CN111881488A - 一种用于无人机飞行控制系统的硬件加密系统及方法 - Google Patents

一种用于无人机飞行控制系统的硬件加密系统及方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种用于无人机飞行控制系统的硬件加密系统及方法。该方法包括：飞行控制器生成随机数；根据飞行控制器内的第一密钥对随机数进行加密，确定第一加密结果；当开启无人机飞行控制系统时，密码计算模块与飞行控制器相连接；密码计算模块接收第一加密结果，并根据密码计算模块内的第二密钥对第一加密结果进行解密，确定第一解密结果；飞行控制器接收第一解密结果，并判断第一解密结果与所述随机数是否一致，若是，确定无人机飞行控制系统正常，并开启无人机飞行控制系统；若否，关闭无人机飞行控制系统。本发明能够保护开源硬件开发出的商品的安全性，避免开源飞控生产的产品被复制生产盗用的问题。

Description

一种用于无人机飞行控制系统的硬件加密系统及方法
技术领域
本发明涉及无人机飞行控制系统的硬件加密领域，特别是涉及一种用于无人机飞行控制系统的硬件加密系统及方法。
背景技术
农业遥控无人机系统在作业时一般需要选择太阳角度较大且没有云层遮挡的天气，这样的天气由于大气对流较强，地面反射光比较大，有较强的低空风切变出现在开阔的农田上；同时无人机所搭载的高分辨率光学光感器为了提高解像能力往往把视场角控制在较小的范围内，由于上述2点原因，所以对无人机在作业时的飞行控制有较高的要求，为了能使无人机和搭载的遥感设备协同稳定的工作，就需要把飞行重量、各轴的转动惯量、三维重心位置等精确参数输入到飞控的动力学模型中，然后再对控制率进行调整，最后生成技术方案中提到的DLL文件，有了这一文件才能保证飞机飞行控制的一致性。若一味得从外观上仿制，其飞行时风险非常大，很容易出现坠机事故。
MP2128飞行控制器(下文简称MP2128飞控)是一种广泛应用于各种无人机上的飞行控制器，MP2128飞控开源，用户可以通过修改源代码，从而改变飞行控制器的各项参数配置，包括飞机各舵机的PID参数(影响飞机操控灵敏度及稳定性)、飞行高度和速度、各种飞行模式等，这些参数均为飞机的核心内容。用户在配置完各项参数后，只需要将修改好的源代码通过编译生成一个dll文件(一种可以烧录进飞控的文件类型)，烧录进MP2128飞控后，飞控即可根据用户配置的参数对飞机进行响应的控制。但由于该飞控开源，因此如果其他人获得编译得到的dll文件，就可以将他人配置好的参数、飞行模式及各种功能直接烧录到自己购买的MP2128飞控内，从而窃取核心内容。
因此，现有的开源硬件生产的商品由于其硬件的开源性而无法被很好的保护。任何拥有其源代码或库文件的人均可以通过自行生产开源硬件烧写入源代码或库文件，从而完美的复制其商品的功能。由于开源飞控及其源代码的易获得性，导致开源飞控生产的产品极易被复制，进而生产盗用。
发明内容
本发明的目的是提供一种用于无人机飞行控制系统的硬件加密系统及方法，以解决现有的开源硬件生产的商品由于开源飞控及其源代码的易获得性，导致开源飞控生产的产品极易被复制生产盗用的问题。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
一种用于无人机飞行控制系统的硬件加密系统，包括：密码计算模块以及飞行控制器；所述飞行控制器集成在无人机飞行控制系统；
所述飞行控制器用于生成随机数；
根据所述飞行控制器内的第一密钥对所述随机数进行加密，确定第一加密结果；
当开启无人机飞行控制系统时，所述密码计算模块与所述飞行控制器相连接；所述密码计算模块用于接收所述第一加密结果，并根据所述密码计算模块内的第二密钥对所述第一加密结果进行解密，确定第一解密结果；
所述飞行控制器还用于接收所述第一解密结果，并判断所述第一解密结果与所述随机数是否一致，得到第一判断结果；
若所述第一判断结果表示为所述第一解密结果与所述随机数一致，确定所述无人机飞行控制系统正常，并开启所述无人机飞行控制系统；
若所述第一判断结果表示为所述第一解密结果与所述随机数不一致，关闭所述无人机飞行控制系统。
可选的，所述飞行控制器，具体包括：
加密单元，用于根据公式a2＝～a1+D以及公式b2＝～b1-E所述随机数进行加密，确定第一加密结果；
其中，a2和b2为第一加密结果；a1和b1为随机数；D和E为第一密钥；符号“～”代表按位取反。
可选的，所述密码计算模块，具体包括：
解密单元，用于根据公式a1’＝～(a2-D’)以及公式b1’＝～(b2+E’)对所述第一加密结果进行解密，确定第一解密结果；
其中，a1’和b1’为第一解密结果；D’和E’为第二密钥。
可选的，所述密码计算模块为双向通讯的芯片；所述芯片型号为STM32F103。
可选的，所述随机数、所述第一密钥以及第二密钥均为八位十六进制数。
一种用于无人机飞行控制系统的硬件加密方法，包括：密码计算模块以及飞行控制器；所述飞行控制器集成在无人机飞行控制系统；
所述飞行控制器生成随机数；
根据所述飞行控制器内的第一密钥对所述随机数进行加密，确定第一加密结果；
当开启无人机飞行控制系统时，所述密码计算模块与所述飞行控制器相连接；所述密码计算模块接收所述第一加密结果，并根据所述密码计算模块内的第二密钥对所述第一加密结果进行解密，确定第一解密结果；
所述飞行控制器接收所述第一解密结果，并判断所述第一解密结果与所述随机数是否一致，得到第一判断结果；
若所述第一判断结果表示为所述第一解密结果与所述随机数一致，确定所述无人机飞行控制系统正常，并开启所述无人机飞行控制系统；
若所述第一判断结果表示为所述第一解密结果与所述随机数不一致，关闭所述无人机飞行控制系统。
可选的，所述根据所述飞行控制器内的第一密钥对所述随机数进行加密，确定第一加密结果，具体包括：
根据公式a2＝～a1+D以及公式b2＝～b1-E所述随机数进行加密，确定第一加密结果；
其中，a2和b2为第一加密结果；a1和b1为随机数；D和E为第一密钥；符号“～”代表按位取反。
可选的，所述根据所述密码计算模块内的第二密钥对所述第一加密结果进行解密，确定第一解密结果，具体包括：
根据公式a1’＝～(a2-D’)以及公式b1’＝～(b2+E’)对所述第一加密结果进行解密，确定第一解密结果；
其中，a1’和b1’为第一解密结果；D’和E’为第二密钥。
根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：本发明提供了一种用于无人机飞行控制系统的硬件加密系统及方法，通过硬件加密，每块飞行控制器硬件内烧写的“dll”文件的密钥与密码计算模块存放的密钥对应才可以正常运行，可以保护开源硬件开发出的商品的安全。
在对某无人机产品进行商业化量产或出售时，将密码计算模块与MP2128飞行控制器板捆绑出售，由于无人机产品的外形尺寸以及控制方法很容易被复制，很难保护开发者的利益，仿制其他人无法通过自行购买的MP2128飞行控制器硬件，烧写任一dll文件和通过测量无人机外形逆向工程制复制出的无人机产品侵权，只有购买带密码计算模块的飞行控制器，才能进行正常使用。
通过将dll文件与集成在MP2128飞行控制器上的密码计算模块对应，保证了任何人无法在只获得dll文件的情况下可以通过自行生产MP2128飞行控制器硬件来生产相同功能的无人机，从而保证了无人机商品的安全性，实现硬件加密。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明所提供的飞行控制器与密码计算模块的连接示意图；
图2为本发明所提供的用于无人机飞行控制系统的硬件加密方法流程图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明的目的是提供一种用于无人机飞行控制系统的硬件加密系统及方法，能够保护开源硬件开发出的商品的安全性，避免开源飞控生产的产品被复制生产盗用的问题。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
步骤1：在对源代码进行修改、配置参数完毕后，添加硬件加密代码到源代码的开头部分。所述硬件加密代码可以让飞行控制器在启动后，实现以下功能：
1)生成随机数字(数字为两个八位十六进制数，分别为a1和b1)。
2)在硬件加密代码内，已经定义并赋值了两个密钥D和E(两个八位十六进制数)。
3)对生成的数字进行以下公式的计算：
a2＝～a1+D
b2＝～b1–E
其中，a2和b2为第一加密结果；a1和b1为随机数；D和E为第一密钥；符号“～”代表按位取反。
4)将a2和b2输送到密码计算模块。
5)接受密码计算模块返回的第一解密结果。
6)将密码计算模块返回的第一解密结果与飞行控制器生成的随机数进行对比。
7)若数字正确，则继续进行接下来的初始化、作业函数(即飞行控制器正常启动)；若不正确，则关闭飞行控制器(需要关闭电源，重新上电后才能重新启动，再次进行这一流程)。
步骤2：将步骤1中的源代码编译为dll文件，导入MP2128飞行控制器内。
步骤3：使用一个支持某种双向通讯(重点在于可收发数据，如SPI、串口通讯等均可，通讯类型不重要，此处选用SPI)，且拥有简单数据计算功能的芯片(市面上各种单片机均满足要求，芯片选型不重要，重点在于可以进行计算，此处选用STM32F103)作为密码计算模块。将下述密钥和计算公式存放进密码计算模块内，使得芯片在接收到数据后，通过下述公式进行计算，并将得到的结果传回。
a1’＝～(a2-D’)
b1’＝～(b2+E’)
其中，a2和b2为从飞行控制器处先后接收到的两数字，D’和E’为存放的第二密钥，与飞行控制器内的D和E对应相同。a1’和b1’为计算后得到的密钥，a1’和b1’为第一解密结果，计算完毕后先后传输回飞行控制器。
步骤4：将步骤3中所述的密码计算模块与MP2128飞行控制器相连(指通讯线路)。图1为本发明所提供的飞行控制器与密码计算模块的连接示意图，如图1所示。(黑框内的密码计算模块的连接关系为核心部分，其余均为示意，其中，P2引脚组指编号为P2的一系列引脚口，其中包含MP2128飞行控制器的各种通讯引脚，可理解为MP2128的通讯接口)该步骤的意义即飞行控制器模块的通讯接口与密码计算模块的通讯接口相连，从而让数据可以通信。
步骤5：启动飞行控制器，MP2128飞行控制器开始执行步骤1中所述步骤1)直到步骤4)为止，此时飞行控制器内存有数字a1和b1，传输给密码计算模块数字a2和b2。然后，密码计算模块开始执行步骤3所述的计算公式，将计算得到的a1’和b1’传输回MP2128飞行控制器。MP2128飞行控制器开始执行步骤1所述步骤的5)-步骤7)，完成所有步骤后，飞行控制器正常启动，开始正常工作。
图2为本发明所提供的用于无人机飞行控制系统的硬件加密方法流程图，如图2所示，一种用于无人机飞行控制系统的硬件加密方法，包括：密码计算模块以及飞行控制器；所述飞行控制器集成在无人机飞行控制系统；
步骤201：所述飞行控制器生成随机数。
步骤202：根据所述飞行控制器内的第一密钥对所述随机数进行加密，确定第一加密结果。
所述步骤202具体包括：根据公式a2＝～a1+D以及公式b2＝～b1-E所述随机数进行加密，确定第一加密结果；其中，a2和b2为第一加密结果；a1和b1为随机数；D和E为第一密钥；符号“～”代表按位取反。
步骤203：当开启无人机飞行控制系统时，所述密码计算模块与所述飞行控制器相连接；所述密码计算模块接收所述第一加密结果，并根据所述密码计算模块内的第二密钥对所述第一加密结果进行解密，确定第一解密结果。
所述步骤203具体包括：根据公式a1’＝～(a2-D’)以及公式b1’＝～(b2+E’)对所述第一加密结果进行解密，确定第一解密结果；其中，a1’和b1’为第一解密结果；D’和E’为第二密钥。
步骤204：所述飞行控制器接收所述第一解密结果，并判断所述第一解密结果与所述随机数是否一致，若是，执行步骤205，若否，执行步骤206。
步骤205：确定所述无人机飞行控制系统正常，并开启所述无人机飞行控制系统。
步骤206：关闭所述无人机飞行控制系统。
传统的无人机产品一般不采用易于获得的开源飞行控制器，大多使用自厂生产的飞行控制器，这降低了盗版风险，却增加了生产成本。本发明所提供的硬件加密技术的实现可以让使用开源飞行控制器进行商品生产成为可能，从而降低生产成本。
采用加密芯片与飞行控制器进行通讯的方式，在加密芯片中存放密钥，将飞行控制器传输过来的信息进行解算，判断其合法性。该方法利用飞行控制器的SPI总线传输密码，每块飞行控制器都有独特的密钥和随机生成的明文，从而保证安全性。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的系统而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。
本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (8)

1.一种用于无人机飞行控制系统的硬件加密系统，其特征在于，包括：密码计算模块以及飞行控制器；所述飞行控制器集成在无人机飞行控制系统；
所述飞行控制器用于生成随机数；
根据所述飞行控制器内的第一密钥对所述随机数进行加密，确定第一加密结果；
当开启无人机飞行控制系统时，所述密码计算模块与所述飞行控制器相连接；所述密码计算模块用于接收所述第一加密结果，并根据所述密码计算模块内的第二密钥对所述第一加密结果进行解密，确定第一解密结果；
所述飞行控制器还用于接收所述第一解密结果，并判断所述第一解密结果与所述随机数是否一致，得到第一判断结果；
若所述第一判断结果表示为所述第一解密结果与所述随机数一致，确定所述无人机飞行控制系统正常，并开启所述无人机飞行控制系统；
若所述第一判断结果表示为所述第一解密结果与所述随机数不一致，关闭所述无人机飞行控制系统。
2.根据权利要求1所述的用于无人机飞行控制系统的硬件加密系统，其特征在于，所述飞行控制器，具体包括：
加密单元，用于根据公式a2＝～a1+D以及公式b2＝～b1-E所述随机数进行加密，确定第一加密结果；
其中，a2和b2为第一加密结果；a1和b1为随机数；D和E为第一密钥；符号“～”代表按位取反。
3.根据权利要求2所述的用于无人机飞行控制系统的硬件加密系统，其特征在于，所述密码计算模块，具体包括：
解密单元，用于根据公式a1’＝～(a2-D’)以及公式b1’＝～(b2+E’)对所述第一加密结果进行解密，确定第一解密结果；
其中，a1’和b1’为第一解密结果；D’和E’为第二密钥。
4.根据权利要求3所述的用于无人机飞行控制系统的硬件加密系统，其特征在于，所述密码计算模块为双向通讯的芯片；所述芯片型号为STM32F103。
5.根据权利要求1-4任一项所述的用于无人机飞行控制系统的硬件加密系统，其特征在于，所述随机数、所述第一密钥以及第二密钥均为八位十六进制数。
6.一种用于无人机飞行控制系统的硬件加密方法，其特征在于，包括：密码计算模块以及飞行控制器；所述飞行控制器集成在无人机飞行控制系统；
所述飞行控制器生成随机数；
根据所述飞行控制器内的第一密钥对所述随机数进行加密，确定第一加密结果；
当开启无人机飞行控制系统时，所述密码计算模块与所述飞行控制器相连接；所述密码计算模块接收所述第一加密结果，并根据所述密码计算模块内的第二密钥对所述第一加密结果进行解密，确定第一解密结果；
所述飞行控制器接收所述第一解密结果，并判断所述第一解密结果与所述随机数是否一致，得到第一判断结果；
若所述第一判断结果表示为所述第一解密结果与所述随机数一致，确定所述无人机飞行控制系统正常，并开启所述无人机飞行控制系统；
若所述第一判断结果表示为所述第一解密结果与所述随机数不一致，关闭所述无人机飞行控制系统。
7.根据权利要求6所述的用于无人机飞行控制系统的硬件加密方法，其特征在于，所述根据所述飞行控制器内的第一密钥对所述随机数进行加密，确定第一加密结果，具体包括：
根据公式a2＝～a1+D以及公式b2＝～b1-E所述随机数进行加密，确定第一加密结果；
其中，a2和b2为第一加密结果；a1和b1为随机数；D和E为第一密钥；符号“～”代表按位取反。
8.根据权利要求7所述的用于无人机飞行控制系统的硬件加密方法，其特征在于，所述根据所述密码计算模块内的第二密钥对所述第一加密结果进行解密，确定第一解密结果，具体包括：
根据公式a1’＝～(a2-D’)以及公式b1’＝～(b2+E’)对所述第一加密结果进行解密，确定第一解密结果；
其中，a1’和b1’为第一解密结果；D’和E’为第二密钥。
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