Smooth sample-based path planning for non-holonomic mobile robots in real 2D environments : algorithms and results

The ability to navigate in an environment is essential to the autonomy of a mobile robot. Path planning for mobile robots requires to compute a collision-free path from a starting location to a goal location within a known environment. Computing a global plan considering the kinematic of the robot is a challenge widely addressed in the literature, and the quality of the solutions is a major concern in most applications. The scope of this thesis is propose new algorithms to produce smooth paths for non-holonomic wheeled robots. We implemented some state of the art algorithms and the algorithms proposed in this thesis in the ROS framework and we tested their performance considering differential drive and bicycle kinematics. Results show that one of our algorithms produces the smoothest paths that, in most cases, are also the shortest paths, whereas the second one of our algorithms achieves the lowest computational time.

La capacità di muoversi all'interno di un ambiente è essenziale per garantire l'autonomia di un robot mobile. Risolvere il problema del path planning per un robot mobile richiede il calcolo di un percorso privo di collisioni con gli ostacoli che da una posizione di partenza giunga a una posizione di destinazione all'interno di un ambiente noto. Calcolare un piano globale che soddisfi i vincoli cinematici del robot è una sfida largamente affrontata in letteratura, e la qualità delle soluzioni rappresenta una delle maggiori preoccupazioni in molte applicazioni. Scopo della tesi è di proporre algoritmi che producano percorsi smooth (senza brusche variazioni) per robot non olonomici su ruote. Gli algoritmi proposti, insieme ad altri algoritmi dello stato dell'arte, sono stati implementati in ROS e confrontati considerando il modello cinematico del differential drive e della bicicletta. I risultati sperimentali mostrano che uno degli algoritmi proposti produce i percorsi più smooth in tutte le istanze che, spesso, sono anche i percorsi più brevi, mentre l'altro degli algoritmi proposti ottiene il minor tempo di calcolo.