Automation and navigation of a terrestrial vehicle
Date
2012-03
Authors
Visser, Wynand
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
Publisher
Stellenbosch : Stellenbosch University
Abstract
ENGLISH ABSTRACT: This thesis presents the design and implementation of an autonomous navigational system
and the automation of a practical demonstrator vehicle. It validates the proposed
navigation architecture using simple functional navigational modules on the said vehicle.
The proposed navigation architecture is a hierarchical structure, with a mission planner
at the top, followed by the route planner, the path planner and a vehicle controller with
the vehicle hardware at the base. A vehicle state estimator and mapping module runs in
parallel to provide feedback data.
The controls of an all terrain vehicle are electrically actuated and equipped with feedback
sensors to form a complete drive-by-wire solution. A steering controller and velocity
control state machine are designed and implemented on an existing on-board controller
that includes a six degrees-of-freedom kinematic state estimator.
A lidar scanner detects obstacles. The lidar data is mapped in real time to a local
three-dimensional occupancy grid using a Bayesian update process. Each lidar beam is
projected within the occupancy grid and the occupancy state of a ected cells is updated.
A lidar simulation environment is created to test the mapping module before practical implementation.
For planning purposes, the three-dimensional occupancy grid is converted
to a two-dimensional drivability map.
The path planner is an adapted rapidly exploring random tree (RRT) planner, that assumes
Dubins car kinematics for the vehicle. The path planner optimises a cost function
based on path length and a risk factor that is derived from the drivability map.
A simple mission planner that accepts user-de ned waypoints as objectives is implemented.
Practical tests veri ed the potential of the navigational structure implemented
in this thesis.
AFRIKAANSE OPSOMMING: In hierdie tesis word die ontwerp en implementering van 'n outonome navigasiestelsel weergegee, asook die outomatisering van 'n praktiese demonstrasievoertuig. Dit regverdig die voorgestelde navigasie-argitektuur op die bogenoemde voertuig deur gebruik te maak van eenvoudige, funksionele navigasie-modules. Die voorgestelde navigasie-argitektuur is 'n hi erargiese struktuur, met die missie-beplanner aan die bo-punt, gevolg deur die roetebeplanner, die padbeplanner en voertuigbeheerder, met die voertuighardeware as basisvlak. 'n Voertuigtoestandsafskatter en karteringsmodule loop in parallel om terugvoer te voorsien. Die kontroles van 'n vierwiel-motor ets is elektries geaktueer en met terugvoersensors toegerus om volledig rekenaarbeheerd te wees. 'n Stuur-beheerder en 'n snelheid-toestandmasjien is ontwerp en ge mplementeer op 'n bestaande aanboordverwerker wat 'n kinematiese toestandsafskatter in ses grade van vryheid insluit. 'n Lidar-skandeerder registreer hindernisse. Die lidar-data word in re ele tyd na 'n lokale drie-dimensionele besettingsrooster geprojekteer deur middel van 'n Bayesiese opdateringsproses. Elke lidar-straal word in die besettingsrooster geprojekteer en die besettingstoestand van betrokke selle word opdateer. 'n Lidar-simulasie-omgewing is geskep om die karteringsmodule te toets voor dit ge mplementeer word. Die drie-dimensionele besettingsrooster word na 'n twee-dimensionele rybaarheidskaart verwerk vir beplanningsdoeleindes. Die padbeplanner is 'n aangepaste spoedig-ontdekkende-lukrake-boom en neem Dubinskar kinematika vir die voertuig aan. Die padbeplanner optimeer 'n koste-funksie, gebaseer op padlengte en 'n risiko-faktor, wat vanaf die rybaarheidskaart verkry word. 'n Eenvoudige missie-beplanner, wat via-punte as doelstellings neem, is ge mplementeer. Praktiese toetsritte veri eer die potensiaal van die navigasiestruktuur, soos hier beskryf.
AFRIKAANSE OPSOMMING: In hierdie tesis word die ontwerp en implementering van 'n outonome navigasiestelsel weergegee, asook die outomatisering van 'n praktiese demonstrasievoertuig. Dit regverdig die voorgestelde navigasie-argitektuur op die bogenoemde voertuig deur gebruik te maak van eenvoudige, funksionele navigasie-modules. Die voorgestelde navigasie-argitektuur is 'n hi erargiese struktuur, met die missie-beplanner aan die bo-punt, gevolg deur die roetebeplanner, die padbeplanner en voertuigbeheerder, met die voertuighardeware as basisvlak. 'n Voertuigtoestandsafskatter en karteringsmodule loop in parallel om terugvoer te voorsien. Die kontroles van 'n vierwiel-motor ets is elektries geaktueer en met terugvoersensors toegerus om volledig rekenaarbeheerd te wees. 'n Stuur-beheerder en 'n snelheid-toestandmasjien is ontwerp en ge mplementeer op 'n bestaande aanboordverwerker wat 'n kinematiese toestandsafskatter in ses grade van vryheid insluit. 'n Lidar-skandeerder registreer hindernisse. Die lidar-data word in re ele tyd na 'n lokale drie-dimensionele besettingsrooster geprojekteer deur middel van 'n Bayesiese opdateringsproses. Elke lidar-straal word in die besettingsrooster geprojekteer en die besettingstoestand van betrokke selle word opdateer. 'n Lidar-simulasie-omgewing is geskep om die karteringsmodule te toets voor dit ge mplementeer word. Die drie-dimensionele besettingsrooster word na 'n twee-dimensionele rybaarheidskaart verwerk vir beplanningsdoeleindes. Die padbeplanner is 'n aangepaste spoedig-ontdekkende-lukrake-boom en neem Dubinskar kinematika vir die voertuig aan. Die padbeplanner optimeer 'n koste-funksie, gebaseer op padlengte en 'n risiko-faktor, wat vanaf die rybaarheidskaart verkry word. 'n Eenvoudige missie-beplanner, wat via-punte as doelstellings neem, is ge mplementeer. Praktiese toetsritte veri eer die potensiaal van die navigasiestruktuur, soos hier beskryf.
Description
Thesis (MScEng)--Stellenbosch University, 2012
Keywords
Autonomous navigation, Path planning, Lidar mapping, Vehicle automation, Dissertations -- Electronic engineering, Theses -- Electronic engineering