Path planning for unstructured environments in the IARA self-driving car

dc.contributor.advisor1Badue, Claudine Santos
dc.contributor.advisor1IDhttps://orcid.org/0000-0003-1810-8581
dc.contributor.advisor1Latteshttp://lattes.cnpq.br/1359531672303446
dc.contributor.authorSantos, Anderson Mozart Caetano dos
dc.contributor.authorLatteshttp://lattes.cnpq.br/9857408122913827
dc.contributor.referee1Santos, Thiago Oliveira dos
dc.contributor.referee1IDhttps://orcid.org/0000-0001-7607-635X
dc.contributor.referee1Latteshttp://lattes.cnpq.br/5117339495064254
dc.contributor.referee2Wolf, Denis Fernando
dc.contributor.referee2IDhttps://orcid.org/0000-0003-1485-5686
dc.contributor.referee2Latteshttp://lattes.cnpq.br/8948846267711214
dc.date.accessioned2024-05-30T00:50:44Z
dc.date.available2024-05-30T00:50:44Z
dc.date.issued2021-12-09
dc.description.abstractWe present a path planner for unstructured urban environments (PPUE) for the IARA autonomous car. PPUE receives an initial and final pose as inputs, as well as the maps of the environment. It employs a hybrid-state A* algorithm, which is a variant of the A* algorithm, to choose the best path between the initial and final pose. To decide which path is best, the algorithm uses two combined heuristics to estimate the cost of the current pose for the final pose: a holonomic, which considers map obstacles while ignoring vehicle motion limitations, and a nonholonomic heuristic, which ignores obstacles but considers the vehicle's movement limitations. Once the path is found, it undergoes an optimization using Conjugated Gradient to make the path smoother and more comfortable for the passenger. Different from previous works, the PPUE uses: (i) an obstacle distance grid-map, instead of an occupancy grid-map, for representing the environment; and (ii) a more accurate but simple collision model for the car. We examined the performance of the PPUE experimentally in simulations in the parking lot of the UFES main campus to evaluate the execution time, the number of nodes expanded by the A* search, and the path length found by the path planner. We also compared the use of a combination of the holonomic and nonholonomic heuristics with the Euclidean distance heuristic to assess the benefits of using them. In additional simulations, we compared the number of nodes expanded by A* using each of the heuristics mentioned separately, plus the combination of the nonholonomic and holonomic heuristics, resulting in four situations that were evaluated in a maze scenario. We also verified how the algorithm execution time is affected when using different types of open list. Finally, we carried out real-world experiments in the UFES parking lot. Our results show that PPUE computes smooth and safe paths, which follow the kinematic constraints of the vehicle, fast enough for suitable real-world operation.
dc.description.resumoApresentamos um planejador de caminho para ambientes urbanos não estruturados (PPUE) para o carro autônomo IARA. PPUE recebe uma pose inicial e final como entradas, assim como os mapas do ambiente. Ele emprega um algoritmo de estado híbrido A*, que é uma variante do algoritmo A*, para escolher o melhor caminho entre a pose inicial e final. Para decidir qual caminho é o melhor, o algoritmo usa duas heurísticas combinadas para estimar o custo da pose atual para a pose final: uma holonômica, que considera os obstáculos do mapa enquanto ignora as limitações de movimento do veículo, e uma heurística não holonômica, que ignora os obstáculos, mas considera as limitações de movimento do veículo. Uma vez encontrado o caminho, ele passa por uma otimização usando Gradiente Conjugado para tornar o caminho mais suave e confortável para o passageiro. Diferente de trabalhos anteriores, o PPUE utiliza: (i) um mapa de distância a obstáculos, ao invés de um mapa de ocupação, para representar o ambiente; e (ii) um modelo de colisão mais preciso, mas simples, para o carro. Examinamos o desempenho do PPUE experimentalmente em simulações no estacionamento do campus principal da UFES para avaliar o tempo de execução, o número de nós expandidos pela busca do A* e o tamanho do caminho encontrado pelo planejador de caminho. Também comparamos o uso da combinação de heurísticas holonômicas e não holonômicas com a heurística de distância Euclidiana para avaliar os benefícios do uso das heurísticas usadas pelo planejador. Em simulações adicionais, comparamos o número de nós expandidos pelo A* usando cada uma das heurísticas mencionadas separadamente, mais a combinação de não holonômica e holonômica, resultando em quatro situações que foram avaliadas em um cenário de labirinto. Também verificamos como o tempo de execução do algoritmo é afetado ao usar diferentes tipos de lista open. Por fim, realizamos experimentos em ambientes reais no estacionamento da UFES. Nossos resultados mostram que o PPUE calcula caminhos suaves e seguros, que seguem as restrições cinemáticas do veículo, com rapidez suficiente para uma operação adequada no mundo real.
dc.formatText
dc.identifier.urihttps://dspace5.ufes.br/handle/10/15477
dc.languagepor
dc.publisherUniversidade Federal do Espírito Santo
dc.publisher.countryBR
dc.publisher.courseMestrado em Informática
dc.publisher.departmentCentro Tecnológico
dc.publisher.initialsUFES
dc.publisher.programPrograma de Pós-Graduação em Informática
dc.rightsopen access
dc.subjectPlanejamento de caminhos
dc.subjectambientes urbanos não estruturados
dc.subjectcarros autônomos
dc.subjectalgoritmo A*
dc.subject.br-rjbnsubject.br-rjbn
dc.subject.cnpqCiência da Computação
dc.titlePath planning for unstructured environments in the IARA self-driving car
dc.title.alternativetitle.alternative
dc.typemasterThesis

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