Contribution to the Design and Implementation of an Autonomous Driving System for a Formula Student Driverless Car

Κουμπλής, Άρης; Koumplis, Aris

dc.contributor.author	Κουμπλής, Άρης	el
dc.contributor.author	Koumplis, Aris	en
dc.date.accessioned	2024-05-27T08:44:46Z
dc.date.available	2024-05-27T08:44:46Z
dc.identifier.uri	https://dspace.lib.ntua.gr/xmlui/handle/123456789/59475
dc.identifier.uri	http://dx.doi.org/10.26240/heal.ntua.27171
dc.rights	Αναφορά Δημιουργού 3.0 Ελλάδα	*
dc.rights.uri	http://creativecommons.org/licenses/by/3.0/gr/	*
dc.subject	Αυτόνομη οδήγηση	el
dc.subject	Αντίληψη	el
dc.subject	Σχεδιασμός Κίνησης	el
dc.subject	Αγωνιστικών μονοθεσία	el
dc.subject	Formula Student	en
dc.subject	Motion Planning	en
dc.subject	Perceptiont	en
dc.subject	SLAM	en
dc.subject	Autonomous driving	en
dc.title	Contribution to the Design and Implementation of an Autonomous Driving System for a Formula Student Driverless Car	en
heal.type	bachelorThesis
heal.classification	Ρομποτική, Αυτόνομη οδήγηση	el
heal.classification	Robotics, Autonomous driving	en
heal.language	el
heal.language	en
heal.access	free
heal.recordProvider	ntua	el
heal.publicationDate	2023-12-05
heal.abstract	Η παρούσα διπλωματική εργασία αποσκοπεί να συμβάλλει στην ανάπτυξη ενός συστήματος αυτόνομης οδήγησης αγωνιστικού μονοθέσιου οχήματος στο πλαίσιο του φοιτητικού διαγωνισμού Formula Student. H κατηγορία αυτόνομης οδήγησης (Driverless) προστέθηκε στους φοιτητικούς διαγωνισμούς σχεδίασης αγωνιστικών μονοθεσίων Formula Student το 2017. Ακολούθως, το 2022, ο κυριότερος διαγωνισμός Formula Student, αυτός της Γερμανίας, εισήγαγε την απαίτηση από όλες τις συμμετέχουσες ομάδες να συμπεριλάβουν δυνατότητα αυτόνομης οδήγησης στα αγωνιστικά μονοθέσιά τους. Η παρούσα εργασία περιγράφει τη σχεδίαση της συνολικής αρχιτεκτονικής, ενός πλήρους pipeline, για το πρώτο αυτόνομο αγωνιστικό μονοθέσιο της φοιτητικής ομάδας PROM Racing του ΕΜΠ. Επιπλέον, διερευνεί σε βάθος θέματα υλοποίησης και αξιολόγησης των μονάδων "Αντίληψης" (Perception) και "Ταυτόχρονης Χωροθέτησης-Χαρτογράφησης" (SLAM) και παρουσιάζει μία νέα προσέγγιση υπολογισμού απόστασης εμπόδια που δεν έχει χρησιμοποιηθεί από άλλη ομάδα Formula Student. Επιπροσθέτως, παρουσιάζει αρχικές δοκιμές εναλλακτικών μεθόδων "Σχεδιασμού Κίνησης" (Motion Planning) που μπορεί να αποτελέσουν τη βάση για μελλοντική έρευνα καθώς και για περαιτέρω ανάπτυξη του οχήματος. Η ικανότητα του οχήματος να εκτιμήσει την απόστασή του από τα όρια της πίστας (όπως αυτά οριοθετούνται στην προκειμένη περίπτωση από συγκεκριμένους κώνους) εξετάζεται σε ένα σύνολο 486 φωτογραφιών με 2745 κώνους σε γνωστές αποστάσεις. Η ικανότητα της μονάδας SLAM να παράξει το χάρτη της πίστας αξιολογείται πάνω στο όχημα καθώς κινείται σε πίστες τύπου Formula Student. Τέλος, οι εναλλακτικοί Motion Planners που υλοποιήθηκαν δοκιμάζονται στον προσομοιωτή του οχήματος. Η νέα μέθοδος εκτίμησης αποστάσεων πετυχαίνει μείωση μέσου τετραγωνικού σφάλματος, επιτρέποντας την αξιόπιστη ενσωμάτωση και πληροφορίας σχετιζόμενης με κώνους ευρισκόμενους σε μεγαλύτερες αποστάσεις. Με τη χρήση αυτής της μεθόδου, η μονάδα SLAM σημειώνει recall και precision της τάξης του 96.5% και 100%, αντίστοιχα. Τέλος, παρουσιάζονται και αποτελέσματα προσομοιώσεων για τη μελέτη της επίδοσης των εναλλακτικών μεθόδων Motion Planning που δοκιμάσθηκαν, δείχνοντας τη δυνατότητα υιοθέτησης αγωνιστικής γραμμής από το μονοθέσιο με ταυτόχρονη αποφυγή εξόδου από την πίστα.	el
heal.abstract	This diploma thesis aims at contributing towards the development of an autonomous race car driving system in the frames of Formula Student competitions. Formula Student constitutes a set of race car design competitions addressing university teams. The new Driverless class in Formula Student competitions was introduced in 2017. Subsequently, in 2022, the most prominent Formula Student competition, that of Germany, introduced the requirement for all competing race cars to have autonomous driving capabilities, with non-compliance resulting in significant point reductions. This diploma thesis lays out the comprehensive conceptual design of the autonomous system pipeline for the first Driverless race car of the NTUA PROM Racing Formula Student team. Furthermore, it explores in-depth issues related to the implementation and testing of the “Perception” and “Simultaneous Localization & Mapping” (SLAM) modules and proposes a new approach for detecting distance from obstacles which, to the best of the author’s knowledge, has not been previously used by other teams in the Formula Student Driverless community. Finally, it describes the implementation and initial testing of different Motion Planners, which can constitute the basis for future research and further developments on the Driverless race car. The goal of the Perception module is to detect the limits of the race track, which are in this case outlined by means of specific cones. The goal of the Perception module is, thus, to detect those cones, recognize their color and calculate the vehicle’s distance to them. For testing the performance of this module, a dataset of 486 images containing 2745 cones at known distances is used. Furthermore, the performance of the SLAM module is evaluated based on its capacity to map a circuit and is tested on the actual vehicle while being driven on Formula Student style tracks. Finally, different motion planning approaches are implemented and tested on a simulator. The new perception approach achieves a reduction of Root Mean Squared Error (RMSE), enabling the reliable integration in the system of information associated with a larger set of cones situated at greater distances from the vehicle. Using this method, the SLAM module achieves a recall rate of 96.5% and a precision rate of 100% on the test tracks. Lastly, this thesis presents results from the implementation of different motion planning approaches tested in simulation, depicting the capacity of the vehicle to adopt a racing line while always remaining within the track limits.	en
heal.advisorName	Τζαφέστας, Κώστας	el
heal.committeeMemberName	Τζαφέστας, Κώστας	el
heal.committeeMemberName	Μαραγκός, Πέτρος	el
heal.committeeMemberName	Ροντογιάννης, Αθανάσιος	el
heal.academicPublisher	Εθνικό Μετσόβιο Πολυτεχνείο. Σχολή Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Μηχανικών Υπολογιστών. Τομέας Σημάτων, Ελέγχου και Ρομποτικής	el
heal.academicPublisherID	ntua
heal.numberOfPages	67 σ.	el
heal.fullTextAvailability	false