Ground Vehicle Navigation through Traversability Analysis of Outdoor Environments

This thesis describes the research activity carried out on the navigation of unmanned ground vehicles in outdoor unstructured environments. These environments are very common in a wide variety of real-application scenarios, such as search and rescue for post-disaster response, monitoring of the environment and industrial facilities, precision farming, planetary exploration etc.. For this reason, robotics researchers have been investigating such kind of environments for decades. However, the problem of vehicle navigation in these scenarios is not fully solved. In fact, a general approach for ground vehicle motion planning, taking into account both the robot and the environment features, is still far to be defined. In the literature, this problem has been addressed through the so-called traversability analysis. It can be seen as an assessment of the difficulty for a specific ground vehicle, characterized by its own locomotion features, to cross a terrain area, which is in turn characterized by its own morphology and appearance. The works reported in this thesis are related to the problem of geometry-based traversability analysis. It consists in deriving maps of traversing costs from three-dimensional models of the environment. These costmaps are extremely useful in challenging environments, as they are used in robot motion planning to avoid unsafe paths for the vehicle itself. Still in the context of 3D reconstructions, a solution for the remote drive of mobile robotic platforms has been developed. The aim has been to enhance the operator interface with helpful information, including traversing costs, via graphical elements presented in a mixed reality context. Finally, coverage path planning for unmanned aerial vehicles has been investigated as well. It is a specific kind of path planning related to three-dimensional photogrammetric reconstruction. In particular, an approach to manage a flock of aerial vehicles has been developed, in order to parallelize the coverage mission. The coverage task is the first step needed for the environment reconstruction. Eventually the traversability analysis can be performed on the obtained reconstruction. Experimental and on-field trials have also been performed on a real mobile robotic platform, for the testing of the proposed approaches. The results achieved are reported and widely discussed.

Il presente lavoro di tesi riporta l'attività di ricerca condotta sul problema della navigazione di veicoli terrestri autonomi in ambienti outdoor non strutturati. Tali ambienti sono molto frequenti in un'ampia gamma di scenari applicativi, come la ricerca e il soccorso in caso di calamità, il monitoraggio di ambienti e impianti industriali, l'agricoltura di precisione, l'esplorazione planetaria ecc. Per tale motivo essi sono stati ampio oggetto di studio per decenni nella ricerca robotica. Nonostante ciò, il problema della navigazione di robot mobili terresti in questi scenari non si può ancora considerare pienamente risolto. Si è, infatti, ancora lontani dalla definizione di un approccio generale alla pianificazione del moto di robot terrestri, che tenga conto sia delle caratteristiche del robot stesso che dell'ambiente. In letteratura, questo problema è stato affrontato tramite la cosiddetta analisi di traversabilità (traversability analysis). Questa può essere vista come una stima della difficoltà incontrata da uno specifico veicolo di terra, caratterizzato quindi dalle sue proprie caratteristiche di locomozione, di attraversare una certa area, a sua volta caratterizzata dalla sua morfologia e dal suo aspetto esteriore. I lavori riportati in questa tesi sono relativi al problema di analisi di traversabilità basata sulla geometria (morfologia). Essa consiste nel derivare mappe di costi di traversabilità dai modelli tridimensionali dell'ambiente. Queste mappe dei costi sono estremamente utili in ambienti non strutturati, in quanto includendoli nel path planning del veicolo, consentono di evitare percorsi pericolosi per lo stesso robot. Sempre nel contesto delle ricostruzioni 3D, si è inoltre sviluppata una soluzione per la teleguida di rover. L'obiettivo di tale soluzione consiste nel migliorare l'interfaccia presentata all'operatore, integrandola con informazioni utili alla guida, come ad esempio i costi di traversabilità, mostrati come elementi grafici all interno di un contesto di realtà virtuale. Infine, è stato anche affrontato lo studio del coverage path planning per veicoli aerei. Quest ultimo è un particolare tipo di path planning utile nella ricostruzione fotogrammetrica. In particolare, si è sviluppata una strategia per gestire uno stormo di veicoli aerei, al fine di parallelizzare la missione di ispezione aerea. Tale ispezione rappresenta il primo passo necessario alla ricostruzione dell'ambiente. Infine, l'analisi di traversabilità può essere eseguita sul modello così ottenuto dalla ricostruzione fotogrammetrica. Prove sperimentali e sul campo sono state condotte su un robot mobile terrestre vero e proprio, per testare le soluzioni e gli approcci proposti. I risultati ottenuti sono riportati e ampiamente discussi nella presente tesi.