[發明專利]一種無人機飛控控制參數的模糊測試方法及系統

在審

• 申請號: 202011574457.5
• 申請日: 2020-12-25
• 公開（公告）號: CN112668697A
• 公開（公告）日: 2021-04-16
• 發明（設計）人: 王運柏;楊超;馬建峰
• 申請（專利權）人: 西安電子科技大學
• 主分類號: G06N3/04
• 分類號: G06N3/04;G06N3/08;G06K9/62;G06N3/00;G06Q10/06;B64F5/60
• 代理公司: 西安通大專利代理有限責任公司 61200
• 代理人: 王艾華

本發明提供的一種無人機飛控控制參數的模糊測試方法及系統，將飛行質量預測模型和質量?多樣性方法相結合，利用多樣性指標提升狀態空間中樣本稀疏區域的搜索權重，鼓勵算法提出和已有樣本差距更大的解，克服了現有方法故障覆蓋率低、搜索結果同質化嚴重的問題，同時使用飛行質量預測模型替代計算開銷高昂的仿真，減少計算開銷的同時還允許本發明采用復雜搜索算法，提升了測試的速度和精度。

技術領域

本發明涉及計算機技術領域，具體為一種無人機飛控控制參數的模糊測試方法及系統。

背景技術

無人機被廣泛應用于能源、交通、安全等領域。為了滿足不同軟硬件和領域任務的適配要求，無人機通常裝備飛控程序，并提供控制參數接口和通信協議(如MAVLink)供用戶進行遠程控制。當無人機執行任務時，飛控程序會通過網絡接收用戶提供的控制參數，以決定無人機和軟硬件交互(如：從傳感器處獲取數據)或執行任務的方式。這一設計在方便用戶使用的同時，也讓控制指令易于為惡意攻擊者截獲并篡改，導致無人機偏離任務目標、無法完成任務甚至失控墜毀等安全問題。因此，確保控制參數正確可靠是無人機飛控運行時需要考慮的重要目標。為實現這一目標，現有的飛控軟件常通過人為設定一個不隨無人機狀態變化的合法區間，當飛控接收到的控制指令包含不在合法區間的參數時，則認為指令非法并放棄本次變更；否則接受并應用指令所包含的變更。

然而，隨著無人機系統功能和應用場景日益多樣，控制參數的數量和耦合度也在提高，人工設定合法區間的方式效率低、可靠性差，已不能滿足發現漏洞的需要。因此有研究人員提出借鑒現有漏洞挖掘技術，實現對無人機飛控的半自動化或自動化測試的思想。根據使用場景，現有漏洞挖掘技術可分為黑盒測試、白盒測試及灰盒測試三種方式。模糊測試是一種簡單有效的黑盒測試技術，可以在不知曉被測對象實現細節的前提下，半自動或自動地完成測試。

西安電子科技大學在其申請的專利文獻“一種面向無人機的模糊測試方法及無人機的模糊測試系統”(申請號：201910228389.8，公開號：109977681A)中公開了一種自動化測試方法。該文獻中測試方法的具體步驟如下：在本地存儲的典型報文庫中隨機選取一份報文，初始報文符合協議規范，且保證變異后仍有高比例的報文符合協議規范；對該報文進行若干次變異，其中變異次數、單次變異的手段均為隨機選??；然后檢查變異得到的報文，對符合要求的報文進行后續處理，以保證測試報文符合協議要求；最后將符合要求的測試報文發送給發送模塊，通過發送模塊將數據包發送出去。然而，該方法沒有考慮到控制參數的合法性與無人機所處物理環境、所執行任務內容緊密相關這一事實，致使其搜索得到的合法區間適配性差，因此該方法并不能直接適用于前述問題的檢測。

普渡大學與NEC實驗室在其合作發表的論文文獻“RVFuzzer:Finding InputValidation Bugs in Robotic Vehicles through Control-Guided Testing”(發表于第28屆USENIX安全論壇)中首次提出通過攔截并篡改控制參數的方式來攻擊無人機的構想，并針對這一新型攻擊提出了一種自動化測試方法。該文獻中測試方法的具體步驟如下：首先初始化起始合法區間的上下界；在合法區間中隨機選取一組控制參數組合，并使用遺傳算法對各參數依次進行變異；在仿真環境中對變異后的參數進行測試，評估參數對無人機運行的影響；根據仿真測試結果，使用二分搜索來縮小區間；反復執行上述步驟，直到得到期望的合法區間上下界。

該方法中存在的不足之處有：該方法采用二分搜索和單維度變異手段，這種方式會限制可行搜索方向，導致漏報并降低搜索效率；該方法依賴仿真來驗證搜索結果的影響，然而仿真需要大量算力和時間開銷，導致測試時間開銷驟增；除此以外，該方法在搜索時未考慮測試參數在參數空間分布的多樣性，容易出現搜索結果同質化嚴重、代表性差、故障覆蓋率低的問題。

發明內容

針對現有技術中存在的問題，本發明提供一種無人機飛控控制參數的模糊測試方法及系統，解決已有技術忽視具體任務和環境狀態、漏報嚴重、搜索效率低下及搜索結果同質化嚴重等問題。

本發明是通過以下技術方案來實現：