基于ROS的自动驾驶系统安全研究

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自动驾驶汽车(Autonomous Vehicle,AV)又被称为无人驾驶汽车或者轮式移动机器人,是一种通过电脑系统控制实现的、在无人驾驶的情况下自动行驶的智能汽车。自动驾驶汽车属于机器人的范畴,是一种快速轮式自主移动的机器人。机器人操作系统(Robot Operating System,ROS)是一个开源的元操作系统,提供了必要的操作系统服务,许多成功的自动驾驶操作系统都建立在ROS的基础之上,比如百度Apollo和Autoware自动驾驶系统等。ROS中使用频率最高的通信方式是基于主题的发布订阅模型来支持不断更新的、少逻辑处理的数据传输场景。基于发布订阅的通信方式在发布者(当前车辆)和订阅者(其他车辆)之间构建了一座桥梁,可以将传统的车辆自组织网络转变成信息共享的模式,而且发布订阅模式是一种完全的分布式系统。然而基于ROS的自动驾驶系统存在以下挑战:第一:ROS所采用的基于主题的发布订阅系统是一种粗粒度的设计,会导致一些消息字段被过度授予发布订阅权限,从而造成安全隐患。因此如何设计细粒度的访问控制方案,使得发布订阅的权限是基于消息的属性字段而不是消息,就成为本文的重要挑战。第二:基于发布订阅系统的ROS车辆存在发布过程和订阅过程,针对发布和订阅过程如何设计有效的激励机制,让更多的发布者和订阅者参与到发布订阅过程,同样是本文的重要挑战。针对上述问题,本文的主要研究内容和贡献如下:第一:针对基于ROS的自动驾驶车辆之间采用基于主题的发布订阅模式进行通信的问题,本文提出了一种基于属性的细粒度访问控制方案。通过发布者车辆和订阅者车辆的属性以及所发布或订阅的主题属性,来进行访问细粒度的访问控制。这是一种基于消息属性字段的细粒度方案,符合最小值原则。本文对所提出的访问控制方案进行了实现,并验证了方案的正确性;本文同时利用上述实验数据对深度神经网络进行训练,并对训练后的模型进行评价,最后将训练好的模型进行部署用来进行访问控制。第二:针对基于ROS车辆间的发布过程和订阅过程,本文设计了一种基于信誉值的激励方案。发布过程通过分析所发布的主题内容,从显式评级和隐式评级两个方面来计算发布者的信誉值;订阅过程通过分析发布者的信誉值,来选择发布者完成对应的任务,并根据任务的完成质量来对发布者的信誉值进行更新;另外通过可信的第三方机构来完成发布者车辆和订阅者车辆之间的完全支付过程。发布者和订阅者的注册过程采用基于RSA的随机盲签名方法,来保证数据信息的隐私。
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