• CN:11-2187/TH
  • ISSN:0577-6686

机械工程学报 ›› 2021, Vol. 57 ›› Issue (24): 268-278.doi: 10.3901/JME.2021.24.268

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基于深度学习的无人驾驶汽车导航传感器异常诊断方法

宫文峰1,2, 王元哲2, 陈辉1, WANG Danwei2   

  1. 1. 武汉理工大学高性能舰船技术教育部重点实验室 武汉 430063;
    2. 南洋理工大学电机与电子工程学院 新加坡 639798 新加坡
  • 收稿日期:2021-05-21 修回日期:2021-10-25 出版日期:2021-12-20 发布日期:2022-02-28
  • 作者简介:宫文峰,男,1987年出生,讲师/工程师,武汉理工大学与新加坡南洋理工大学联合培养博士研究生。主要研究方向为复杂装备故障诊断与寿命预测、深度学习与人工智能、机械振动与CAE技术等。E-mail:wfgongcn@163.com;王元哲,男,1990年出生,博士,新加坡南洋理工大学研究员。主要研究方向为机器人学,控制工程,网络安全。E-mail:wang0951@e.ntu.edu.sg;陈辉,男,1962年出生,博士,博士研究生导师,国家二级教授。主要研究方向为船舶电力推进系统和智能装备控制。E-mail:hchen@whut.edu.cn;WANG Danwei,男,1957年出生,博士,博士研究生导师,新加坡南洋理工大学终身教授、新加坡工程院院士,IEEE Fellow。主要研究方向为机器人学,控制工程,故障诊断。E-mail:edwwang@ntu.edu.sg
  • 基金资助:
    国家重点研发计划(2019YFE0104600)、工信部“绿色智能内河船舶创新专项”、国家自然科学基金(51579200,U1709215)、广西自然科学基金(2020GXNSFBA159058)、中央高校基本科研业务费专项武汉理工大学优秀博士学位论文培育(2019-YB-023)和中国国家留学基金委博士联合培养(CSC201906950020)资助项目。

Anomaly Diagnosis for Navigation Sensors of Unmanned Autonomous Vehicles Based on Deep Learning

GONG Wenfeng1,2, WANG Yuanzhe2, CHEN Hui1, WANG Danwei2   

  1. 1. Key Laboratory of High Performance Ship Technology of Ministry of Education in China, Wuhan University of Technology, Wuhan 430063;
    2. School of Electrical and Electronic Engineering, Nanyang Technological University, Singaprore 639798, Singapore
  • Received:2021-05-21 Revised:2021-10-25 Online:2021-12-20 Published:2022-02-28

摘要: 近年来,无人驾驶汽车(Unmanned autonomous vehicle,UAV)作为未来智能交通系统(Intelligent transportation system,ITS)的重点发展方向已成为业内研究的热点。作为一种新兴智能交通工具,无人汽车的行驶完全依赖于导航传感器提供的精确位置和路径数据。GPS传感器因计算机黑客的恶意网络攻击或物理故障而造成导航位置数据异常或篡改给无人车的安全行驶带来了巨大的威胁和挑战。针对无人汽车GPS传感器易受攻击的现实问题,提出一种基于深度学习的无人车GPS传感器异常检测新方法。该方法通过改进传统一维卷积神经网络(1D Convolutional neural network,1D-CNN)的拓扑结构,设计出1DGAP-CNN算法框架,使其满足快速实时性的诊断要求。首先,原始的多传感器位置数据直接输入到提出的算法中进行数据融合和预处理;其次,提出的算法自动的进行特征提取、降维减参和模式辨识;最后,模型直接输出诊断结果,整个诊断过程由模型自主完成。结果表明,提出的方法相比于主流的智能诊断算法具有更高的诊断准确率和更快的检测速度。

关键词: 无人驾驶汽车, 深度学习, 异常诊断, 导航传感器, 网络攻击

Abstract: As a key technology of future intelligent transportation systems(ITS), unmanned autonomous vehicles(UAVs) have become a research hotspot in recent years. As an emerging intelligent transportation tool, unmanned vehicles rely on the precise location observations provided by navigation sensors. Once compromised, navigation sensors may generate abnormal observations deviating away from the ground truth, which as a result will cause severe consequences or even fatal accidents. To enhance the security of UAVs, a new deep learning based anomaly diagnosis method is proposed in this paper for the detection and identification of sensor anomalies in UAVs. The proposed method improves the topological structure of the traditional 1D Convolutional neural network (1D-CNN) and designs a 1DGAP-CNN algorithm framework to achieve a real-time rapid diagnosis. First, the original pose measurements from multiple sensors are directly input into the proposed algorithm for data fusion and preprocessing. Secondly, the proposed algorithm automatically performs feature extraction, dimension transformation, parameter reduction, and anomaly identification. Finally, the diagnosis results are automatically generated. Evaluation results show that the proposed method has higher diagnostic accuracy and faster detection speed than the state-of-the-art intelligent diagnostic algorithms.

Key words: unmanned autonomous vehicles, deep learning, anomaly diagnosis, navigation sensor, cyber attacks

中图分类号: