丁 璇

(陜西警官職業(yè)學(xué)院，西安 710021)

0 引言

機器人在學(xué)術(shù)界和工業(yè)界取得了長足的發(fā)展，盡管在這方面已取得了許多進展，但機器人的實際應(yīng)用還是相當(dāng)有限[1-2]。針對智能機器人在應(yīng)用過程中易受外部環(huán)境限制的特點，相關(guān)學(xué)者提出了設(shè)計穩(wěn)定、可長期使用的自動化裝置以解決上述問題，包括傳感器的選擇、配置、算法及實現(xiàn)。在智能機器人多傳感信息管理這一問題中，加密控制屬于難點問題，屠袁飛等人[3]提出一種基于CP-ABE的可撤銷屬性加密訪問控制算法,通過CP-ABE完成訪問控制的初始構(gòu)建和密鑰生成，為提高可撤銷屬性加密訪問控制算法的訪問控制效果，在加密算法以及解密算法中寫入新文件創(chuàng)建,新用戶授權(quán),吊銷用戶，文件訪問等方面過程的設(shè)計，該方法訪問控制時耗時縮短,控制效果較好，但是無法保障加密信息的真實性和合法性。杜遠志等人[4]提出一種基于屬性加密的信息流控制機制，將基于屬性的加密技術(shù)與信息流控制技術(shù)相結(jié)合,通過對用戶私鑰和訪問樹的生成方法重新設(shè)計,在減少用戶制定訪問策略工作的同時,使得該機制能夠?qū)υ浦袛?shù)據(jù)進行有效的信息流控制,從而消除安全隱患，該機制能夠抵抗基于共享內(nèi)存的側(cè)通道攻擊,保護靜態(tài)虛擬域中敏感數(shù)據(jù)安全性，但是該方法多傳感信息加密效率較高，導(dǎo)致安全時間較短。

區(qū)塊鏈是一個可以共享的數(shù)據(jù)存儲庫，區(qū)塊鏈數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)都具有真實性和唯一性，這一特點對于信息加密控制尤為重要。一旦數(shù)據(jù)庫內(nèi)的信息失去真實性和可靠性，再高級的加密方法也無效，因此采用區(qū)塊鏈的智能機器人多傳感信息加密控制，可以保證驅(qū)動智能機器人行為的加密信息的可靠性和真實性，提高加密信息加密效率[5]。

綜上所述，基于區(qū)塊鏈研究一種新的智能機器人多傳感信息加密控制方法，將加密后的信息進行區(qū)塊鏈技術(shù)的封裝，封裝完成后根據(jù)信息的應(yīng)用領(lǐng)域和需求，完成最終的信息加密控制。

1 智能機器人多傳感信息加密

應(yīng)用的智能機器人如圖1所示。

圖1 智能機器人示意圖

根據(jù)圖1可知，智能機器人共分為機器人視覺、機器人電腦、機器人聽覺、機器人嗅覺、機器人觸覺、機器人上肢、機器人下肢和機器人接近覺幾部分[5]。其中，機器人電腦是核心設(shè)備，對機器人內(nèi)部各個設(shè)備進行控制。機器人視覺、機器人聽覺、機器人嗅覺、機器人觸覺屬于數(shù)據(jù)傳感信息，機器人上肢、機器人下肢屬于位置傳感信息。針對位置傳感信息和數(shù)據(jù)傳感信息進行加密。

1.1 位置傳感信息加密

針對智能機器人的位置信息進行加密，位置信息加密對于確保機器人智能行走有重要意義。通過位置信息加密來提高機器人的自主定位、建圖、路徑規(guī)劃及避障等能力。位置信息加密包括的內(nèi)容如圖2所示。

圖2 位置信息加密內(nèi)容

信息同時存在的附屬屬性很多，比如信息的存儲位置、信息大小、信息的目的地址、信息創(chuàng)建時間等，這些屬性可以暴露信息源[6-7]。為了提高多傳感信息加密的加密級別，對信息的位置屬性進行加密處理，信息位置加密目的是阻止外界惡意竊取信號源和攻擊手段。位置加密方法的原理是通過監(jiān)測信息位置節(jié)點狀態(tài)，一旦發(fā)現(xiàn)狀態(tài)異常，立即增加多傳感信息的防御程度，模擬一個虛假信息源迷惑攻擊者，并切斷惡意信號源，保證網(wǎng)絡(luò)位置信息安全。信息位置加密的特點是實時性和靈敏性，根據(jù)信息的類別，多傳感信息加密方法分為數(shù)據(jù)源位置加密方法、sink位置加密算法[8]。為了達到多傳感信息全局加密效果，以信息加密程度最大化為目的，因此選擇數(shù)據(jù)源位置加密方法進行加密，數(shù)據(jù)源位置加密方法主要分為信息位置源備份設(shè)置陷阱、信息路徑偽裝、網(wǎng)絡(luò)匿名和信息通信控制4個步驟。

加密過程如圖3所示。

圖3 位置信息加密過程

根據(jù)圖3可知，信息位置源備份、設(shè)置陷阱指的是智能機器人監(jiān)測信息狀態(tài)時，傳感機器人一旦識別到信息存在惡意攻擊行為或者信號時，立即隨機模擬一個信息的信號源(其信號源不可以與其他真正的信號源重復(fù))用來迷惑攻擊者，誤導(dǎo)攻擊者認為他已經(jīng)找到了真實的數(shù)據(jù)源信息，攻擊者在重復(fù)確認信息源位置時，數(shù)據(jù)源位置加密方法對攻擊者進行無防備的消滅處理。路徑偽裝是信號源備份的進一步體現(xiàn)，如果信息源備份時沒有全部清除攻擊者，那么在位置信息轉(zhuǎn)發(fā)過程中，數(shù)據(jù)源節(jié)點不通過最短路徑策略進行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)，而在預(yù)先設(shè)計的多條偽裝路徑中隨機選擇某一條作為數(shù)據(jù)傳輸鏈路，使攻擊者攻擊錯誤路徑，延長正常位置信息的轉(zhuǎn)發(fā)周期，在消滅攻擊者時可以連帶路徑全部消除，簡化防御策略[9]。網(wǎng)絡(luò)匿名指的是通過對位置信息的IP地址進行加密。位置信息通信控制指的是在各個安全位置的信息交互過程中，更改位置信息交互模式，對位置信息節(jié)點信息進行加密[10]。

1.2 數(shù)據(jù)傳感信息加密

數(shù)據(jù)傳感信息包括感知數(shù)據(jù)信息、認知數(shù)據(jù)信息和行為數(shù)據(jù)信息。數(shù)據(jù)信息加密指的是合法網(wǎng)絡(luò)對加密數(shù)據(jù)的信息查詢、數(shù)據(jù)聚集以及數(shù)據(jù)被訪問過程中進行過程加密，防止攻擊者竊取數(shù)據(jù)信息[11-12]。

設(shè)定傳感器加密機器人內(nèi)部數(shù)據(jù)信息，傳感器標定工作臺如圖4所示。

圖4 傳感器標定工作臺

如圖4，在傳感器標定工作臺上對數(shù)據(jù)傳感信息進行加密。數(shù)據(jù)信息加密方法主要采用數(shù)據(jù)隱私保護法完成智能機器人的行為驅(qū)動，對于數(shù)據(jù)信息的查詢加密方法主要防止傳感網(wǎng)絡(luò)攻擊者攻擊數(shù)據(jù)信息的存儲節(jié)點和IP地址節(jié)點。數(shù)據(jù)信息聚集操作是多傳感信息中關(guān)鍵數(shù)據(jù)節(jié)點連接外界節(jié)點的方式，一旦數(shù)據(jù)聚集操作加密性低，被攻破，信息就會大量流失。因此對于數(shù)據(jù)聚集節(jié)點加密方法增加一項封裝處理，信息數(shù)據(jù)處于聚集行為時，數(shù)據(jù)信息連通時進行二次驗證，并且通信的數(shù)據(jù)必須在信息庫內(nèi)進行轉(zhuǎn)碼，才可以還原數(shù)據(jù)信息，因此攻擊者攻擊到初步加密后的數(shù)據(jù)信息，也不能得到數(shù)據(jù)信息[13]。

2 智能機器人多傳感信息加密控制

區(qū)塊鏈技術(shù)的工作原理是在區(qū)塊鏈數(shù)據(jù)庫內(nèi)按照信息封裝方式對需要加密區(qū)域的數(shù)據(jù)進行分塊，然后在數(shù)據(jù)庫內(nèi)進行共享，使新的加密數(shù)據(jù)信息被原有的區(qū)塊鏈數(shù)據(jù)庫認可，共同形成一個全新的區(qū)塊鏈數(shù)據(jù)庫。區(qū)塊鏈數(shù)據(jù)庫為了避免出現(xiàn)人為誤操作導(dǎo)致的信息丟失或者其他問題，設(shè)置區(qū)域鏈的數(shù)據(jù)庫信息管理不依賴于管理人員，內(nèi)部信息實時更新。區(qū)塊鏈數(shù)據(jù)庫的管理依靠于數(shù)據(jù)庫的各個網(wǎng)絡(luò)節(jié)點、工作算法以及TCP協(xié)議，每個節(jié)點之間按照協(xié)議規(guī)則相互監(jiān)督，依賴算法完成區(qū)塊鏈數(shù)據(jù)庫的邏輯循環(huán)操作，一旦對接出現(xiàn)異常時，發(fā)出警報，進行處理[14]。

區(qū)塊鏈技術(shù)概括示意圖如圖5所示。

圖5 區(qū)塊鏈技術(shù)概括示意圖

引入?yún)^(qū)塊鏈技術(shù)對智能機器人多傳感信息進行加密控制，智能機器人內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖6所示。

圖6 智能機器人內(nèi)部結(jié)構(gòu)

基于區(qū)塊鏈的智能機器人多傳感信息加密控制具體流程如圖7所示。

(1)首先對需要加密的傳感信息進行真實性驗證，驗證通過后，區(qū)塊鏈數(shù)據(jù)庫賦予每一條數(shù)據(jù)信息一個數(shù)字簽名、信息私有地址和公有地址，為接下來加密多傳感信息加密操作和調(diào)用操作提供基礎(chǔ)；

(2)然后智能機器人對上傳的傳感信息進行封裝，通過對信息進行位置加密和數(shù)據(jù)加密處理，初步加密完成后，將封裝好的加密信息傳到區(qū)塊鏈數(shù)據(jù)庫內(nèi)，與初次加密后的信息進行對比，查看是否與區(qū)塊鏈數(shù)據(jù)庫內(nèi)信息重復(fù)，確定加密信息的合法性和真實性。如果不重復(fù)那么對傳感信息進行數(shù)字簽名加密；

(3)多傳感信息雙重加密后，將信息傳輸?shù)街悄軝C器人的區(qū)塊鏈數(shù)據(jù)庫內(nèi)，數(shù)據(jù)庫在收取信息時，驗證每一條信息的數(shù)字簽名，因為數(shù)字簽名具有不可偽造性和鑒定性。最后，將多傳感加密信息錄入成功后，通過隨機路由控制算法將加密信息轉(zhuǎn)化為時間戳的格式，驅(qū)動智能機器人的合法行為。

引用傳感器控制位置傳感信息，位置傳感信息控制引入的傳感器結(jié)構(gòu)如圖8所示。

由圖8可知，機器人位置感知信息控制的實現(xiàn)主要包括激光沖擊和視覺沖擊。多采用2D或3D激光雷達，其在機器人上的主要應(yīng)用是2D激光雷達，它能實時采集周圍目標的環(huán)境信息，并形成角度和距離精確的散點云圖，對所采集的目標信息進行處理。利用激光 SLAM系統(tǒng)，實現(xiàn)了兩個不同時間點的點云數(shù)據(jù)匹配與比較。通過對目標相對運動距離和姿態(tài)的計算，實現(xiàn)了對機器人自身的定位。以單眼和魚眼相機為基礎(chǔ)，主要采用多幀圖像估計自身姿態(tài)變化，通過累計姿態(tài)變化來計算目標與目標之間的距離，建立定位圖[15]。

構(gòu)建基于多傳感器融合技術(shù)的社會服務(wù)機器人開發(fā)平臺，能夠提供更為全面、可靠的信息，準確地反映被測對象的特征，使機器人行走更加智能化。內(nèi)建于 SLAMWARE的高性能自主定位導(dǎo)航系統(tǒng)，不僅為機器人提供最基本的自主行走能力，還支持虛擬墻和虛擬軌跡，自主反饋，第三方應(yīng)用擴展和樓層繪制導(dǎo)航，自動電梯控制等功能。

數(shù)據(jù)傳感信息控制主要針對智能機器人的眼睛、腕關(guān)節(jié)、胸部和手部進行控制，傳感器混合機構(gòu)如圖9所示。

圖9 傳感器混合機構(gòu)

利用對稱的3 RRR機構(gòu)定位攝像機，并通過底座 R關(guān)節(jié)驅(qū)動旋轉(zhuǎn)電機控制圖8中的敏捷眼可以有效控制視覺傳感信息。因為所有的聯(lián)軸器必須在一個中心點相交，所以敏捷眼的制造和組裝都需要很高的精度。在底座和平臺之間，只有一個軸承安裝在遠端 R接頭上，因此該機構(gòu)的3 RRR機構(gòu)加入了驅(qū)動器。在敏捷手腕中，設(shè)計了一個3 RRP體系結(jié)構(gòu)來實現(xiàn)持續(xù)的旋轉(zhuǎn)。在關(guān)節(jié)軸與旋轉(zhuǎn)中心不能精確相交的情況下，增加被動活動關(guān)節(jié)可防止機構(gòu)過遠而不交叉。

同時引入隨機路由控制算法實現(xiàn)提高數(shù)據(jù)傳感信息的控制精度，隨機路由控制算法的控制原理是通過智能機器人申請的行為驅(qū)動請求，區(qū)塊鏈數(shù)據(jù)庫按照請求查詢相應(yīng)驅(qū)動命令的多傳感信息時間戳，轉(zhuǎn)發(fā)進行行為驅(qū)動。加密信息轉(zhuǎn)發(fā)的同時立即啟動隨機路由控制算法，對加密信息驅(qū)動的行為進行控制，一旦行為出錯，立即終止。

隨機路由控制算法首先對區(qū)塊鏈數(shù)據(jù)庫內(nèi)的加密信息進行識別備份，核實并得出加密數(shù)據(jù)控制的區(qū)域，并對需要控制的加密數(shù)據(jù)信息進行隨機分組，每組篩選出一個隨機整數(shù)，作為控制的關(guān)鍵信息節(jié)點。以加密信息的源節(jié)點作為坐標原點建立相對直角坐標系XOY，通過公式計算出加密數(shù)據(jù)信息波及范圍的半徑值，根據(jù)半徑值確定加密數(shù)據(jù)的有效驅(qū)動行為的有效區(qū)域。加密有效區(qū)域如圖10所示。

圖10 加密有效區(qū)域

具體公式如下所示：

Rphantom=Rmin+ ((rand0% 3) +I)

(1)

(2)

其中：Rphantom表示區(qū)塊鏈待選區(qū)域外層半徑；[Rphantom-1,Rphantom]表示待選區(qū)域范圍；I表示選取控制系數(shù)；x表示每個數(shù)據(jù)信息的節(jié)點區(qū)域橫坐標；y表示每個數(shù)據(jù)信息的節(jié)點區(qū)域橫坐標。

初次完成信息加密數(shù)據(jù)使用區(qū)域的劃分后，繼續(xù)對可用待選區(qū)域[Rphantom-1,Rphantom]進行二次劃分，精確控制加密數(shù)據(jù)的使用范圍，具體二次劃分計算公式如下所示：

(3)

其中:soueceNode(x,y)表示多傳感信息的原節(jié)點坐標；nodeNum表示多傳感信息的數(shù)量。

3 實驗研究

為了驗證提出的基于區(qū)塊鏈的智能機器人多傳感信息加密控制方法的有效性。設(shè)定實驗參數(shù)如表1所示。

表1 實驗參數(shù)表

根據(jù)表1參數(shù)，選用方法和傳統(tǒng)方法進行對比實驗，通過能量模型和信息分析，提取網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部的能量消耗，分析網(wǎng)絡(luò)生存時間數(shù)據(jù)。首先對采集的信息進行預(yù)處理，去除冗余信息，預(yù)處理過程如圖11所示。

圖11 數(shù)據(jù)預(yù)處理效果圖

如圖11可知，經(jīng)過預(yù)處理后，多傳感線信息更加穩(wěn)定，便于對其進行實驗。

在此基礎(chǔ)上，對多傳感信息加密效率進行實驗，實驗結(jié)果如圖12所示。

圖12 多傳感信息加密效率實驗結(jié)果

根據(jù)圖12可知，隨著迭代次數(shù)的增加，不同控制方法的多傳感信息加密效率也在不斷增加，但是所提方法多傳感信息加密效率要始終高于傳統(tǒng)方法的多傳感信息加密效率。提出的方法在對數(shù)據(jù)進行加密時，以綜合的角度分析節(jié)點數(shù)量，進行數(shù)據(jù)傳輸，由能耗模型原理可知，因此所提方法效率最高。所提方法在選取節(jié)點過程中，根據(jù)鄰近節(jié)點的信息表分析出距離目標節(jié)點的最近節(jié)點，從而得到能量閾值，確?？梢栽谧疃虝r間內(nèi)轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)。

在此基礎(chǔ)上，以安全時間為測試指標，進行實驗測試，并統(tǒng)計結(jié)果，如圖13可知。

圖13 安全時間實驗結(jié)果

從圖中可以得出，在所提方法和傳統(tǒng)加密控制方法之間的安全時間差距較大，而隨著數(shù)據(jù)量的增加，所提方法安全時間仍然高于傳統(tǒng)方法。應(yīng)用觸覺傳感器進行傳感信息加密，觸覺傳感器在MIS應(yīng)用中的設(shè)計要求(也稱為約束條件)與傳感器的物理特性和功能特性密切相關(guān)。觸覺傳感器相當(dāng)靈敏，線性，低時滯，能測量0～5 N范圍內(nèi)的接觸力，分辨率為0.01 N，能夠更好地傳輸數(shù)據(jù)，保證數(shù)據(jù)傳輸過程引入的路徑多樣性，從而提高加密過程的隱私保護能力。

4 結(jié)束語

綜上所述，以信息位置加密、信息數(shù)據(jù)加密、區(qū)塊鏈存儲數(shù)據(jù)庫規(guī)則原理以及隨機路由控制算法作為研究的基礎(chǔ)，完成多傳感信息的加密、封裝和控制操作，達到研究的目的。相信通過以上的研究分析，可以提高智能機器人的多傳感信息的加密程度，規(guī)范智能機器人的行為。