Path planning for autonomous local navigation of a planetary exploration rover

During the last 20 years the exploration of Mars has been on the forefront of ambitious space engineering projects like the NASA’s Mars Exploration Program or ESA’s Exo Mars Mission. Robot and rovers are deployed on the planet, but due to the limited inter planetary communication constraints, full autonomous onboard navigation capabilities are crucial as the rover has to drive over several meters per sol (Martian day) to reach designated scientific sites. In fact these missions’ scientific objective is usually to search for and characterize a wide range of rocks and soils that hold clues to past water activity on Mars, in order to obtain more information on the red planet and also our solar system’s history. The core of the navigation software to be deployed on these rovers is based on an autonomous navigation architecture that uses algorithms that are designed to meet the mission-specific constraints imposed by the available spatial technology such as energy consumption, memory, computation power and time costs. After a summary on the history of the various Mars exploration missions and a general overview of the path planning problem, the first objective of this thesis is to re-create such classic path planning architecture in a simulation environment and assess its qualities through a basic implementation of the navigational problem. Then an improvement of this classic local path planning method is proposed, in order to reduce in-place-turn maneuvers during trajectory execution by using a state lattice path planner which encodes the steering capabilities of the rover. Finally an insight on the complementary problem of global path planning is given, as well as an overview of some novel approaches to path planning and robotic planetary exploration

Negli ultimi 20 anni l'esplorazione di Marte è stata in prima linea in ambiziosi progetti di ingegneria spaziale come il Mars Exploration Program della NASA o l’ Exo Mars Mission dell'ESA. Robot e rover sono mandati sul pianeta, ma a causa dei limitati vincoli di comunicazione interplanetaria, le capacità di navigazione autonoma sono cruciali in quanto il rover deve spostarsi di diversi metri per sol (giorno marziano) per raggiungere i vari siti scientifici designati. Infatti l'obiettivo scientifico di queste missioni è solitamente quello di cercare e caratterizzare una vasta gamma di rocce e terreni che contengono indizi sull'attività idrica passata su Marte, al fine di ottenere maggiori informazioni sul pianeta rosso e anche sulla storia del nostro sistema solare. Il nucleo del software di navigazione di questi rover si basa su un architettura di navigazione autonoma che utilizza algoritmi progettati per soddisfare gli specifici vincoli della missione imposti dalla tecnologia spaziale disponibile, come per esempio l'energia, i consumi, la memoria, la potenza di calcolo e il tempo. Dopo un riassunto sulla storia delle varie missioni di esplorazione di Marte e una panoramica generale sul problema del path planning, il primo obiettivo di questa tesi è quello di ricreare una classica architettura di navigazione in una simulazione e valutarne le qualità. Sucessivamente un miglioramento di questo classico metodo per il path planning locale viene proposto, al fine di ridurre le manovre di svolta sul posto durante l’esecuzione della traiettoria, utilizzando un pianificatore del percorso basato su un reticolo di stato che codifica le capacità di sterzo del rover. Infine viene fornito uno sguardo al problema complementare del path planning a livello globale, nonché una panoramica su alcuni nuovi approcci al path planning e all’ esplorazione planetaria robotica in generale.