Інтелектуальна система передавання команд та їх захист для дрона на колесах

Abstract

Розроблене рішення є універсальним і масштабованим, з можливістю інтеграції додаткових функцій, таких як обробка зображень, автоматичне виявлення об’єктів, розпізнавання перешкод або адаптивна навігація. Актуальність теми Сучасний розвиток інформаційних технологій, робототехніки та інтернету речей (IoT) спричинив появу нових класів пристроїв, які здатні виконувати певні дії, аналізувати навколишнє середовище, передавати дані в режимі реального часу, а також взаємодіяти з іншими пристроями або користувачем через бездротові канали зв’язку. Одним із таких прикладів є мобільні роботизовані платформи або дрони на колесах, які можуть використовуватись у найрізноманітніших сферах — від логістики, дослідницької діяльності, охорони об’єктів до навчання та експериментального моделювання. З розвитком електроніки та здешевленням мікроконтролерних платформ, таких як ESP32-CAM, з’явилась можливість інтегрувати функціональність відеоспостереження, дистанційного керування та обробки даних без необхідності залучення складного або дорогого обладнання. ESP32-CAM є компактним модулем, що поєднує потужний процесор із підтримкою Wi-Fi та вбудовану камеру. Він ідеально підходить для побудови вбудованих систем, які потребують зворотного відеозв’язку, віддаленого керування та обміну даними. Проте робота в бездротовому середовищі породжує цілу низку викликів, пов’язаних із забезпеченням конфіденційності, цілісності та доступності переданої інформації, а також захисту від стороннього втручання. Вразливості бездротових мереж, зокрема Wi-Fi, у поєднанні з відкритими API-інтерфейсами чи простими механізмами автентифікації можуть стати причиною втрати контролю над роботом, витоку інформації або навіть повного виведення системи з ладу. Це особливо небезпечно у випадках використання таких рішень у промисловості, військовій або критичній інфраструктурі. Саме тому актуальним стає питання створення надійної, гнучкої, захищеної системи керування мобільним роботом, що працює через бездротову мережу. Важливим аспектом є збереження балансу між продуктивністю, енергоефективністю та рівнем захисту. Мета роботи Метою магістерської кваліфікаційної роботи є процес розробки інтелектуальної системи передавання та захисту керувальних команд для мобільного дрона на базі ESP32-CAM. Ця система повинна забезпечувати стабільну роботу в режимі реального часу, підтримувати інтерактивне керування рухом, зйомкою фото та відео, передачу відеопотоку, а також бути захищеною від несанкціонованого доступу, спроб змінити дані або виконати зловмисні дії. Для реалізації поставленої мети сформульовано наступні кроки: Зробити аналіз існуючих підходів до побудови систем дистанційного керування мобільними пристроями через Wi-Fi-мережі; 1. Ознайомитися з технологічними особливостями апаратної платформи ESP32-CAM, її обмеженнями та можливостями для розробки; 2. Вивчити загрози інформаційній безпеці, характерні для бездротових керованих систем; 3. Розробити архітектуру інтелектуальної системи керування дрона, яка передбачає наявність серверної частини (на борту дрона) і клієнтської частини (інтерфейс користувача); 4. Реалізувати вікно керування із підтримкою потокового відео та дистанційного керування; 5. Здійснити тестування системи, оцінити ефективність обробки команд, стабільність роботи у Wi-Fi-середовищі, а також стійкість до потенційних загроз. Об’єкт дослідження

Дослідження області є методи та засоби реалізації безпечного керування дронами через бездротові мережі на основі апаратних платформ із обмеженими ресурсами. Предмет дослідження Предметом дослідження є серверна архітектура інтелектуальної системи керування на базі ESP32-CAM, а також алгоритми передачі команд, обробки запитів, захисту інформації та взаємодії користувача з мобільним пристроєм. Практичне значення роботи Результати цієї роботи мають практичну цінність у кількох аспектах. По-перше, запропонована архітектура може бути використана як основа для створення захищених систем керування в умовах обмежених обчислювальних ресурсів. По-друге, реалізований інтерфейс та програмне забезпечення можуть бути адаптовані до різних типів мобільних роботизованих систем або використані в освітньому процесі. По-третє, рішення може бути застосоване для побудови автономних систем моніторингу, в яких важлива стабільність, надійність і захищеність обміну даними. Таким чином, розробка має потенціал для подальшого вдосконалення та впровадження в реальні проєкти, де необхідне поєднання мобільності, відеоспостереження та інформаційної безпеки. Висновок У межах магістерської роботи реалізовано інтелектуальну клієнт-серверну систему керування мобільним дроном на базі ESP32-CAM, яка поєднує в собі функціональність передачі відеопотоку, обробку керувальних команд, взаємодію з користувачем через вебінтерфейс та базові засоби захисту. Прототип системи успішно протестовано у Wi-Fi-мережі, проаналізовано її поведінку при навантаженнях і в умовах обмеженого доступу. Система показала здатність виконувати базові функції в оперативному режимі, забезпечуючи при цьому базовий рівень безпеки доступу. Розроблене рішення є універсальним і масштабованим, з можливістю інтеграції додаткових функцій, таких як обробка зображень, автоматичне виявлення об’єктів, розпізнавання перешкод або адаптивна навігація. Робота відкриває перспективи для подальших досліджень у галузі інформаційної безпеки вбудованих систем, Окрім того, передбачається створення компактних автономних роботизованих комплексів для великого кола завдань. У перспективі така система може знайти застосування в розумному транспорті, охороні територій, системах спостереження або навіть у військових цілях при відповідному розширенні функціональності.The modern development of information technologies, robotics, and the Internet of Things (IoT) has led to the emergence of new classes of devices capable of performing specific actions, analyzing the environment, transmitting data in real-time, and interacting with other devices or users via wireless communication channels. One example of such devices is mobile robotic platforms or wheeled drones, which can be used in a wide range of fields — from logistics, research, and facility security to education and experimental modeling. With advancements in electronics and the decreasing cost of microcontroller platforms such as the ESP32-CAM, it has become possible to integrate video surveillance, remote control, and data processing functionalities without the need for complex or expensive equipment. The ESP32-CAM is a compact module that combines a powerful processor with Wi-Fi support and a built-in camera. It is ideal for building embedded systems that require video feedback, remote control, and data exchange. However, operating in a wireless environment introduces a series of challenges associated with ensuring the confidentiality, integrity, and availability of transmitted information, while ensuring protection from unauthorized access. Risks associated with wireless technologies, particularly Wi-Fi, combined with open APIs or simple authentication mechanisms, can lead to the loss of control over the robot, information leaks, or even total system failure. This is especially dangerous when such solutions are used in industrial, military, or critical infrastructure settings. Consequently, the development of a dependable, adaptable, and secure control system for a mobile robot functioning within a wireless network constitutes a highly pertinent matter. A crucial element herein is establishing an equilibrium among performance, energy efficiency, and security considerations. Purpose of the Work The main goal of this master’s qualification work is to develop an intelligent system for the transmission and protection of control commands for a mobile drone based on the ESP32-CAM platform. This system should ensure stable real-time operation, support interactive control of movement, photo and video capture, video streaming, and be protected against unauthorized access, data tampering, or malicious actions. To achieve this goal, the following tasks were defined: Analyze existing approaches to building remote control systems for mobile devices over Wi-Fi networks; Study the technological features of the ESP32-CAM hardware platform, its limitations, and capabilities for development; Investigate information security threats specific to wireless-controlled systems; Develop an architecture for an intelligent drone control system, including a server-side component (onboard the drone) and a client-side component (user interface); Implement a control interface with support for video streaming, remote control, authentication, and authorization; Test the system, evaluate the efficiency of command processing, operational stability in a Wi-Fi environment, and resistance to potential threats. Object of Study The object of the study is the methods and means of implementing secure drone control over wireless networks based on hardware platforms with limited resources. Subject of Study The subject of the study is the client-server architecture of an intelligent control system utilizing the ESP32-CAM alongside algorithms for command transmission, request processing, information security, and user interaction with the mobile device. Practical Significance of the Work The results of this work have practical value in several aspects. First, the proposed architecture can serve as a foundation for building secure control systems under conditions of limited computing resources. Second, the developed interface and software can be adapted for various types of mobile robotic systems or used in educational settings. Third, the solution can be applied to the development of autonomous monitoring systems where data exchange stability, reliability, and security are crucial. Thus, the developed system has the capacity for ongoing development and use in real-life scenarios involving mobile systems, video surveillance, and information security. Conclusion This master’s thesis presents the implementation of an intelligent client-server control system for a mobile drone based on the ESP32-CAM platform, combining video streaming, command processing, web-based user interaction, and basic security features. The system prototype was successfully tested in a Wi-Fi network, and its performance under load and in restricted access conditions was analyzed. The system demonstrated the ability to perform basic real-time functions while ensuring a basic level of access security. The design is both general-purpose and scalable, facilitating the integration of additional features such as image processing, automatic object detection, obstacle recognition, or adaptive navigation. This research lays the groundwork for future investigation into the information security of embedded systems, in addition to enabling the creation of compact autonomous robotic platforms applicable to diverse applications. Going forward, this type of system may find applications in smart transportation, area surveillance, monitoring systems, or even military applications with appropriate functionality extensions.