Navegação híbrida num veículo autónomo com direção Ackermann

Abstract

O progresso realizado na área de condução autónoma torna possível a existência, no mercado automóvel, de veículos capazes de se conduzir autonomamente com algumas restricões. Este progresso contribui também para o aumento das funcionalidades de condu c~ao assistida oferecidas pelas empresas. O ROTA e um pequeno ve culo rob otico que participa normalmente no Festival Nacional de Robótica, na prova de condução autónoma, onde tem de conduzir autonomamente numa pista com caracter sticas semelhantes aquelas encontradas numa estrada convencional. No inicio deste projeto, o software de controlo de alto nível do veiculo ROTA baseava a sua navegação num algoritmo de localização global na pista. Isto resultava num movimento oscilat orio, mesmo quando o ve culo se deslocava ao longo de uma faixa de rodagem. Foi objetivo desta disserta c~ao o desenvolvimento de um m odulo de navega c~ao de seguimento da faixa de rodagem, que proporcionasse um movimento mais suave, e a sua integraçao no software existente, criando um sistema de navegação hibrida que use em cada situação a estratégia mais adequada. Não existindo uma pista real, nem condições para construir uma, de niu-se tambem o objetivo de conceber e desenvolver um ambiente de simula c~ao realista que permitisse testar os algoritmos desenvolvidos, num formato que minimizasse o seu porte para o ambiente real. O ambiente de simula c~ao desenvolvido inclui o ve culo e a pista. Relativamente ao veiculo, o seu sistema de locomoção, baseado em direcção Ackermann, o seu sistema de visão, com capacidade de pan e tilt, e as funcionalidades de produção e de disponibilização de informação por parte dos vários sensores foram desenvolvidos, de tal forma que o software que corre nas plataformas real e virtual e exatamente o mesmo. O ambiente de simulação permite reproduzir o cenário de competição presente na prova de condução autónoma do Festival Nacional de Robotica. Foi desenvolvido o modulo de navegação que efetua o seguimento de faixa de rodagem. O seu funcionamento assenta na localização do veiculo de- nida em termos do posicionamento transversal e da orienta c~ao na faixa de rodagem. A localização e probabilstica, usando histogramas para representar as distribui c~oes de probabilidade, sendo utilizada informa c~ao proveniente de um dispositivo RGB-D (c^amara Kinect). Filtros de Bayes s~ao usados para manter boas estimativas destas distribui c~oes. O sistema de navega c~ao h brida pode, sempre que achar necess ario, comutar para outro comportamento mais adequado a situa c~ao presente. O desempenho dos algoritmos de navega c~ao e a facilidade de porte destes do robô simulado para o real permitiram ao veículo ROTA alcançar o segundo lugar na prova de condução autónoma na edicao de 2016 do Festival Nacional de Robotica.

The progress made in autonomous driving makes possible the existence, in the automotive market, of vehicles able to drive autonomously with some restrictions. This progression also contributes to increase the assisted driving features o ered by companies. ROTA is a small robotic vehicle that usually participates in the autonomous driving competition on the Portuguese Robotics Open, where it has to drive autonomously on a track that has similar characteristics with those found on a conventional road. In the beginning of this project, the high level control software of this vehicle had its navigation based in a global localization algorithm. This took to an oscillatory movement, even when the vehicle was moving along the lane. One objective of this dissertation was the development of a navigation module able to follow a lane, that could provide a smoother movement, and its integration with the existing software, creating a hybrid navigation system that uses the most appropriate strategy in each situation. In the absence of a real track and the lack of conditions to build one, it was also de ned as an objective, conceiving and developing a realistic simulation environment that would allow to test the algorithms developed, in such a way that minimizes the transfer time to the real environment. The simulated environment includes the vehicle and the track. Regarding the vehicle, its locomotion system, based in Ackermann steering, its vision system, with pan and tilt capabilities, as well as the production and availability of its sensors' information have been developed, in such a way that the software that runs in the real and virtual platforms is exactly the same. The simulation environment allows to reproduce the scenario present in the autonomous driving competition of the Portuguese Robotics Open. It was developed a navigation module to follow a lane. The operation of this module is based on the vehicle location de ned in terms of transverse positioning and orientation on the lane. The localization is probabilistic, and relies on histograms to represent probability distribution functions, using information that comes from an RGB-D device (Kinect camera). Bayesian Filters are used get good estimates of these distributions. The hybrid navigation system may, whenever necessary, switch to a behaviour more appropriate to the current situation. The navigation algorithms performance and its easy transfer from the simulated robot to the real one, allowed ROTA to achieve second place in the autonomous driving competition on the Portuguese Robotics Open 2016 edition.