Simulation-Based Path Planning for Autonomous Ground Vehicles in Off-Road Environment
Loading...
Date
Authors
Adámek, Roman
ORCID
Advisor
Referee
Mark
P
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
Publisher
Vysoké učení technické v Brně. Fakulta strojního inženýrství
Abstract
Tato disertační práce se zabývá problematikou plánování cesty mobilního robotu v terénním prostředí z pohledu lokálního i globálního plánování. Cílem použitých přístupů je posuzovat průchodnost vozidla terénem na základě modelování a simulace jejich vzájemné interakce při uvažování kinematických i dynamických omezení vozidla. V úvodu práce je shrnut aktuální stav poznání v oblastech globálního a lokálního plánování s ohledem na použité metody, integraci kinodynamických omezení a možnosti využití fyzikálních simulátorů jako modelu vozidla. Na základě předchozího přehledu byly vytyčeny tři cíle, které jsou postupně představeny v dalších kapitolách. V prvním cíli je demonstrováno využití vícevrstvé mapy obsahující geografické informace v kombinaci se zjednodušeným dynamickým modelem vozidla pro rozšíření schopností Hybrid A* algoritmu pro plánování v terénním prostředí s ohledem na různá kritéria. Druhý cíl se zaměřuje na možnost využití fyzikálního simulátoru PhysX v rámci prediktivního řízení s pomocí algoritmu model predictive path integral (MPPI) v podobě hybridního hierarchického lokálního plánovače. Ten kombinuje střednědobý plánovač zohledňující geometrickou průchodnost terénem a krátkodobý plánovač využívající fyzikální simulace. Na závěr jsou tyto algoritmy demonstrovány spolu s kompletním systémem pro řízení autonomního vozidla v simulaci i na reálném vozidle.
This dissertation addresses the problem of path planning of a mobile robot in a terrain environment from the perspective of local and global planning. The presented approaches aim at assessing the vehicle's traversability through terrain by modelling and simulating their interaction while considering the vehicle's kinematic and dynamic constraints. In the introduction of the thesis, the current state-of-the-art in the fields of global and local planning is summarised with respect to the methods used, the integration of kinodynamic constraints, and the possibility of using physical simulators as vehicle models. Based on the previous overview, three objectives were set, which are presented in the following chapters. The first objective presents the use of a multi-layered map containing geographical information in combination with a simplified dynamic vehicle model to extend the capabilities of the Hybrid A* algorithm for planning in a terrain environment considering different criteria. The second objective focuses on the possibility of using the PhysX simulator in a predictive control framework with the model predictive path integral (MPPI) algorithm in the form of a hybrid hierarchical local planner. The planner combines a medium-range planner taking into account the geometric traversability of the terrain and a short-range planner using physical simulations. Finally, these algorithms are demonstrated together with a complete autonomous vehicle control system in simulation and on a real vehicle.
This dissertation addresses the problem of path planning of a mobile robot in a terrain environment from the perspective of local and global planning. The presented approaches aim at assessing the vehicle's traversability through terrain by modelling and simulating their interaction while considering the vehicle's kinematic and dynamic constraints. In the introduction of the thesis, the current state-of-the-art in the fields of global and local planning is summarised with respect to the methods used, the integration of kinodynamic constraints, and the possibility of using physical simulators as vehicle models. Based on the previous overview, three objectives were set, which are presented in the following chapters. The first objective presents the use of a multi-layered map containing geographical information in combination with a simplified dynamic vehicle model to extend the capabilities of the Hybrid A* algorithm for planning in a terrain environment considering different criteria. The second objective focuses on the possibility of using the PhysX simulator in a predictive control framework with the model predictive path integral (MPPI) algorithm in the form of a hybrid hierarchical local planner. The planner combines a medium-range planner taking into account the geometric traversability of the terrain and a short-range planner using physical simulations. Finally, these algorithms are demonstrated together with a complete autonomous vehicle control system in simulation and on a real vehicle.
Description
Citation
ADÁMEK, R. Simulation-Based Path Planning for Autonomous Ground Vehicles in Off-Road Environment [online]. Brno: Vysoké učení technické v Brně. Fakulta strojního inženýrství. 2024.
Document type
Document version
Date of access to the full text
Language of document
en
Study field
Inženýrská mechanika
Comittee
prof. Ing. Jindřich Petruška, CSc. (předseda)
prof. Ing. Petr Noskievič, CSc. (člen)
Mgr. Šimon Řeřucha, Ph.D. (člen)
doc. Ing. Jiří Krejsa, Ph.D. (člen)
doc. Mgr. Jaroslav Hrdina, Ph.D. (člen)
RNDr. Vladimír Opluštil (člen)
Date of acceptance
2024-09-20
Defence
Komise oceňuje vytvoření a implementaci simulačního modelu autonomního řízení vozidla v neznámém terénu, formulaci kritérií pro optimalizaci trajektorie pohybu a implementaci algoritmů do reálného řídícího systému včetně ověření jeho funkčnosti.
Result of defence
práce byla úspěšně obhájena
Document licence
Standardní licenční smlouva - přístup k plnému textu bez omezení