodna organizacija za standardizacijo) Open Systems Interconnection model (model medsebojnih povezav odprtih sistemov) Radio Frequency (radijska frekvenca) Federal Communications Commission (zvezna komisija za komunikacije) European Telecommunications Standards Institute (evropski inštitut za telekomunikacijske standarde) XI

14 1 UVOD Brezpilotni letalniki UAV (Unmanned Aerial Vehicles) ali pogosto imenovani droni (drone) so lahko pogosto neprijetni in ogrozijo našo zasebnost, saj so vse cenejši, tehnološko naprednejši, preprosti za uporabo in zato vse pogosteje uporabljani. Uporabljajo brezžično daljinsko vodenje ter lahko zajemajo slike in videoposnetke iz zraka. Pred brezpilotnimi letalniki se je težko zaščititi. Ena izmed možnosti je, da motimo njihove komunikacije z ustreznimi motilnimi signali. Problem je tudi, kako zaščititi brezpilotne letalnike pred motilnimi signali. Naš cilj je izpostaviti probleme, ki jih droni povzročajo v zvezi z našo zasebnostjo, ter najti ustrezne rešitve, kako se pred droni zaščititi. Po drugi strani pa drone pogosto želimo tudi zaščititi. Teza diplomskega dela je, da je zaščito pred droni možno izvesti s cenovno ugodnim oddajnikom motilnega signala za drone. Zaščita dronov pred motilnimi signali pa je možna s povečanjem moči oddajnih signalov komandnih kanalov in/ali z ustrezno obdelavo signalov. Obdelali bomo področje zakonodaje brezpilotnih letalnikov, njihovo tehnološko sestavo, funkcionalost in poskusili najti rešitev, kako prekiniti njihovo komunikacijo na daljavo na karseda cenoven in uporabniku prijazen način. Velika večina dobavljivih komercialnih brezpilotnih letalnikov uporablja komunikacijo Wi-Fi, ki jo je možno prenašati po frekvenčem spektru 2.4 GHz, kar lahko pametni telefoni in tablice dosežejo brez dodatnih pripomočkov. V ta namen bomo uporabili cenovno zelo ugoden mikrokrmilnik ESP8266, ki omogoča povezljivost Wi-Fi ter nadzor naprav. Lahko ga konfiguriramo in programiramo v razvojnem okolju mikrokrmilnika Arduino. 1

15 2 PREDPISI NA PODROČJU UPRAVLJANJA Z BREZPILOTNIMI ZRAKOPLOVI Leta 2016 je Slovenska javna agencija za civilno letalstvo izdala direktivo za upravljanje z brezpilotnimi letalniki oz. zrakoplovi. Slednja bo veljala do uredbe za brezpilotne letalnike. Področje, ki zajema upravljanje brezpilotnih zrakoplovov oziroma dronov v Sloveniji, je trenutno pravno gledano zapleteno, kajti veljavna zakonodaja ne predpisuje natančnejših zahtev, obenem pa za kršitve v zračnem prostoru in pravil letenja ter opravljanje dejavnosti brez dovoljenja določa stroge kazni [1], [2]. Javna agencija za civilno letalstvo je leta 2018 izdala direktivo o uporabi brezpilotnih zrakoplovov, v kateri je jasno napisano, kaj je dovoljeno in kaj ne. Ta direktiva velja za vse drone, katerih operativna masa ne presega 150 kg. Ta pravila ne veljajo za brezpilotna plovila, katerih masa ne presega 250 g in ne dosega 79 J kinetične energije [1], [2]. 2.1 Na kaj morajo lastniki dronov v Sloveniji biti pozorni in kaj od njih zahteva direktiva 1. Upravljanje z brezpilotnim zrakoplovom za šport in rekreacijo se lahko izvaja v dveh razredih, in sicer: Razred I, pri katerem je prisoten samo upravljalec oziroma osebe, ki upravljajo z brezpilotnim zrakoplovom. Pri tem ni prisotnih drugih oseb. Razred II; gre za objekte, ki niso namenjeni za bivanje ljudi. Prisoten je samo upravljalec oziroma osebe, ki upravljajo z brezpilotnim zrakoplovom. Pri tem ni prisotnih drugih oseb. 2. Letenje brezpilotnih zrakoplovov lahko izvajamo samo podnevi. 2

16 3. Dron mora pred poletom delovati brezhibno. 4. Treba se je pozanimati o vseh morebitnih informacijah, ki omogočajo varen vzlet brezpilotnega zrakoplova (vreme ipd.). 5. Če imamo dodatno opremo ali tovor, mora ta biti ustrezno pritrjen/-a na dron, da ni nevarnosti odklopa. Slika 1: Slika prikazuje uporabo drona za prenos paketov [3]. 6. Zagotoviti moramo, da se dron med vzletom in pristankom varno izogne vsem oviram. 7. Kadar je dron v letečem stanju, mora biti oddaljen od ljudi, živali, zgradb, vozil in daljnovodov vsaj 30 metrov ter 150 metrov, če je v bližini skupina ljudi (12 ali več). 8. Dron mora biti ves čas v vidnem dosegu upravljalca in se ne sme oddaljiti za več kot 500 metrov. 3

17 9. Upravljanje z brezpilotnimi zrakoplovi se lahko izvaja le znotraj nadzorovanega zračnega prostora in le do višine 150 metrov. 10. Če obstaja nevarnost srečanja z zrakoplovi splošnega letalstva (helikopterji, letala), moramo takoj začeti izvajati manevre za umik, saj imajo ti prednost pred brezpilotnimi zrakoplovi. 11. Pri uporabi sistema FPV (First Person View), to je sistema za opazovanje okolice s kamero na brezpilotnem zrakoplovu, je potrebna dodatna oseba, saj mora tista oseba, ki z dronom upravlja, z njim imeti ves čas neprekinjen očesni stik, razen v posebnem primeru, prikazanem na sliki 2. Slika 2: Če je upravljalec na poznanem terenu in ima vsaj pet ur izkušenj z opazovalcem, takrat lahko z FPV-sistemom (izjemoma) leti sam [4]. 12. Samo ena oseba lahko hkrati upravlja en brezpilotni zrakoplov [1], [2]. 4

18 2.2 Kaj nam prepoveduje direktiva Prepovedano je izvajanje določenih javnih dejavnosti za plačilo ali brez njega. Med javne dejavnosti spada: snemanje iz zraka, oglaševanje iz zraka, nadzor iz zraka, protipožarna zaščita, proženje plazov, letenje v znanstveno-raziskovalne namene, letenje za filmske, televizijske in medijske potrebe ter letenje za potrebe posebnih dogodkov [1], [2]. Prepovedano je upravljanje z brezpilotnimi zrakoplovi z območja razreda III. V tem razredu so: stanovanjski, poslovni in rekreativni objekti ter objekti nizke gradnje, kot je avtocesta. Prav tako je prepovedano letenje na območju razreda IV (središča mest ter večja in manjša naselja). Izjeme od zgoraj navedenih pravil lahko z ustreznim dovoljenjem odredi Javna agencija za civilno letalstvo [1], [2]. 2.3 Predvidene kazni za kršitelje direktive a) Kazni znašajo od 300 do 600 evrov za fizično osebo in od do evrov za pravno osebo, če ta krši zračni prostor z letenjem drona brez dovoljenja pristojnega organa. b) Od 400 do 600 evrov za vodjo zrakoplova, če krši pravila letenja. c) Od 250 do 600 evrov za fizično osebo in od do evrov za pravno osebo, če ta opravlja katero izmed zgoraj naštetih dejavnosti brez dovoljenja. d) Od 250 do 580 evrov za posameznike in od do evrov za pravne osebe, če upravljajo z brezpilotnim zrakoplovom, ki nima ustrezne registracije ali ustrezne državne pripadnosti S5. 5

19 e) Zapor ali višja denarna kazen je predvidena takrat, kadar ogrožamo življenja ljudi ali premoženje večje vrednosti [2]. 2.4 Klasifikacija brezpilotnih zrakoplovov in območij letenja Tabela 1: Klasifikacijo podaja tabela [2]. Razred 5 Do 5 kg Razred 25 Nad 25 kg do vključno 25 kg Razred 150 Nad 25 kg do 150 kg I OBMOČJE BREZ OBJEKTOV IN LJUDI II OBMOČJE S POMOŽNIMI OBJEKTI, NI LJUDI III OBMOČJE S PRETEŽNO STANOVANJSKIMI IN POSLOVNIMI OBJEKTI IV OBMOČJE OŽJIH URBANIH CON (SREDIŠČA MEST, NASELJA IN KRAJI) A A B C A B C D B C D D Razlaga kategorij za varno letenje: Vse priloge, izjave in podobno je možno pridobiti pri Javni agenciji za civilno letalstvo (CAA Civil Aviation Agency), [2]. A kategorija od upravljalca zahteva: Letalski priročnik ali navodila proizvajalca. 6

20 Izjavo ali potrdilo o poznavanju pravil, ki ga izda Javna agencija za civilno letalstvo CAA (Civil Aviation Agency) iz Priloge 2. Operativne in tehnične zahteve iz Priloge 4. Obrazec»Izjava za izvajanje letalskih dejavnosti s sistemi brezpilotnih zrakoplovov«s potrdilom agencije o njegovem prejemu. B kategorija od upravljalca zahteva: Letalski priročnik ali navodila proizvajalca. Izjava ali potrdilo o poznavanju pravil, ki ga izda Agencija iz Priloge 2. Operativne in tehnične zahteve iz Priloge 4. Obrazec»Izjava za izvajanje letalskih dejavnosti s sistemi brezpilotnih zrakoplovov«s potrdilom agencije o njegovem prejemu. C kategorija od upravljalca zahteva: Izdelan operativni priročnik. Letalski priročnik ali navodila proizvajalca. Potrdilo o opravljenem izpitu poznavanja pravil, ki ga izda Agencija za civilno letalstvo. Operativne in tehnične zahteve iz Priloge 4. Obrazec»Izjava za izvajanje letalskih dejavnosti s sistemi brezpilotnih zrakoplovov«s potrdilom agencije o njegovem prejemu. D kategorija od upravljalca zahteva: Obrazec»Izjava za izvajanje letalskih dejavnosti s sistemi brezpilotnih zrakoplovov«. 7

21 Izdelan operativni priročnik. Dovoljenje, ki ga izda Agencija za civilno letalstvo. Letalski priročnik ali navodila proizvajalca. Potrdilo o opravljenem izpitu poznavanja pravil, ki ga izda Agencija. Operativne in tehnične zahteve iz Priloge 4 [2]. 2.5 Identifikacijske oznake ter zavarovanje Vsi brezpilotni zrakoplovi in letalski modeli, ki so težji od enega kilograma, morajo imeti pritrjeno indetifikacijsko nalepko. Glede na težo letalnika in namen letenja razlikujemo med različnimi zahtevami (tabela 2) [2]: Tabela 2: Različne zahteve glede na težo letalnika in namen letenja [2]. Od 1 kg do vključno 5 kg IDENTIFIKACIJSKA NALEPKA pritrdi jo operater oz. lastnik sam je ustrezne velikosti in trajno pritrjena vsebuje ime, naslov in kontaktne informacije operaterja ali lastnika Težji od 5 kg NEGORLJIVA IDENTIFIKACIJSKA PLOŠČICA pritrdi jo operater oz. lastnik sam je ustrezne velikosti in trajno pritrjena vsebuje ime, naslov in kontaktne informacije operaterja ali lastnika Za izvajanje letalskih aktivnosti kategorije D IDENTIFIKACIJSKA OZNAKA dodeli jo agencija CAA 8

22 3 KAJ JE DRON IN KAKO DELUJE Brezpilotni letalnik ali kar drone je zrakoplov brez človeškega pilota na krovu in tip brezpilotnega vozila. Brezpilotni zrakoplovi UAV (Unmanned Aerial Vehicle) so sestavni del brezpilotnih zrakoplovnih sistemov UAS (Unmanned Aircraft System), ki vključujejo UAV, zemeljski krmilnik in sistem komunikacije med njima. Letalo UAV lahko deluje z različnimi stopnjami samostojnosti: bodisi pod daljinskim upravljanjem, pri katerem sodeluje človeški operater, bodisi avtonomno s pomočjo vgrajenih računalnikov [5]. V primerjavi zrakoplovov s posadko so bili UAV prvotno uporabljeni za naloge, ki so preveč dolgočasne, umazane ali nevarne za ljudi. Medtem ko izvirajo večinoma iz vojaških aplikacij (slika 3), se njihova uporaba hitro širi na komercialne, znanstvene, rekreacijske, kmetijske in druge aplikacije, kot so policijska kontrola in nadzor, dobava izdelkov, letalska fotografija, tihotapljenje in dirkanje z brezpilotnimi letali [6], [7]. Slika 3: MQ-9 Reaper, UAV ameriške vojske, ki je zmožen nositi natančno vodene bombe ter izstrelke zrak-zemlja [8]. 9

23 Klasifikacija UAV: Obstaja veliko vrst dronov. Strokovnjaki za drone jih večinoma razvrščajo glede na število rotorjev ali propelerjev. Spet drugi strokovnjaki pa jih razvrščajo glede na to, kako/čemu se uporabljajo (nadzor, zračne fotografije, inžiniring, gradbeništvo, zabava). V naslednjih točkah bomo našteli nekaj njih [31], [34]. Droni z enojnim rotorjem Droni z enojnim rotorjem spominjajo na dejanske helikopterje. Imajo samo en velik rotor in en majhen rotor na repu oziroma koncu drona, s katerim kontrolirajo smer. Prednost teh dronov je preprosta zasnova. Multikopterji Multikopterji so najpogostejša vrsta dronov. Pogosto jih razvrščamo glede na število rotorjev. Najbolj osnoven je trikopter s tremi rotorji, nakar sledi kvadrokopter (štirje rotorji), heksakopter (šest rotorjev) in oktakopter (osem rotorjev). Najbolj značilni so kvadrokopterji. Droni s fiksnimi krili Droni s fiksnimi krili uporabljajo krila kot običajna letala. Idealni so za dolge razdalje, geografsko kartiranje, nadzor, spremljanje narave in živali ter agrikulture. Imajo dve slabi strani, in to sta višja cena izdelave ter potreba po usposabljanju za letenje. Slika 4 prikazuje področje ter višino nahajanja brezpikotnih letalnikov, satelitov ter nizko letečih UAV. 10

24 Slika 4: Ilustracija področij delovanja brezpilotnih letalnikov, satelitov ter nizko letečih UAV [37]. 3.1 Komponente in sestava brezpilotnega zrakoplova Plovila s posadko in plovila brez nje imajo na splošno prepoznavnejše fizične komponente. Najizrazitejše izjeme so sistemi za nadzor pilotov in okolja oziroma sistemi za podporo življenja. Nekateri UAV nosijo koristne obremenitve (npr. kamera), te tehtajo bistveno manj kot odrasel človek, pri čemer je končni rezultat lahko bistveno boljši. Čeprav imajo veliko obremenitev, so oboroženi UAV lažji od UAV-jev s posadko, pri tem pa imajo primerljivo oborožitev [9]. Majhni civilni UAV-ji nimajo življenjsko pomembnih sistemov, zato jih je mogoče izdelati iz lažjih, a manj trdih materialov in oblik ter lahko uporabljajo manj robustno preizkušene elektronske krmilne sisteme. Za majhne UAV-je je postal aktualen kvadrokopter. Slednja kategorija se redkeje uporablja za plovila s posadko. Miniaturizacija nam omogoča, da 11

25 lahko uporabljajo manj zmogljive pogonske tehnologije, kot so majhni elektromotorji in baterije, ki niso primerne za plovila s posadko [9]. Nadzorni sistemi za UAV so pogosto drugačni kot za plovila s posadko. Za daljinski nadzor, s katerim upravlja človek, se okna v pilotski kabini skoraj vedno nadomestijo z foto-video sistemom. Radio-digitalni ukazi nadomestijo fizično krmilje v pilotski kabini. Programska oprema za avtopilot se uporablja tako na plovilih brez posadke kot na plovilih s posadko [9]. Blokovno shemo elektronike UAV prikazuje slika 5: Slika 5: Zgradba elektronike UAV ali brezpilotnega zrakoplova [10] Pozicioniranje UAV in vrnitev domov Najnovejši droni imajo dvojne globalne navigacijske satelitske sisteme (GNSS), kot sta GPS in GLONASS. Droni lahko letijo tako v GNSS kot tudi v nesatelitskih načinih. Pri letenju z brezpilotnimi zrakoplovi je zelo pomembna natančna navigacija, zlasti v aplikacijah za drone, kot so ustvarjanje 3D-zemljevidov, pregledovanje pokrajine in misije SAR (Search & Rescue) [11]. 12

26 Ob prvem vklopu dron ali kvadrokopter poišče in zazna GNSS-satelite. Sistemi GNSS višjega razreda uporabljajo tehnologijo satelitske razporeditve (konstelacije). Satelitska konstelacija ali ozvezdje je skupina satelitov, ki delujejo skupaj, tako da dajejo dobro pokritost in sinhronizacijo (slika 6). Prehod ali pokritost je območje, v katerem je satelit viden nad lokalnim horizontom [11]. Slika 6: Satelitsko ozvezdje oziroma mreža GPS [12]. Radarska pozicionirna tehnologija bo na zaslonu daljinskega upravljalnika signalizirala naslednje: Signal, da je bilo zaznanih dovolj GNSS-satelitov brezpilotnih sistemov in da je dron pripravljen na letenje. Prikaz trenutne pozicije in lokacije drona glede na pilota. Zabeležitev domače točke za varnostno funkcijo»vrni se domov«[11]. Večina najnovejših dronov ima tri vrste tehnologij za vrnitev domov (slika 7): 13

27 Pilot je inicializiral vrnitev domov s pritiskom gumba na daljinskem upravljalniku ali v aplikaciji. Nizka raven baterije, pri čemer se UAV samodejno vrne nazaj na domačo točko. Izguba stika med UAV in daljinskim upravljalnikom, pri čemer se UAV samodejno vrne domov na domačo točko [11]. Slika 7: Pozicioniranje GPS ter vrnitev domov [13] Tehnologije za zaznavanje ovir in preprečevanje trkov Najnovejši visokotehnološki droni so dandanes opremljeni s sistemi za preprečevanje trkov. Slednji uporabljajo senzorje za zaznavanje ovir, ki skenirajo okolico, medtem ko programski algoritmi in tehnologija za sprotno lokalizacijo in mapiranje SLAM (Simultaneous Localization and Mapping) proizvedejo slike 3D-zemljevida, ki dronu 14

28 omogočajo zaznavanje in izogibanje. Ti sistemi združijo enega ali več senzorjev za zaznavanje in izogibanje oviram [11]. Tehnologija SLAM za zaznavanje ovir in izogibanje le-tem Hkratna lokalizacija in preslikava ali SLAM je izredno pomembna tehnologija pri dronih, avtomobilih in robotih za odkrivanje ovir ter njihovem izogibanju. SLAM je postopek, s katerim lahko robot ali naprava ustvari zemljevid svoje okolice in se v tem zemljevidu pravilno orientira v realnem času. To ni lahka naloga. SLAM je trenutno v ospredju tehnoloških raziskav in oblikovanj. Tehnologija SLAM deluje tako, da najprej sestavi že obstoječi zemljevid svojega okolja. Naprava, kot je dron ali robot, je programirana z že obstoječimi zemljevidi. Ta zemljevid se nato izpopolni, ko se robot ali brezpilotnik giblje v okolju. Medtem ko se dron ali robot giblje po prostoru, je treba nenehno zajemati meritve. V račun je treba zajeti tudi šum oziroma motnje, ki nastanejo zaradi gibanja naprave ali netočnosti merilne metode [14]. Senzor stereo vida Stereo vid deluje podobno kot 3D-zaznavanje v človeškem vidu. Stereoskopski vid je izračun globinske informacije s kombiniranjem dvodimenzionalnih slik iz dveh kamer na dveh različnih razglednih točkah, slika 8 [14]. Začne se s prepoznavanjem slikovnih pik, ki ustrezajo isti točki fizičnega prizora, tega opazujeta dve ali več kamer. 3D-pozicijo točke lahko nato določimo s triangulacijo, z uporabo žarka iz vsake kamere [14]. Več kot je identificiranih ustreznih slikovnih pik, več je 3D-točk, ki jih je mogoče določiti z enim naborom slik. Korelacijske stereo metode poskušajo pridobiti korespondenco za vsako slikovno piko stereo slike, kar ima za posledico več deset tisoč 3D-vrednosti, ustvarjenih za vsako stereo sliko [14]. 15

29 Slika 8: Delovanje stereo vida. Zgoraj desno je vid kamere A, spodaj desno pa vid kamere B [15]. Ekstrakcija razdalje v stereo vidu temelji na triangulaciji med dvema senzorjema, katerih osnovna črta (B) in goriščna ravnina (f) sta znani (slika 9). Neskladje ključni parameter vseh metod triangulacije se izračuna s predelavo slik obeh senzorjev (algoritem popravljanja in ujemanja) ter ekstrakcijo korespondence [15]. Obseg največje zaznane globine je sorazmeren osnovni črti (B) in ločljivosti senzorja. Končna ločljivost globine je omejena predvsem z napakami ujemanja in umerjanja [15]. 16

30 Slika 9: Delovanje stereo vida, kot je omenjeno v zgornjem besedilu [15]. Ultrazvočni senzorji za zaznavanje objektov (sonar) Ultrazvočni senzorji (slika 10) oddajajo visokofrekvenčne zvočne impulze (običajno 40 khz), ti se omejijo s časovnim oknom, ki ga potrebujemo, da se odmev zvoka odbije nazaj. Ultrazvočni senzor ima oddajni in sprejemni pretvornik. Prvi ultrazvočne valove oddaja, drugi pa jih sprejema. Hitrost zvoka je v zraku približno 341 metrov na sekundo. Ultrazvočni senzor s pomočjo hitrosti zvoka in časovne razlike med pošiljanjem in sprejemanjem zvočnega impulza (čas potovanja od oddajnika do predmeta in nazaj) določi razdaljo do predmeta. Uporablja naslednjo enačbo [14]: s = v t/2 s razdalja do tarče v hitrost zvoka t čas Delitev z 2 je potrebna, ker mora zvočni val potovati do predmeta in nazaj. 17

31 Slika 10: Ultrazvočni senzor [16]. Večina dronov uporablja ultrazvočne senzorje na dnu drona za zaznavanje oddaljenosti od tal in sledenje terena. Ultrazvok se uporablja tudi na drugih področjih. Ultrazvočne naprave so uporabne za zaznavanje predmetov in merjenje razdalj. V medicini se pogosto uporabljajo za ultrazvočno slikanje ali sonografijo. Pri nedestruktivnem testiranju izdelkov in struktur se ultrazvok uporablja za odkrivanje nevidnih napak [14]. Izraz sonar se uporablja za opremo, ki se uporablja za ustvarjanje in sprejemanje zvoka. Akustične frekvence, ki se uporabljajo v sonarnih sistemih, se razlikujejo od zelo nizkih infrazvočnih do izjemno visokih ultrazvočnih [14]. Svetlobni senzorji časa preleta (ToF Time-of-Flight) za preprečevanje trkov Kamera ali senzor časa preleta (ToF Time-of-Flight) je sestavljen/-a iz leče, integriranega vira svetlobe, senzorja svetlobe in vmesnika. Sposoben/-na je hkrati zajeti informacije o globini in intenzivnosti za vsak piksel v sliki, pri velikem številu sličic na sekundo (do 160, kar omogoča merjenje pri visokih hitrostih) [14]. Senzor oziroma kamero časa preleta prikazuje slika

32 Senzorji ToF neposredno zajemajo globino, kar omogoča uporabo relativno preprostih algoritmov za izogibanje oviram. Kamere ToF so tudi zelo natančne. Kamere za merjenje časa preleta imenujemo tudi "Flash Lidar", vendar te tehnologije ne smemo zamenjevati z Lidarjem, o katerem bomo razpravljali v nadaljevanju. ToF-kamera deluje na naslednji način: osvetli celoten prizor, vključno s predmeti, ki uporabljajo impulzni ali neprekinjeni vir svetlobe, in nato opazuje odbojno svetlobo. Izmeri čas preleta svetlobnega impulza od oddajnika do objekta, kjer se ta odbije, in nazaj. Ker je hitrost svetlobe znana, je razdaljo do vseh točk na oviri preprosto izračunati. Rezultat teh izračunov je 3D-zemljevid globine, ustvarjen v enem posnetku območja ali scene. To je najhitrejša tehnologija za zajem 3D-prostorskih informacij [14]. Slika 11: Senzor preleta Flash lidar [17]. 19

33 Infrardeči senzorji za zaznavanje ovir Infrardeči (IR) senzorji za zaznavanje ovir delujejo po principu infrardečega odseva za zaznavanje ovir. IR-senzor večinoma sestavljajo infrardeči oddajnik, infrardeči sprejemnik in elektronsko vezje. Če ni ovire, oddajni infrardeči žarek oslabi z razdaljo in praktično izgine. Če ovira obstaja in infrardeči žarek nanjo naleti, se žarek odbije nazaj v sprejemnik. Nato infrardeči sprejemnik zazna ta signal in potrdi oviro spredaj [14]. Primer IR-senzorja za mikrokrmilnik Arduino prikazuje slika 12. IR-senzor ni občutljiv na vidno svetlobo, deluje z določeno IR-valovno dolžino (frekvenco), ki jo proizvaja oddajnik. Slika 12: Preprost IR-senzor (modul) za Arduino [18]. Uporaba Lidarja za zaznavanje ovir Senzor Lidar izračuna razdaljo in zazna predmet tako, da iz znane hitrosti svetlobe izmeri čas, potreben za potovanje kratkega laserskega impulza, ki potuje od Lidarja do predmeta 20

34 in nazaj. Vrhunski senzorji izjemnega dometa, kot je senzor Velodyne Lidar podjetja Velodyne, ki se uporablja v Googlovih samovozečih avtomobilih, združujejo več laserskih/detektorskih parov (do 64) v en senzor, pri čemer vsak lahko pulzira pri 20 khz. To omogoča merjenje do 1,3 milijona podatkovnih točk na sekundo [14]. Primer lidarja prikazuje slika 13. Slika 13: Senzor Lidar Vu8 podetja LeddarTech [19]. Monokularni senzorji vida Monokularni senzorji zajemajo slike s kamero, ki ima samo en objektiv. Gre za 3D-globinsko rekonstrukcijo iz ene same fotografije. Globinska percepcija je sposobnost videti stvari v treh dimenzijah in nato presoditi razdaljo. Tudi ljudje uporabljamo globinske informacije pri gledanju slik za določanje razdalje med predmeti. Globinski znaki so lahko daljnogledni ali monokularni [14]. 21

35 Primer monokularne slike je linearna perspektiva. Na fotografiji železniških tirov, ki segajo v daljavo, se zdi, da se vzporedne črte tirnic približujejo. To nam omogoča vizualno zaznavo razdalje. Drug primer je ogled dveh objektov, ki sta enaka. Objekt, ki je dlje, bo videti manjši, čeprav je iste velikosti [14]. Monokularne kamere so precej priljubljene in poceni. Algoritmi, ki se uporabljajo za interpretacijo slikovnih podatkov, omogočajo, da kamere z monokularnim vidom ustvarijo 3D-slike, določijo razdaljo med predmeti in zaznajo ovire [14]. V zelo poenostavljeni razlagi algoritem primerja sliko, ki jo je zajel senzor monokularne kamere vida, s svojimi slikovnimi globinami. Sliši se zelo preprosto. Vendar pa je za doseganje odkrivanja ovir s pomočjo monokularnih kamer vida bilo potrebnih kar nekaj izjemnih raziskav [14] Stabilizacija z žiroskopom, krmilnik letenja ter pospeškometer Da bi brezpilotna letala brez težav in nemoteno letela, so bistvenega pomena: enota z merilnikom pospeška IMU (Inercial Measurement Unit), žiroskopska stabilizacija in tehnologija krmilnika leta. Droni danes uporabljajo tri- in šestosno žiroskopsko stabilizacijsko tehnologijo za zagotavljanje navigacijskih informacij krmilniku leta, ki omogočajo lažje in varnejše letenje brezpilotnih letal. Stabilizacijska tehnologija žiroskopov je eden najpomembnejših sestavnih delov, ki omogoča, da je let brezpilotnega letalnika izjemno gladek tudi v močnem vetru in sunkih [20]. Izjemna stabilizacija letenja in navigacija omogočata dronu izdelavo vrhunskih 3D-fotogrametričnih zemljevidov in lidarskih posnetkov. Najnovejši droni uporabljajo integrirane gimbale, ki vključujejo tudi vgrajeno stabilizacijsko tehnologijo žiroskopov, kar omogoča, da je vgrajena kamera ali senzor praktično brez vibracij. To nam omogoča zajem popolnih fotografij in filmov iz zraka [20]. 22

36 Žiroskopska stabilizacija drona Glavna naloga žiroskopske tehnologije je izboljšati stabilnost in s tem zmožnost letenja brezpilotnih letal. Strojna oprema drona, programska oprema in algoritmi sodelujejo pri izboljšanju vseh vidikov leta, vključno s popolnim lebdenjem ali hitrimi kotnimi zasuki. Dron s šestosnim gimbalom posreduje informacije IMU ter krmilniku leta za izboljšanje stabilnosti leta. Žiroskopska stabilizacija se mora, da bi se dron stabiliziral, skoraj nenadno odzivati na sile, ki delujejo nanj (gravitacija, veter itd.). Žiroskop zagotavlja bistvene navigacijske (stabilizacijske) podatke sistemu centralnega krmilnika leta za potrebe stabilizacije [20]. Inercijska merilna enota Inercijska merilna enota ali IMU (Inercial Measurement Unit) deluje tako, da z enim ali več merilniki pospeška zazna trenutno stanje vektorja pospeška. IMU zazna tudi spremembe v rotacijskih lastnostih, kot so nagib, zavijanje in zasuk z uporabo enega ali več žiroskopov. Nekatere IMU na dronih vključujejo magnetometer, večinoma za pomoč pri orientaciji. Vgrajeni procesorji nenehno preračunavajo trenutni položaj drona [20]. Za letenje v poljubno smer krmilnik leta zbira podatke IMU o trenutni poziciji, nato pa nove krmilne podatke pošlje elektronskim regulatorjem hitrosti motorjev (ESC Motor Electronic Speed Controllers), da dosežejo potrebno raven potiska in hitrost, ki jo dron potrebuje za letenje ali lebdenje [20]. Primer IMU prikazuje slika

37 Slika 14: IMU vesoljske ladje Apollo [21]. Žiroskopska stabilizacija dronov Da bi razumeli vlogo žiroskopske stabilizacije, je pomembno vedeti, da na dron deluje več sil, ki prihajajo iz različnih smeri. Te sile, kot so sila teže in sile vetrov, vplivajo na nagib, dvig in zavijanje drona, zaradi česar ga je zelo težko nadzorovati [20]. Integrirani žiroskopi lahko skoraj trenutno zaznajo spremembo položaja drona in ga kompenzirajo tako hitro, da se položaj zdi nespremenjen. Sodobni žiroskopi so izdelani s sestavnimi deli velikosti od 1 do 100 mikrometrov in pogosto vključujejo senzorje položaja za več osi v enem paketu [20]. 24

38 Triosna ali šestosna žiroskopska stabilizacija Triosni žiroskopi merijo hitrost vrtenja okoli treh osi: dvig, nagib in zavijanje, slika Nagib: rotacija okoli osi spredaj-zadaj. 2. Dvig: rotacija okoli osi med stranema. 3. Zavijanje: rotacija okoli navpične osi [20]. Slika 15: Rotacije kvadrokopterja. Nagib (roll), dvig (pitch) in zavijanje (yaw) [22]. Kaj torej predstavljajo tri dodatne osi, ki jih merimo s šestosnim žiroskopom? Obstajajo samo tri možne osi, ki jih lahko upošteva žiroskop. Zato se se izraz šestosni žiroskop dejansko nanaša na integriran sistem, ki je sestavljen iz 3D-žiroskopa (tri osi) in 3D-pospeškometra, zelo redko na pospeškometer s 3D-kompasom [20]. 25

39 3D-pospeškometer Funkcija 3D-pospeškometra je merjenje pospeškov drona. Deluje z isto tehnologijo, ki jo uporabljajo žiroskopi, to je MEMS- (Micro Electro-Mechanical Systems) tehnologijo. Te drobne elektro-mehanske strukture se lahko povežejo z elektroniko, kar inženirjem omogoča, da na izjemno majhni prostornini izdelujejo pospeškometre, žiroskope in magnetometre [20]. Slika 16: 3D-pospeškometer, 3D-žiroskop ter 3D-magnetometer proizvajalca STMicroelectronics [23]. Mikroelektromehanski sistemi (MEMS) lahko namestijo mikroskopske premikajoče se komponente in elektroniko na en čip, tako da lahko sodelujejo v racionaliziranem, kompaktnem sistemu [24]. Primer takega izdelka prikazuje slika

40 Slika 17: Primer površja MEMS [24]. prednosti 6-osne žirostabilizacije Kombinacija 3D-žiroskopa s 3D-pospeškometrom omogoča šestosnemu žiroskopu merjenje dela statičnega pospeška zaradi gravitacije in tudi dela dinamičnega pospeška. Ti dve meritvi nam pomagata določiti kot nagiba naprave in ugotoviti, kako se naprava premika [20]. Kot rezultat so droni s to vrsto žiroskopov veliko stabilnejši, kar je dobro predvsem za začetnike, ki se šele učijo letenja. Hitro se odzovejo tudi na kakršne koli nepričakovane sile, ki vplivajo na gibanje drona, kot so sunki vetra, s čimer potencialno preprečijo, da bi se dron zrušil [20]. 27

41 3.1.4 Smer vrtenja motorjev ter zasnova propelerjev Princip letenja kvadrokopterja Vsak pomik na ročnem daljinskem upravljalniku pošlje signale centralnemu krmilniku leta, ta nato ustrezne podatke pošlje elektronskemu krmilniku hitrosti (ESC Electronic Speed Controller) vsakega motorja, ki svoj motor usmeri k povečanju ali zmanjšanju hitrosti [25]. Imamo naslednji tok podatkov in učinkovanj: Pomik na daljinskem upravljalniku Centralni krmilnik letenja Vezja elektronskega krmilnika hitrosti (ESCs) Motorji in Propelerji Gibanje ali lebdenje kvadrokopterja [25]. Centralni krmilnik letenja Osrednji krmilnik letenja, tudi če je ta na kvadrokopterju, prevzame informacije iz IMU, žiroskopa, GPS-modulov in senzorjev za zaznavanje ovir. Izračunava parametre leta, nato pa izračunane parametre pošlje elektronskim regulatorjem hitrosti. Pravzaprav večina krmilnikov letenja poleg IMU, GPS in žiroskopa vključuje še veliko več funkcij za nadzor leta in stabilnost kvadrokopterja. Pogosto imajo dva IMU zaradi redundance in drugih varnostnih funkcij, kot je vrnitev domov [25]. Vezje elektronski regulator hitrosti Vsak motor kvadrokopterja ima vezje, imenovano elektronski regulator hitrosti ESC (Electronic Speed Control). Elektronski regulator hitrosti je elektronsko vezje, ki spreminja hitrost, smer vrtenja in zavira elektromotor. Elektronski regulatorji hitrosti so bistvena komponenta sodobnih kvadrokopterjev. Motorjem ponujajo visokofrekvenčno, trifazno napajanje z visoko ločljivostjo, obenem so ti ESC majhni in kompaktni. Kvadrokopterji in droni so popolnoma odvisni od motorjev, ki poganjajo propelerje [25]. 28

42 Navpičen dvig kvadrokopterja Da se kvadrokopter dvigne v zrak, je treba ustvariti silo, ki je večja ali enaka sili gravitacije. Vrtenje lopatic propelerja kvadrokopterja v pravi smeri potiska zrak navzdol, sila reakcije pa potiska kvadrokopter navzgor [25]. Dron lahko izvaja tri aktivnosti v navpični smeri: lebdi, se dviguje ali spušča. 1. Lebdenje: če želimo, da dron lebdi, mora biti vsota sil vseh štirih motorjev navzgor enaka gravitacijski sili, ki ga vleče navzdol. 2. Dvigovanje: s povečanjem potiska (hitrosti propelerjev) mora biti vsota sil vseh štirih rotorjev kvadrokoptorjev večja od teže in gravitacije. 3. Spuščanje: Spuščanje navzdol zahteva zmanjšanje potiska (hitrosti rotorjev), tako da vsota sil deluje navzdol [25]. Smer vrtenja motorjev za zavijanje Zavijanje je odklon ali vrtenje glave kvadrokopterja desno ali levo. Vzemimo za primer dron podetja DJI, model Mavic Pro. Kroženje nadzira desna krmilna palica na daljinskem upravljalniku. Če premaknemo palico levo ali desno, se bo kvadrokopter zasukal levo ali desno. Premik na daljinski krmilni postaji pošilja signale krmilniku letenja, ta nato pošlje podatke kvadrokopterjevim ESC-vezjem, ki nadzorujejo konfiguracijo smeri vrtenja motorjev (propelerjev) in njihove hitrosti [25]. Za boljše razumevanje si bomo ogledali konfiguracijski diagram propelerjev kvadrokopterja podjetja DJI, model Phantom 3, gledano od zgoraj, z oznakami rotorjev od 1 do 4 [25], slika

43 Slika 18: Konfiguracija smeri vrtenja propelerjev [25]. V zgornjem diagramu vidimo konfiguracijo motorjev kvadrokopterja, pri katerem se dve četrtini motorjev vrtita v nasprotni smeri urnega kazalca (CCW motorji Counter Clock Wise), dve četrtini motorjev pa se vrtita v smeri urnega kazalca (CW motorji Clock Wise). Z dvema paroma motorjev, ki sta konfigurirana z vrtenjem v nasprotnih smereh, je skupni kotni moment enak nič [25]. Konceptualno si je vztrajnostni kotni moment možno predstavljati kot odpornost objekta na spremembe kotne hitrosti. Če na motorjih ni navorov (momentov), mora skupni kotni moment ostati enak nič. Če torej želimo razumeti kotno gibanje zgornjega kvadrokopterja, si poglejmo rotorja 2 in 4 (modra), ki sta v nasprotni smeri urnega kazalca in imata pozitiven kotni moment, ter motorja 1 in 3 (zelena) z negativnim kotnim momentom. Vsakemu motorju na primer dodelimo ustrezne vrednosti momentov 4, + 4, 4, + 4, kar je skupaj enako nič [25]. 30

44 Če želimo zasukati dron v desno, moramo zmanjšati kotno hitrost motorja 1, da ima kotni moment namesto 4 na primer 2. Tako bi skupni kotni moment kvadrokopterja znašal + 2. Dron se bo vrtel v smeri urnega kazalca, tako bo telo drona imelo kotni moment 2. Zmanjšanje vrtenja rotorja 1 je povzročilo vrtenje drona, vendar tudi druge težave. Zmanjšal se je namreč tudi vertikalni potisk motorja 1, kar povzroči, da se kvadrokopter spušča in postane neuravnotežen. Kvadrokopter se bo obrnil navzdol v smeri motorja 1. Če želimo vrteti dron brez ustvarjanja neravnovesja, moramo zmanjšati vrtenje motorjev 1 in 3 ter povečati vrtljaje na rotorjih 2 in 4. Kotni moment rotorjev ni nič, zato se telo drona vrti. Vendar je skupna dvižna sila enaka gravitacijski sili, kar povzroči, da dron še naprej lebdi. Ker so rotorji potiska diagonalno nasprotni drug drugemu, je dron še vedno uravnotežen [25]. Smeri vrtenja motorjev za gibanje naprej ali vstran Ker je večina kvadrokopterjev simetričnih, ni razlike med premikanjem naprej ali nazaj ali v stranski smeri. Za letenje naprej je treba povečati vrtljaje motorjev 3 in 4 (zadnja motorja) ter zmanjšati hitrosti rotorjev 1 in 2 (prednja motorja). Skupna navpična potisna sila bo ostala enaka teži, zato bo dron ostal na isti višini [25]. Ker se eden od zadnjih rotorjev vrti v nasprotni smeri urnega kazalca, drugi pa v smeri urnega kazalca, bo povečano vrtenje teh motorjev še vedno dajalo ničelni navor. Enako velja za prednja rotorja, kar povzroči, da se dron ne vrti [25]. Vendar pa večja dvižna sila v zadnjem delu drona pomeni, da se bo nagibal naprej. Rahlo povečanje potiska za vse rotorje ustvari vsoto potisnih sil, ki imajo komponento za uravnavanje teže in komponento gibanja naprej [25]. 31

45 3.1.5 Ustvarjanje 3D-zemljevidov in modelov s pomočjo fuzije senzorjev (Sensor Fusion) Senzorji lidar, multispektralne kamere in senzorji fotogrametrije se uporabljajo za izdelavo 3D-modelov stavb in pokrajin. Senzorji nočnega vida pri nizki svetlobi in senzorji toplotnega vida (termični vid) se uporabljajo na dronih za pregledovanje stavb in pokrajin, za pomoč v kmetijstvu, gasilstvu, pri iskanju in reševanju. Droni lahko nosijo skupaj z različnimi senzorji programsko opremo, ki združuje podatke za doseganje boljših rezultatov. Ta tehnologija je znana kot fuzija senzorjev (podatkov) in deluje na spodaj opisani način [11]. Sensor Fusion je programska oprema, ki inteligentno združuje podatke iz več različnih senzorjev, kot so termalne kamere in običajne RGB-kamere za izboljšanje delovanja aplikacij ali sistema. Združevanje podatkov iz več senzorjev tudi popravi napake posameznih senzorjev za izračun natančnih informacij o položaju in orientaciji [11]. Na primer, multispektralni senzorji na dronih lahko ustvarijo digitalne višinske zemljevide površin, DEMS (Digital Elevation Maps), da zagotovijo natančne podatke o zdravju pridelkov, cvetja, favne, grmovja in dreves [11]. Leta 2016 so na trg prišli droni, ki uporabljajo senzorje časa preleta, senzorji ToF (Time-of- Flight), znani tudi kot "Flash Lidar", ki se lahko uporabljajo samostojno ali z RGB-kamerami (senzorji) in navadnimi senzorji lidar za zagotavljanje različnih rešitev po sektorjih uporabe [11]. Globinski senzorji ToF se lahko uporabljajo za skeniranje predmetov, navigacijo znotraj prostorov, izogibanje oviram, prepoznavanje gest, sledenje predmetom, merjenje obsega, reaktivne višinometre, 3D-fotografijo, igre z razširjeno resničnostjo in še veliko več [11]. 32

46 Kamere Flash Lidar ToF imajo ogromno prednost pred drugimi tehnologijami, saj lahko v enem posnetku izmerijo razdaljo do predmetov v celotnem prizoru. Za kartiranje s pomočjo lidarja in fotogrametrije je UAV programiran tako, da samostojno leti po območju, pri čemer uporablja navigacijo s smernimi točkami. Kamera na dronu bo fotografirala v intervalih na 0,5 sekunde ali 1 sekundo. Te fotografije so nato ''zlepljene'' s pomočjo programske opreme za fotogrametrijo, s katero ustvarjamo 3D-slike [11] Napajanje in platforma Majhni UAV večinoma uporabljajo elektromotorje in litij-polimerne baterije (Li-Po), medtem ko se večja plovila zanašajo na običajne letalske motorje. Trenutno je energijska gostota baterij Li-Po precej manjša od energijske gostote bencina. Električna izvedba za let porabi manj energije (boljši izkoristek elektromotorjev), elektromotorji pa so tudi tišji. Prav tako je pomembno pravilno razmerje med silo potiska in težo električnega ali bencinskega motorja, ki poganja propeler, saj mora omogočiti lebdenje in vzpenjanje. Električno vezje za izločanje akumulatorja, BEC (Battery elimination circuitry) se uporablja pri centralnem razdeljevanju energije in pogosto vsebuje mikroprocesorsko kontrolno enoto MCU (Micro Control Unit). Dalj trajajoči odklopi baterije BEC zmanjšajo ogrevanje na platformi [9]. 33

47 3.1.7 Programska oprema Programska oprema za brezpilotne letalnike se imenuje flight stack ali avtopilot. UAV vsebujejo sisteme, ki delujejo v realnem času in zahtevajo hitro odzivanje na spreminjanje podatkov iz senzorjev. Primeri vključujejo aplikacije z mikrokrmilniki Raspberry Pi, Beagleboards itd., ki delujejo z operacijskimi sistemi NavIO PXFMini... ali pa so zasnovani s popolnoma namenskimi operacijskimi sistemi, kot so Nuttx, preemptive-rt Linux, Xenomai, operacijski sistem Orocos-Robot ali DDS-ROS 2.0 [9]. Tabela 3: Pregled programskih oprem Flight stack [9]. Plast Zahteva Operacije Primer Firmware časovno-kritično od strojne kode do izvedbe procesorja, dostopa do pomnilnika Middleware časovno-kritično nadzor letenja, navigacija, radijsko upravljanje Operacijski sistem računalniškointenzivno optični tok, izogibanje oviram, SLAM, odločanje ArduCopter-v1, px4 Cleanflight, ArduPilot ROS, Nuttx, Linux distribucije, Microsoft IOT 34

48 3.1.8 Regulacijske zanke UAV uporabljajo odprto-zančne, zaprto-zančne ali hibridne krmilne arhitekture. Odprta zanka. Zagotavlja pozitiven regulacijski oziroma krmilni signal (hitreje, počasneje, levo, desno, gor, dol), ne da bi vključila povratni vpliv senzorjev [9]. Zaprta zanka. Vključuje povratne informacije izhodnih senzorjev reguliranih veličin, da stabilizira vedenje oziroma gibanje. Pogosto se uporablja proporcionalno-integralnodiferencialni (PID) krmilnik. Včasih uporabljajo regulator s podajanjem (krmiljenjem) naprej (feedforward) [9]. Primer sheme vodenja prikazuje slika 19. Slika 19: Tipičen primer regulacijske zanke letenja multikopterja [9]. 35

49 3.1.9 Komunikacija Večina UAV uporablja radiofrekvenčne signale (RF) za daljinsko upravljanje in izmenjavo video in drugih podatkov. Zgodnji UAV so imeli le ozkopasovno povezavo. Pozneje so prišle povezave na daljše razdalje. Dvosmerne ozkopasovne radijske povezave so oddaljenemu operaterju omogočale vodenje in regulacijo (C&C Command and Control) ter telemetrične podatke o stanju letalskih sistemov. Za zelo dolge lete vojaški UAV uporabljajo tudi satelitske sprejemnike kot del satelitskih navigacijskih sistemov. Za primer, ko je potreben prenos video signala, imajo UAV ločeno analogno ali digitalno video radijsko povezavo. Širokopasovne povezave lahko izkoristijo prednost, da lahko optimizirajo promet C&C za doseganje nizkih zakasnitev (latence). Običajno širokopasovne povezave prenašajo TCP/IP-promet po internetu [9]. Načini pošiljanja/sprejemanja radijskih signalov operaterja Zemeljska kontrola: človek, ta upravlja z radijskim oddajnikom/sprejemnikom, pametnim telefonom, tabličnim računalnikom, računalnikom oziroma zemeljskimi nadzornimi postajami (GCS ground control station ). Pred kratkim je bil prikazan nadzor s pomočjo človeških gibov, kretenj ali človekovih možganskih valov. Oddaljeni omrežni sistem, na primer satelitske dvostranske podatkovne povezave za nekatere vojaške sile. Na trg je vstopil prenos digitalnega videa preko mobilnih omrežij, medtem ko so bili demonstrirani nesporedni sistemi za nadzor in povezljivost preko mrež mobilnih ponudnikov, na primer LTE (Long Term Evolution). S pomočjo drugega plovila, ki deluje kot satelitska ali mobilna kontrolna postaja. Vojaško združevanje s posadko ali brez nje (MUM-T Military Unmanned-Manned- Teaming). Protokol MAVLink postaja vse bolj priljubljen za prenašanje ukazov in krmiljenja med zemeljskim nadzorom in vozilom [9]. 36

50 4. UPORABLJENI DRON IN ESP8266 NodeMCU V tem poglavju si bomo pogledali ESP8266-modul in na kratko predstavili dron oz. brezpilotni letalnik, s katerim smo izvajali teste. Poskusili bomo motiti komunikacijo med dronom ter upravljalno napravo. Rešitev bomo predstavili po korakih. 4.1 Modul ESP8266 NodeMCU Brezžična lokalna omrežja in Internet stvari, IoT (Internet of Things), imajo velik pomen v svetu komunikacij. Fizične stvari in digitalni svet so dandanes povezane bolj kot kadarkoli prej. Za to je podjetje Espressif Systems (podjetje iz polprevodnikov s sedežem v Šanghaju) izdelalo zelo ugoden mikrokontroler ESP8266, ki podpira lokalno omrežje Wi-Fi po standardu IEEE 8011b/g/n. Z njim lahko na daljavo nadziramo in kontroliramo ostale elektronske sisteme v omrežju ali kjerkoli po svetu, če imamo povezavo s svetovnim spletom (internet) [26]. Fotografijo našega modula prikazuje slika 20. Slika 20: Fotografija našega modula ESP8266 NodeMCU [lasten vir]. 37

51 ESP-12E čip Razvojna ploščica vsebuje čip ESP-12, ki ima 32-bitni mikroprocesor Tensilica Xtensa LX106 RIS in deluje na taktni frekvenci, ki je nastavljiva od 80 MHz do 160 MHz ter podpira operacijski sistem realnega časa RTOS (Real Time Operating system) [26]. Pogled razvojnega modula od spodaj ter položaj čipa ESP8266 in antene prikazuje slika 21. Slika 21: Položaj čipa ESP-12E in antene Wi-Fi [26]. Na modulu je na voljo tudi 128 KB pomnilnika RAM in 4 MB hitrega (flash) pomnilnika (za shranjevanje programov in podatkov), dovolj za obvladovanje velikih nizov, ki sestavljajo spletne strani, podatke JSON/XML in vse, kar danes potrebujemo za IoT naprave [26]. ESP8266 ima integriran oddajnik/sprejemnik Wi-Fi b/g/n HT40, tako da ne le, da se se lahko poveže z omrežjem Wi-Fi in komunicira z internetom, ampak lahko vzpostavi tudi svoje omrežje in drugim napravam omogoča neposredno povezavo. Zaradi tega je ESP8266 NodeMCU še bolj vsestranski [26]. 38

52 Slika 22: Električna shema ESP-12E modula Wi-Fi [35]. 39

53 Napajanje Ker je razpon delovne napetosti ESP8266 od 3 V do 3,6 V, je ploščica opremljena z LDO regulatorjem napetosti, da je napetost na njegovem izhodu konstantna 3,3 V. Zanesljivo lahko napaja porabnike do 600 ma, kar bi moralo biti več kot dovolj, ko ESP8266 med RF-oddajanjem porabi kar 80 ma. Izhod regulatorja je označen kot 3V3. Ta pin se lahko uporablja za napajanje zunanjih komponent [26]. Priključne sponke razvojnega modula prikazuje slika 23. Slika 23: Pozicija posameznih priključnih sponk [26]. Zunanje napajanje modula ESP8266 MCU poteka prek konektorja MicroB USB. Če imamo reguliran 5V napetostni vir, lahko VIN pin uporabimo za direktno napajanje modula in njegovih zunanjih naprav [26]. 40

54 Zunanje naprave in vhodno-izhodni pini I/O ESP8266 NodeMCU ima skupaj 17 multipleksiranih splošnih vhodno-izhodnih pinov GPIO (General Purpose Input Output), ki so razdeljeni po obeh straneh razvojne ploščice, slika 24. Posameznemu pinu lahko dodelimo nalogo, ki jo ta opravlja za zunanjo napravo, na primer: ADC-kanal 10-bitni kanal analogno-digitalnega pretvornika, ADC-kanal. UART-vmesnik UART-vmesnik se uporablja za serijsko nalaganje kode. PWM-izhodi PWM-pini (s pulzno širinsko moduliranimi signali) za LED-osvetlitve ali krmiljenje motorjev. Vmesnik SPI, I2C vmesniki serijskih komunikacij SPI in I2C za priklop vseh vrst senzorjev in perifernih naprav. Vmesnik I2S vmesnik I2S, če želimo projektu dodati zvok [26]. Slika 24: Pozicija multipleksiranih GPIO-pinov [26]. Zahvaljujoč funkciji multipleksiranja je več perifernih naprav multipleksiranih na enem GPIO-pinu. To pomeni, da en GPIO-pin lahko deluje kot PWM/UART/SPI [26]. 41

55 Vgrajena stikala in LED-indikatorji ESP8266 NodeMCU ima dva gumba. Prvi, označen z RST v zgornjem levem kotu, je namenjen za resetiranje (ponastavitev) čipa ESP8266. Drugi gumb FLASH pa se nahaja v spodnjem levem kotu in je gumb za hiter prenos. Uporablja se pri nadgradnji strojne in programske opreme [26]. Slika 25: Pozicija posameznih gumbov in LED-indikatorja [26]. Vezje ima tudi LED-indikator, ki ga lahko sprogramira uporabnik in je povezan z D0-pinom mikrokrmilnika ESP8266 [26]. 42

56 Serijska komunikacija Plošča vključuje CP2102 USB-to-UART ''mostični krmilnik'' (bridge controller) podjetja Silicon Labs, ki pretvori USB-signal v serijski UART-signal ter računalniku omogoča programiranje in komunikacijo s čipom ESP8266 [26], slika 26. Slika 26: Pozicija mostičnega krmilnika CP2102 [26]. 43

57 Pregled pinov modula ESP8266 NodeMCU ESP8266 NodeMCU ima skupno 30 pinov, ki ga povezujejo z zunanjim svetom. Priključki so prikazani na sliki 27. Slika 27: Pini in njihove funkcije [26]. Zaradi preprostosti bomo pine razdelili v skupine s podobnimi funkcionalnostmi. 44

58 Napajalni pini Vezje vsebuje štiri napajalne pine, VIN-pin in tri 3.3V pine. VIN-pin lahko uporabimo za neposredno napajanje modula in njegovih perifernih naprav, če imamo reguliran 5V napetostni vir. 3.3V pini so izhod regulatorja napetosti na modulu. Ti pini se lahko uporabijo za napajanje zunanjih komponent. GND Je ozemljitveni pin ESP8266-modula. Pini I2C se uporabljajo za priklop vseh vrst senzorjev in perifernih naprav po vodilu I2C. Podprta sta I2C Master (gospodar) in I2C Slave (suženj). Funkcionalnost vmesnika I2C je mogoče realizirati programsko, taktna frekvenca pa je lahko največ 100 khz. Treba je opozoriti, da mora biti taktna frekvenca I2C višja od najpočasnejše taktne frekvence pomožne Slave (suženjske) naprave. GPIO-pini NodeMCU ima 17 splošnih vhodno-izhodnih pinov GPIO, ki jim je mogoče dodeliti različne funkcije, kot so I2C, I2S, UART, PWM, IR-daljinski upravljalnik, LED-lučka in gumb. Vsak GPIO-pin lahko digitalno nastavimo oziroma konfiguriramo kot interni pullup ali pull-down ali na visoko impedanco. Ko konfiguriramo pin kot vhod, ga lahko nastavimo tudi kot edge-trigger (proženje na rob signala) ali level-trigger (proženje na nivo signala), ki proži prekinitve centralne procesorske enote (CPU). ADC-kanal NodeMCU ima vgrajen analogno-digitalni pretvornik (ADC) z uporabo registra zaporednega približevanja SAR ADC (Successive-approximation-register Analog to Digital Converter) z 10-bitno resolucijo. Možno je izvesti testiranje napajalne napetosti na pinu VDD3P3 in testiranje vhodne napetosti na pinu TOUT, vendar ne hkrati. UART-pini ESP8266 NodeMCU ima dva vmesnika UART, to sta UART0 in UART1, ki zagotavljata asinhrono serijsko komunikacijo (RS232 in RS485) in lahko komunicirata s hitrostjo do 4,5 Mbps. Za dvosmerno komunikacijo lahko uporabimo pin UART0 (pini TXD0, RXD0, RST0 in CTS0), pa tudi UART1 (pin TXD1), ki pa omogoča samo signal za pošiljanje podatkov, zato se običajno uporablja za izpisovanje logov (bajtov). 45

59 SPI-pini ESP8266 odlikujeta dva serijska periferna vmesnika SPI (Serial Perifer Interface) v stanju ''slave (suženj)'' ali ''master (gospodar)''. Podprte so naslednje splošne značilnosti vmesnika SPI: štirje časovni načini prenosa formata SPI, ura do 80 MHz in porazdelitev 80MHz ure, do 64 bajtov pomnilnika FIFO (First Input First Output). SDIO-pini Vezje ima varen (secure) digitalni vhodno-izhodni vmesnik (SDIO), ki se uporablja za neposredeno uporabo SD-kartic. Podprta sta 4-bitni 25MHz SDIO v1.1 in 4-bitni 50MHz SDIO v2.0. PWMpini Modul ima štiri kanale z modulacijo širine pulzov (PWM). PWM-izhod lahko implementiramo programsko in uporabimo za pogon motorjev in LED-naprav. Frekvenčni obseg PWM je nastavljiv od 1 ms do 10 ms, to je med 100 Hz in 1 khz. Krmilni pini se uporabljajo za krmiljenje ESP8266-modula. Slednji vključujejo pin za vzpostavitev omogočanja delovanja čipa EN (Enable), pin za ponastavitev RST (Reset) in pin WAKE (''zbujanja'') [26]. Razvojno okolje modula ESP8266 Obstajajo različna razvojna okolja, ki jih je mogoče uporabiti za programiranje ESP8266-modula. Uporabimo lahko Espruino JavaScript SDK (Software Development Kit) in strojno programsko opremo, ki tesno posnema Node.js ali pa Mongoose OS operacijski sistem za naprave interneta stvari IoT (Internet of Things). Priporočena je platforma od firme Espressif Systems in Google Cloud IoT. Uporabimo lahko tudi komplet za razvoj programske opreme SDK podjetja Espressif [26]. 46

60 4.2 Brezpilotni letalnik PARROT AR.DRONE 2.0 ELITE EDITION V tem delu bomo na kratko povedali nekaj o brezpilotnem letalniku oz. dronu, ki smo ga uporabili za izvajanje testov in meritev. Lastno fotografijo drona prikazuje slika 28. Slika 28: Dron Parrot AR DRONE 2.0 elite edition [lasten vir]. AR.Drone podjetja Parrot (kvadrokopter) nosi dve monokularni kameri, eno spredaj, obrnjeno naprej, in drugo spodaj, obrnjeno navzdol. Navzdol obrnjena kamera se uporablja za oceno stabilizacije drona in hitrosti. Sprednja kamera daje ogromno možnosti za izvajanje algoritmov vida avtonomnega leta in navigacije. Prvotno je bil dron zasnovan kot draga igrača za snemanje videoposnetkov med letom. Sedaj je priljubljena platforma za testiranje algoritmov računalniškega vida pri UAV. Dron ima vgrajen tudi barometer, ultrazvočni senzor razdalje in IMU-vmesnik. Dron lahko neprekinjeno leti približno 12 47

61 minut, ko je popolnoma napolnjen. Uporablja baterije Li-Po. Poganja ga operacijski sistem Robot (ROS). Odprta arhitektura omogoča modularni funkcijski pristop k razvoju programske opreme. Lasten posnetek uporabljenega drona od spodaj prikazuje slika 29. Slika 29: Na spodnjem delu letalnika lahko vidimo monokularno kamero ter oddajnik in sprejemnik ultrazvočnega senzorja razdalje [lasten vir]. 4.3 Deavtentikator Večina komercialno dostopnih dronov komunicira s pomočjo radijskih signalov Wi-Fi. To pomeni, da imamo radijski sprejemnik ter oddajnik, pametni telefon, tablico ali pa kar osebni računalnik. Oddajnik ali radijski oddajnik je elektronska naprava, ki oddaja radijske valove s pomočjo antene. Oddajnik ustvarja radiofrekvenčni izmenični tok, ki teče po anteni in oddaja radijske valove. Wi-Fi je družina tehnologij radijskega brezžičnega omrežja za brezžično lokalno omrežje (WLAN) naprav in omogoča tudi dostop do interneta. Temelji na družini standardov IEEE Najpogosteje uporablja nelicenčne 48

62 (ISM) radijske pasove okrog 2,4 GHz (valovne dolžine 12 cm) UHF in 5 GHz (valovne dolžine 6 cm) SHF. Ti pasovi so razdeljeni v več kanalov. Kanale lahko delimo v omrežju, vendar lahko samo en oddajnik istočasno lokalno oddaja po kanalu. Uporaba modula ESP8266 NodeMCU S pomočjo uporabniške odprte kode (''spacehuhn'') lahko ESP8266-modul pretvorimo v deauther oz. deavtentikator. Dostopno na naslednji povezavi: [27]. Zakaj smo se odloči za deavtentikacijo? Odločitev je bila dokaj preprosta. Jammerji so ponavadi dragi, kompleksni in težko dostopni, po vrhu pa še motijo frekvenco v celotnem danem območju (radiju), medtem ko se z deavtentikatorjem lahko osredotočimo na samo eno specifično tarčo. Deavtentikatorja ni težko implementirati, saj lahko z malo truda spremenimo poljubno napravo (če ima anteno Wi-Fi) v motilec komunikacije oz. deauther. Med pomembnimi faktorji je na odločitev vplivalo prav tako to, da je trenutni standard Wi-Fi zelo pomanjkljivo zasnovan, ima luknje v enkripciji. Tudi če je dostopna točka Wi-Fi zavarovana z geslom, so zavarovani samo podatki, medtem ko upravljalni okvirji»managment frames«so nekriptirani, tudi če uporabljamo varnostni standard WPA2. Managment frames skrbijo za nekatere osnovne naloge, kot je komunikacija med dostopno točko (AP access point) ter upravljalcem (client). Prav tako skrbijo za vhod in izhod naprav iz omrežja. Zaradi teh pomanjkljivosti je možno, da s pomočjo čipa Wi-Fi pošiljamo upravljalne okvirje oziroma deavtentikacijske okvirje do upravljalca (client) in se pretvarjamo, da smo dostopna točka (access point). Zaradi pomanjkljivosti nas bo upravljalec brez težav sprejel, kar bo povzročilo prekinitev njegove povezave. IEEE b/g/n je standard Wi-Fi, ki ga uporabljata naš dron in deauther. 49

63 Deavtentikator izkorišča slabost protokola Wi-Fi (2,4 GHz). Omogoča odstranjevanje naprav iz omrežja, tudi če do njega nimamo dostopa. Wi-Fi običajno pošilja nezašifrirane okvire podatkov, imenovane mangament frames (upravljalni okviri). Ker so ti nešifrirani, četudi omrežje uporablja WPA2 (zaščitni protokol), lahko zlonamerni uporabniki pošljejo ukaze za preverjanje pristnosti naprav, ki povežejo uporabnike izven dostopne točke. Še vedno ostaja upanje za Wi-Fi-verzijo w, ki šifrira upravljalne okvirje. Obstaja že nekaj časa, vendar se proizvajalci ne trudijo in ga ne implementirajo, čeprav bi izboljšali varnost naprav Wi-Fi pred tovrstnimi napadi (deavtentikacijo). Jammer je oddajnik, ki oddaja motilni signal iste radijske frekvence in večje moči, kot sta frekvenca in moč komunikacijskega signala naprave, ki jo želimo motiti. To povzroči interferenco signalov. Z drugimi besedami, Jammer bo na določeni razdalji od sebe (radiju) povzočil motnje komunikacije na vseh napravah enake nosilne frekvence, medtem ko deavtentikator omogoča, da se osredotočimo na eno specifično tarčo (napravo). Oddajniki motilnih signalov so običajno tudi precej dragi, večinoma nezakoniti in jih je zato težko najti oziroma nabaviti, če seveda ne zgradimo svojega. V ta namen bomo v tej nalogi uporabili ESP8266-modul, ki ga bomo spremenili v deavtentikator, saj je rešitev poceni in uporabniku prijazna. 50

64 Drugi tipični primeri brezžičnih napadov: Lažne brezžične naprave: Lažna brezžična naprava ali dostopna točka je nepooblaščena naprava Wi-Fi, dodana v omrežje, ki ni pod upravljanjem omrežnih skrbnikov. Potencialnim napadalcem omogočajo prehod v mrežo. Tovrstno napravo je mogoče zlonamerno namestiti, če ima napadalec neposreden dostop do ožičenega omrežja, vendar jih pogosteje doda osebje, ki se ne zaveda njihovih posledic.»peer-to-peer«napadi: Naprave, ki so povezane z istimi dostopnimi točkami, so lahko ranljive za napade drugih naprav, priključenih na to dostopno točko. Večina ponudnikov ponuja možnost, kot je Izolacija odjemalcev, ta zagotavlja, da odjemalci, povezani v dostopno točko, ne morejo komunicirati drug z drugim, kar prepreči to težavo. Prisluškovanje (Eavesdropping): Pri tej vrsti napada se nadzira brezžična komunikacija. Obstajata dve vrsti prisluškovanja. Prvo, priložnostno prisluškovanje ali včasih imenovano odkritje WLAN je mesto, na katerem brezžični odjemalec aktivno išče brezžične dostopne točke. Druga vrsta je zlonamerno prisluškovanje in je nezakonita. Tu nekdo poskuša poslušati podatke, ki se prenašajo med odjemalci in dostopno točko. Zaradi tega je ključno, da šifriramo omrežja, saj lahko na njem poslušamo vse, kar je nešifrirano. Napadi preverjanja pristnosti (Authentication Attacks): Napadalec prekine izmenjavo okvirjev med odjemalcem, ki se overja z omrežjem, nato pa preprosto izvede napad brez povezave. MAC»Spoofing«: Izvesti ta napad je izjemno lahko. Zaradi tega je uporaba MAC-filtriranja za nadzor tistih naprav, ki se lahko povežejo na omrežje, zelo nevarna. Izkoriščanje upravljalnega vmesnika (Management Interface Exploits): Ta vrsta napada lahko postane težava, če uporabljamo nekatere naprave, kot so brezžični krmilniki, ki nam omogočajo nadzor nad dostopnimi točkami prek spletnih vmesnikov ali dostop do konzole. 51

65 Brezžična ugrabitev (Wireless Hijacking): Zgodi se v situacijah, ko napadalec konfigurira svoj prenosni računalnik tako, da oddaja brezžično dostopno točko, pri čemer uporablja enak SSID kot javno dostopno točko. Zavrnitev storitve (Denial of Service DoS): Ta izraz zajema več različnih stvari. Napadi DoS se lahko pojavijo v različnih plasteh. Napadi 1. stopnje so znani kot napadi RF-motenja (jamming) in so lahko namerni (napadalec generira signal, da namerno povzroča motnje) in nenamerni (naprave, kot so mikrovalovne pečice ali brezžični telefoni, ki povzročajo motnje). Napadi 2. stopnje se lahko zgodijo na več različnih načinov. Na primer, napadalec lahko poplavi AP (dostopno točko) z lažnimi prošnjami za povezavo in razdružitev. Obstajajo rešitve, ki se uporabljajo za zaznavanje tovrstnih napadov in nam omogočajo zaustavitev tovrstnih napadov. Socialni inženiring (Social Engineering): V nasprotju s splošnim prepričanjem največ uspešnih vdorov ne dosežemo s skriptami, programsko opremo ali orodji. Večina se jih pojavi zaradi socialnega inženiringa. To je tehnika, ki se uporablja za manipuliranje ljudi pri izdajanju informacij, kot so računalniška gesla ali informacije, ki bodo napadalcem pomagale zožiti morebitna gesla. Najboljši način za spopadanje s to potencialno grožnjo je zagotoviti, da se ljudje izobražujejo o varnostnih postopkih, kot sta redno spreminjanje gesel in neizmenjava zasebnih podatkov. 52

66 Tabela 4: referenčni model ISO/OSI. ISO/OSI 7 Aplikacijska plast Vmesnik med uporabnikom in OSI-modelom. Tu so definirani protokoli za elektronsko pošto, svetovni splet, prenašanje datotek, časovni protokol. Odgovoren je za prepoznavo sogovornika in sinhronizacijo komunikacije. 6 Predstavitvena plast Zagotavlja različne načine kodiranja in sisteme pretvorb za aplikacijsko plast. Pretvarja podatke, poslane po omrežju, iz ene v drugo obliko, določa sintakso, transformacijo in formiranje podatkov. 5 Plast seje Nadzira komunikacijo med računalniki. Vzpostavlja ter prekinja komunikacijo med lokalnim in oddaljenim računalnikom. Določa vrsto komunikacij (enosmerno, dvosmerno). 4 Transportna plast Definira način prenosa, dolga sporočila razbije na manjše dele. Odkriva in odpravlja napake, multipleksira. 3 Omrežna plast Vzpostavlja, prekinja in vzdržuje povezavo med uporabniki. Izbira pot in skrbi za preklapljanje paketov, zavez ter sporočil. 2 Povezovalna plast Določa enote sporočila, način ugotavljanja napak, kontrola pretoka, podnivo MAC. 1 Fizična plast Predpisuje prenosni medij, po katerem se prenašajo podatki. Definira nivo signala, hitrost prenosa, način zapisa podatkov. Upravljani oziroma deavtentikacijski okvirji delujejo na nivoju dve (povezovalna plast) OSI-modela. 53

67 WLAN-standardi V IEEE so opredeljeni različni standardi. Uporabljajo različne modulacijske tehnologije za doseganje izboljšanih hitrosti podatkov. Tabela 4 prikazuje pregled različnih standardov. Tabela 5: WLAN-standardi znotraj IEEE Standard Frekvenčni pas Prenos podatkov IEEE802.11b 2.4 GHz 11 Mbps IEEE802.11g 2.4 GHz 54 Mbps IEEE802.11a 5 GHz 54 Mbps IEEE802.11h 5 GHz 54 Mbps IEEE802.11n 5 GHz in/ali 2.4 GHz 600 Mbps IEEE802.11b/g IEEE802.11b/g uporablja del 72-MHz pasu od 2,4 GHz. 11 kanalov pasovne širine 22 MHz so opredeljeni tukaj v skladu s pravili zvezne komisije za komunikacije FCC (Federal Communication Commision). Teoretično, ta pasovna širina za teh 11 kanalov omogoča (''znaša'') 242 Mbps (11 22 Mbps). V resnici je to potrebno korigirati,, saj se ti kanali v velikem delu prekrivajo. Na sliki 30 je razvidno, da obstajajo le trije kanali brez prekrivanja: kanal 1, kanal 6 in kanal 11. Slika

68 Slika 30: 2.4 GHz-pasovi za WLAN [38]. ETSI (Evropski inštitut za telekomunikacijske standarde) definira nekoliko širši frekvenčni pas za Evropo, vključno s 13 kanali 22 MHz-pasovne šitine. To načeloma pomeni, da lahko v Evropi uporabimo komaj štiri malo prekrivajoče se kanale. To so kanali 1, 5, 9 in 13. IEEE802.11b podpira maksimalno hitrost do 11 Mbps, IEEE802.11g pa do 54 Mbps. Hitrost se dinamično zmanjša v primeru slabe povezave ali velike razdalje do dostopne točke. Povezovalna plast: Paketno preklapljanje se uporablja za pošiljanje sporočil. Večinoma se uporablja za komunikacijo računalnik računalnik. Naključna količina podatkov v računalniških omrežjih se ne prenaša neprekinjeno. Namesto tega omrežni sistem podatke deli na majhne bloke in pakete, ki se pošljejo ločeno. Taka računalniška omrežja se imenujejo tudi omrežja s paketnim preklapljanjem, slika

69 Slika 31: Paketno preklapljanje [38]. Obstajata dva razloga za izbiro uporabe paketkov: 1) Pošiljatelj in prejemnik morata usklajevati prenos. Če pride do napak pri prenosu, se lahko izgubi veliko podatkov. Če so podatki razdeljeni na manjše bloke (pakete), potem je lažje za pošiljatelja in prejemnika, da ugotovita, kateri bloki so še nepoškodovani ob prihodu in kateri niso. 2) Več računalnikov običajno uporablja iste osnovne povezave in strojno opremo. Omrežje mora zagotoviti, da imajo vsi računalniki enakovreden neposreden dostop do skupnega komunikacijskega objekta. Računalnik ne more zasedati skupnega vira dlje časa, kot je potrebno za pošiljanje enega paketka. Povzeto po: Phoenix Contact, Ethernet Basics Rev. 02 [38]. 56

70 Upravljalec (client) Napadalec Dostopna točka (AP) Prošnja za avtentikacijo Odziv avtentikacije Prošnja za pridružitev Odziv pridružitve Podatki Deavtentikacija Podatki Deavtentikacija Slika 32: Sekvenčni diagram deavtentikacijskega napada Wi-Fi [36]. 57

71 4.3.1 ESP8266-modul kot deavtentikator Potrebujemo kabel za mikro USB-priključek, s katerim priklopimo ESP8266-modul na osebni računalnik (PC). Ko uspešno priklopimo modul, bo na njem zagorela modra lučka. Naslednji korak je, da na PC prenesemo programsko orodje oz. program Flasher, s pomočjo katerega lahko naložimo aplikacijsko programsko kodo na ESP8266-modul. Prenesemo ustrezno različico, odvisno od tega, kateri operacijski sistem uporabljamo, pri tem sledimo ustreznim navodilom uporabnika ''spacehuhn'' na spletu. Če uporabljamo operacijski sistem Windows, lahko prenesemo Flasher z naslednje povezave [28]. Ustrezno izberemo in prenesemo izvajalno (.exe) datoteko. Postopek je prikazan na sliki 33. Slika 33: Izbira verzije za Win32 ali Win64, odvisno od operacijskega sistema, ki ga uporabljamo [lasten vir]. Potrebujemo še.bin datoteko (programsko kodo), ki jo potem naložimo na ESP8266. Do nje lahko dostopamo na internetni povezavi: [29]. Večina binarnih datotek ima velikost 1 Mb. Nič ne bo narobe, če izberemo datoteke velikosti 4 Mb. Postopek prikazuje slika

72 Slik 34: Ustrezno binarno datoteko izberemo glede na velikost pomnilnika ESP8266- modula [lasten vir]. Za nadaljevanje potrebujemo še gonilnik (driver) za ESP8266-modul. Do njega dostopamo na povezavi: [30]. Postopek prikazuje slika 35. Slika 35: Izbira gonilnika glede na operacijski sistem [lasten vir]. 59

73 Sedaj odpremo preneseno datoteko zip, v kateri bo datoteka.exe, in jo neposredno namestimo. Postopek je prikazan na sliki 36. Slika 36: Namestitev datoteke.exe (gonilnik) [lasten vir]. Sedaj lahko nadaljujemo z nalaganjem datoteke.bin na ESP8266-modul. Potrebujemo orodje ESP8266Flasher.exe, ki smo ga prenesli v drugi točki. Če odpremo datoteko.exe, se nam pojavi prikaz programa, s katerim naložimo aplikacijski softver (datoteka.bin) na modul, slika 37. Slika 37: Program, s katerim lahko naložimo aplikacijski softver na modul ESP8266 [lasten vir]. 60

74 Če v predelu COM Port kaže na port COM1, spremenimo na drugega. Ne sme nam kazati COM1. Večinoma uporabljamo COM3, COM5 ali COM9. Nadaljujemo postopek na predel Advanced, kjer spremenimo Flash speed na 80 MHz. Nadaljujemo na predel Config in tam izberemo ustrezno datoteko.bin, ki smo jo prenesli v tretji točki (slika 38). Slika 38: Izberemo datoteko.bin, kot kaže slika [lasten vir]. Če smo naredili vse omenjeno v prejšnji točki, lahko nadaljujemo v predel Operation in pritisnemo na Flash. Po nekaj sekundah oziroma minutah se bo postopek končal in na ESP8266-modul bo prenesena aplikacijska programska koda oziroma datoteka.bin. Na koncu se v spodnjem levem kotu pokaže zeleni krogec. Ko uspešno izpeljemo zgoraj navedene korake, dobimo iz ESP8266-modula tako imenovan Deauther oziroma deavtentikator. Sedaj lahko nadaljujemo s testiranjem in motenjem komunikacije brezpilotnega letalnika oziroma drona. 61

75 Na sliki 39 je podan del kode glavnega programa (main) kjer vključimo funkcije in knjižnice. Slika 39: Vključitev posameznih knjižnic z določeno funkcijo ter definiranje posameznih spremenljivk run-time [27]. Na naslednji sliki 40 pa je prikazana koda funkcije (struktura) za izvedbo napada deavtetikacije. 62

76 Slika 40: Del programske kode za izvedbo napada deavtentikacije (deauth) iz knjižnice»attack«. [27]. 63

77 5. TESTIRANJE IN EKSPERIMENTALNI REZULTATI 5.1 Motenje komunikacije brezpilotnega letalnika Za priklop ESP8266-modula v našo pametno napravo (mobilni telefon ali tablico) potrebujemo ustrezen USB-kabel/pretvornik, bodisi tip C ali mikro USB, odvisno od naprave. Če priklopimo naš ESP8266-modul oziroma Deauther na pametni telefon (ali katero drugo napravo, ki omogoča povezljivost Wi-Fi), se nam na naši pametni napravi pod dosegljivimi omrežji Wi-Fi pojavi omrežje pwned (slika 41). Povežemo se nanj. Prikazal se nam bo prostor za geslo, v katerega vnesemo deauther. Slika 41: Prikaz dostopnih omrežij Wi-Fi, omrežje pwned morda ni na voljo. Naj nas to ne zmoti [lasten vir]. 64

78 Če omrežje pwned ni na voljo, lahko nadaljujemo iskanje v poljubnem internetnem brskalniku, ki ga uporabljamo na naši napravi in v URL-okno vpišemo naslov modula Pritisnemo tipko enter in prikaže se uvodna stran, kjer se strinjamo z napisanim (slika 42). Slika 42: Uvodna stran našega deavtentikatorja [lasten vir]. 65

79 Če pritisnemo na zavihek SCAN APS, nato pa RELOAD, se prikažejo vse dosegljive dostopne točke (Acces Point) Wi-Fi oziroma omrežja, na katera se lahko preko dostopnih točk povežemo, oziroma katera lahko napademo. Kot vidimo na sliki 43, se je prikazala dostopna točka ardrone2_ To je dostopno mesto omrežja drona, po katerem je ta povezan z upravljalno (komandno) napravo, v tem primeru pametnim telefonom, ki ga upravlja operater drona. Ko torej vklopimo brezpilotni letalnik, se ustvari njegova dostopna točka Wi-Fi, na katero se je možno povezati s pametno napravo za upravljanje z dronom. Mi pa bomo z našim pametnim telefonom preko modula s funkcijo deavtentikacije oziroma deauthentication motili komunikacijo drona z operaterjem. Slika 43: Izbira SSID oziroma komunikacije, ki jo želimo motiti, v našem primeru ardrone2_ [lasten vir]. 66

80 Ko smo izbrali omrežje oziroma napravo (dron), ki jo želimo motiti, nadaljujemo s sekcijo oziroma oknom Attacks (napadi). Izberemo vrsto napada, v našem primeru deavtentikacijo, zato pod predelom Deauth pritisnemo na START. S tem smo začeli motiti komunikacijo oziroma povezavo Wi-Fi med upravljalno napravo in brezpilotnim letalnikom. Motenje komunikacije lahko prekinemo kadarkoli s pritiskom na STOP. Kot vidimo, so prikazane tudi druge funkcije za ''napad'', kot sta Beacon ter Probe, ki pa jih tukaj ne bomo uporabili. Slika 44: Če se razvrstimo pod Attacks lahko pod opcijo Deauth s pritiskom na START pričnemo motiti povezavo [lasten vir]. 67

81 Komunikacija bo motena tako dolgo, dokler ne prekinemo procesa, brezpilotnemu letalniku (dronu) ne zmanjka napajanja ali pa če se od njega oddaljimo predaleč z našim motilnikom Deauther. V naslednjem koraku smo približno izmerili največjo razdaljo, ko je še bilo možno z napravo Deauther uspešno motiti komunikacijo brezpilotnega letalnika. Uporabili smo aplikacijo GPS Speedometer za operacijski sistem Android, ki je nameščen na naši pametni mobilni napravi. Slika 45: Približna izmerjena maksimalna razdalja motenja 160,7 m [lasten vir]. Verjetno je možno doseči večjo razdaljo motenja, če imamo dovolj veliko vidno polje. V našem primeru smo imeli na voljo le 160 m vidnega polja brez vmesnih objektov ali ovir, ki onemogočajo prosto širjenje radiofrekvenčnih signalov oziroma valov. Kakršenkoli objekt, drevo, stena prekinejo ali bistveno oslabijo motilni signal oziroma poslabšajo motenje komunikacije drona z operaterjem. 5.2 Meritev moči in razdalje signala V zadnjem koraku smo izmerili razdaljo in moč našega signala Wi-Fi. Merili smo moč signala od Deautherja in od drona (dron oddaja točko Wi-Fi, na katero se je povezal upravljalec). Meritve in teste smo izvedli na šolskem igrišču, na katerem je bilo dovolj zadostne površine. Uporabili smo androidovo aplikacijo»wifi Signal Meter«. Z metrom smo izmerili in označili 5 točk. Začeli smo na točki 1, ki je pomenila 0 metrov. Pomikali smo se po 10 metrov, dokler nismo prišli do točke 6, kjer je bilo 50 metrov. Na vsaki točki smo odčitali meritev. Prvo meritev lahko vidimo na sliki

82 Slika 46: Prva meritev, pri kateri smo začeli na 0 metrov. Moč signala Wi-Fi je bila 36 dbm (100%). Merili smo signal Deautherja [lasten vir]. V naslednji tabeli 6 lahko vidimo meritve, ki smo jih odčitali. Testirali smo, kako daleč stran lahko še zanesljivo motimo komunikacijo drona. Opazimo lahko, da na vsakih 10 metrov signal precej upade. Pomembno je poudariti, da je signal lovilo še precej dlje od 50 metrov, saj motenje komunikacije deluje tudi takrat, ko je moč signala 1 %. Pomembno je tudi, kako smo postavljeni, ko motimo signal, in v katero smer je pozicioniran naš deauther. Če ima naš deauther prosto neovirano pot, bo moč signala bistveno višja. 69

83 Tabela 6: Izmerjene vrednosti signala deautherja. Razdalja [m] Moč signala [dbm] Moč signala [%] 1. točka točka točka točka točka točka Slika 47: Upadanje moči signala deautherja glede na razdaljo [lasten vir]. 70

84 Slika 48: Dodatne infromacije, ki nam jih ponuja aplikacija, s katero smo merili signal [lasten vir]. Izmerili smo tudi moč signala Wi-Fi pri dronu, na katerega je povezan upravljalec. Slednje nam razjasni, kako daleč stran je upravljalec lahko pozicioniran, da še zanesljivo nadzira dron. Meritve smo izvedli po enakem principu kot v prejšni točki. Podatke vidimo v tabeli 7. Tabela 7: Izmerjene vrednosti signala drona. Razdalja [m] Moč signala [dbm] Moč signala [%] 1. točka točka točka točka točka