Path planning algorithms for autonomous navigation of a non-holonomic robot in unstructured environments

openPath planning is a crucial aspect of autonomous robot navigation, enabling robots to efficiently and safely navigate through complex environments. This thesis focuses on autonomous navigation for robots in dynamic and uncertain environments. In particular, the project aims to analyze the localization and path planning problems. A fundamental review of the existing literature on path planning algorithms has been carried on. Various factors affecting path planning, such as sensor data fusion, map representation, and motion constraints, are also analyzed. Thanks to the collaboration with E80 Group S.p.A., the project has been developed using ROS (Robot Operating System) on a Clearpath Dingo-O, an indoor mobile robot. To address the challenges posed by unstructured and dynamic environments, ROS follows a combined approach of using a global planner and a local planner. The global planner generates a high-level path, considering the overall environment, while the local planner handles real-time adjustments to avoid moving obstacles and optimize the trajectory. This thesis describes the role of the global planner in a ROS-framework. Performance benchmarking of traditional algorithms like Dijkstra and A*, as well as other techniques, is fundamental in order to understand the limits of these methods. In the end, the Hybrid A* algorithm is introduced as a promising approach for addressing the issues of unstructured environments for autonomous navigation of a non-holonomic robot. The core concepts and implementation details of the algorithm are discussed, emphasizing its ability to efficiently explore continuous state spaces and generate drivable paths.The effectiveness of the proposed path planning algorithms is evaluated through extensive simulations and real-world experiments using the mobile platform. Performance metrics such as path length, execution time, and collision avoidance are analyzed to assess the efficiency and reliability of the algorithms.Path planning is a crucial aspect of autonomous robot navigation, enabling robots to efficiently and safely navigate through complex environments. This thesis focuses on autonomous navigation for robots in dynamic and uncertain environments. In particular, the project aims to analyze the localization and path planning problems. A fundamental review of the existing literature on path planning algorithms has been carried on. Various factors affecting path planning, such as sensor data fusion, map representation, and motion constraints, are also analyzed. Thanks to the collaboration with E80 Group S.p.A., the project has been developed using ROS (Robot Operating System) on a Clearpath Dingo-O, an indoor mobile robot. To address the challenges posed by unstructured and dynamic environments, ROS follows a combined approach of using a global planner and a local planner. The global planner generates a high-level path, considering the overall environment, while the local planner handles real-time adjustments to avoid moving obstacles and optimize the trajectory. This thesis describes the role of the global planner in a ROS-framework. Performance benchmarking of traditional algorithms like Dijkstra and A*, as well as other techniques, is fundamental in order to understand the limits of these methods. In the end, the Hybrid A* algorithm is introduced as a promising approach for addressing the issues of unstructured environments for autonomous navigation of a non-holonomic robot. The core concepts and implementation details of the algorithm are discussed, emphasizing its ability to efficiently explore continuous state spaces and generate drivable paths.The effectiveness of the proposed path planning algorithms is evaluated through extensive simulations and real-world experiments using the mobile platform. Performance metrics such as path length, execution time, and collision avoidance are analyzed to assess the efficiency and reliability of the algorithms

Towards autonomous robotic systems: seamless localization and trajectory planning in dynamic environments

Evolucionar hacia una sociedad más automatizada y robotizada en la que podamos convivir con sistemas robóticos que desempeñen tareas poco atractivas o peligrosas para el ser humano, supone plantearnos, entre otras cuestiones, qué soluciones existen actualmente y cuáles son las mejoras a incorporar a las mismas. La mayoría de aplicaciones ya desarrolladas son soluciones robustas y adecuadas para el fin que se diseñan. Sin embargo, muchas de las técnicas implantadas podrían funcionar de manera más eficiente o bien adaptarse a otras necesidades. Asimismo, en la mayoría de aplicaciones robóticas adquiere importancia el contexto en el que desempeñan su función. Hay entornos estructurados y fáciles de modelar, mientras que otros apenas presentan características utilizables para obtener información de los mismos.Esta tesis se centra en dos de las funciones básicas que debe tener cualquier sistema robótico autónomo para desplazarse de forma robusta en cualquier tipo de entorno: la localización y el cálculo de trayectorias seguras. Además, los escenarios en los que se desea poner en práctica la investigación son complejos: un parque industrial con zonas cuyas características de entorno (usualmente geométricas) son utilizadas para que un robot se localice, varían; y entornos altamente ocupados por otros agentes móviles, como el vestíbulo de un teatro, en los que se debe considerar las características dinámicas de los demás para calcular un movimiento que sea seguro tanto para el robot como para los demás agentes.La información que se puede percibir de los escenarios con ambientes no homogéneos, por ejemplo de interior y exterior, suele ser de características diferentes. Cuando la información que se dispone del entorno proviene de sensores diferentes hay que definir un método que integre las medidas para tener una estimación de la localización del robot en todo momento. El tema de la localización se ha investigado intensamente y existen soluciones robustas en interior y exterior, pero no tanto en zonas mixtas. En las zonas de transición interior-exterior y viceversa es necesario utilizar sensores que funcionan correctamente en ambas zonas, realizando una integración sensorial durante la transición para evitar discontinuidades en la localización o incluso que el robot se pierda. De esta manera la navegación autónoma, dependiente de la correcta localización, funcionará sin discontinuidades ni movimientos bruscos.En entornos dinámicos es esencial definir una forma de representar la información que refleje su naturaleza cambiante. Por ello, se han definido en la literatura diferentes modelos que representan el dinamismo del entorno, y que permiten desarrollar una planificación de trayectorias directamente sobre las variables que controlan el movimiento del robot, en nuestro caso, las velocidades angular y lineal para un robot diferencial. Los planificadores de trayectorias y navegadores diseñados para entornos estáticos no funcionan correctamente en escenarios dinámicos, ya que son puramente reactivos. Es necesario tener en cuenta la predicción del movimiento de los obstáculos móviles para planificar trayectorias seguras sin colisión. Los temas abordados y las contribuciones aportadas en esta tesis son:• Diseño de un sistema de localización continua en entornos de interior y exterior, poniendo especial interés en la fusión de las medidas obtenidas de diferentes sensores durante las transiciones interior-exterior, aspecto poco abordado en la literatura. De esta manera se obtiene una estimación acotada de la localización durante toda la navegación del robot. Además, la localización se integra con una técnica reactiva de navegación, construyendo un sistema completo de navegación. El sistema integrado se ha evaluado en un escenario real de un parque industrial, para una aplicación logística en la que las transiciones interior-exterior y viceversa suponían un problema fundamental a resolver.• Definición de un modelo para representar el entorno dinámico del robot, llamado Dynamic Obstacle Velocity-Time Space (DOVTS). En este modelo aparecen representadas las velocidades permitidas y prohibidas para que el robot evite las colisiones con los obstáculos de alrededor. Este modelo puede ser utilizado por algoritmos de navegación ya existentes, y sirve de base para las nuevas técnicas de navegación desarrolladas en la tesis y explicadas en los siguientes puntos. • Desarrollo de una técnica de planificación y navegación basada en el modelo DOVTS. En este modelo se identifica un conjunto de situaciones relativas entre el robot y los obstáculos. A cada situación se asocia una estrategia de navegación, que considera la seguridad del robot para evitar colisiones, a la vez que intenta minimizar el tiempo al objetivo.• Implementación de una técnica de planificación y navegación basada en el modelo DOVTS, que utiliza explícitamente la información del tiempo para la planificación del movimiento. Se desarrolla un algoritmo A*-like que planifica los movimientos de los siguientes instantes, incrementando la maniobrabilidad del robot para la evitación de obstáculos respecto al método del anterior punto, a costa de un mayor tiempo de cómputo. Se analizan las diferencias en el comportamiento global del robot con respecto a la técnica anterior.Los diferentes aspectos que se han investigado en esta tesis tratan de avanzar en el objetivo de conseguir robots autónomos que puedan adaptarse a nuestra vida cotidiana en escenarios que son típicamente dinámicos de una forma natural y segura.<br /

Model Predictive Control for Autonomous Driving Based on Time Scaled Collision Cone

In this paper, we present a Model Predictive Control (MPC) framework based on path velocity decomposition paradigm for autonomous driving. The optimization underlying the MPC has a two layer structure wherein first, an appropriate path is computed for the vehicle followed by the computation of optimal forward velocity along it. The very nature of the proposed path velocity decomposition allows for seamless compatibility between the two layers of the optimization. A key feature of the proposed work is that it offloads most of the responsibility of collision avoidance to velocity optimization layer for which computationally efficient formulations can be derived. In particular, we extend our previously developed concept of time scaled collision cone (TSCC) constraints and formulate the forward velocity optimization layer as a convex quadratic programming problem. We perform validation on autonomous driving scenarios wherein proposed MPC repeatedly solves both the optimization layers in receding horizon manner to compute lane change, overtaking and merging maneuvers among multiple dynamic obstacles.Comment: 6 page

Evaluación y comparación de sistemas de planificación de navegación de robots en entornos dinámicos

Este trabajo aborda un análisis comparativo de diferentes técnicas de planificación de movimientos en entornos dinámicos. Se basa en trabajos anteriores, en los que se desarrollaron dos técnicas de planificación de movimientos para un robot que se mueve en un entorno dinámico. Se trata de técnicas de navegación robocéntricas en las que el modelo del entorno dinámico se basa en el espacio de velocidad-tiempo del robot, donde se representan tanto los objetos estáticos como dinámicos. La primera técnica trabaja sobre un espacio de velocidades bidimensional (velocidad lineal-velocidad angular). Explota la idea de identificar la mejor estrategia en función de la situación en la que se encuentra el robot. La segunda técnica optimiza una función objetivo en el espacio de velocidad-tiempo para obtener comandos óptimos y trayectorias seguras. Además, incorpora la técnica desarrollada en el primer trabajo como heurística para mejorar la toma de decisiones, dando lugar a Strategies-Optimization. Para evaluar el rendimiento de la navegación con dichas técnicas se define una serie de métricas, que permiten seleccionar los mejores parámetros de optimización para cada tipo de escenario. Estas métricas evalúan y comparan los comportamientos en diferentes escenarios, lo que permite tener una evaluación completa de todas las técnicas. Además, en aplicaciones reales los robots tienen que moverse en escenarios tanto de interior como de exterior. Sin embargo, para que los robots construyan un mapa del entorno, se localicen y naveguen utilizan diferentes sensores, debido al tipo de información disponible y a la incertidumbre de cada sensor en cada momento. Esto provoca discontinuidades en localización o incluso pérdida de ello, lo que debe evitarse. En este trabajo se presenta una técnica de localización unificada para entornos de interior-exterior que permite una transición continua entre una zona de la que se dispone un mapa construido con los sensores láser a bordo del robot y una zona que utiliza el GPS para la localización del robot

Internet of robotic things : converging sensing/actuating, hypoconnectivity, artificial intelligence and IoT Platforms

The Internet of Things (IoT) concept is evolving rapidly and influencing newdevelopments in various application domains, such as the Internet of MobileThings (IoMT), Autonomous Internet of Things (A-IoT), Autonomous Systemof Things (ASoT), Internet of Autonomous Things (IoAT), Internetof Things Clouds (IoT-C) and the Internet of Robotic Things (IoRT) etc.that are progressing/advancing by using IoT technology. The IoT influencerepresents new development and deployment challenges in different areassuch as seamless platform integration, context based cognitive network integration,new mobile sensor/actuator network paradigms, things identification(addressing, naming in IoT) and dynamic things discoverability and manyothers. The IoRT represents new convergence challenges and their need to be addressed, in one side the programmability and the communication ofmultiple heterogeneous mobile/autonomous/robotic things for cooperating,their coordination, configuration, exchange of information, security, safetyand protection. Developments in IoT heterogeneous parallel processing/communication and dynamic systems based on parallelism and concurrencyrequire new ideas for integrating the intelligent “devices”, collaborativerobots (COBOTS), into IoT applications. Dynamic maintainability, selfhealing,self-repair of resources, changing resource state, (re-) configurationand context based IoT systems for service implementation and integrationwith IoT network service composition are of paramount importance whennew “cognitive devices” are becoming active participants in IoT applications.This chapter aims to be an overview of the IoRT concept, technologies,architectures and applications and to provide a comprehensive coverage offuture challenges, developments and applications