Design, optimization and implementation of path planning software for Mars exploration rovers

Abstract

[EN] Due to the great distance between Earth and Mars, it is not possible to control a martian robot in real-time. As a result, the rovers are provided with maximum autonomy and would be implemented with the software developed throughout this thesis. The rover analyzes the pieces of terrain (cells) around its current position and gives them a value (cost) according to how feasible it is for each cell to become the next point on the route. This process is repeated until the end point of the path is reached. The cost is calculated as a linear function of several weighted indices. These indices are based on the slope, the distance to the end point, and whether a cell has already been stepped on. Each index is given a different weight so as to minimize both the risk to the rover and the amount of time (or energy) it will consume to reach its goal. The program has been optimized by eliminating return points and adding interpolation methods and B´ezier curves. The computational cost and number of iterations for the different software improvements will be further compared. Finally, to test the validity of the software without excessive use of computer resources, fictitious 3D surfaces were generated with various altitudes and parameters randomly obtained. Furthermore, topographic information from a part of the Jezero crater, where the most recent rover landed, was utilized for a tangible application of the software. The results obtained from both methods will be outlined.

[ES] Debido a la gran distancia que separa la Tierra de Marte, no es posible controlar un robot marciano a tiempo real. Es por ello por lo que se dota a los rovers de la máxima autonomía posible. En este trabajo se diseña un software que sería implementado en un rover enviado a Marte. El rover marciano analiza los trozos de terreno (celdas) que se encuentran alrededor de la posición actual del vehículo y les da un valor (coste) según lo factible que sea para cada celda convertirse en el siguiente punto de la ruta. Este proceso se repite hasta que se llega al punto final del trayecto. El coste se calcula como una función lineal de varios índices ponderados. Estos índices están basados, por ejemplo, en la pendiente, en la distancia al punto final y en el hecho de que una celda ya haya sido pisada. A cada índice se le da un peso diferente de tal forma que se minimice tanto el riesgo para el rover como la cantidad de tiempo (o energía) que vaya a consumir para alcanzar su objetivo. El programa se ha optimizado eliminando puntos de retorno y añadiendo métodos de interpolación y curvas de Bézier. Se compara el coste de computación y el número de iteraciones para las diferentes mejoras del software. Por último, para probar la funcionalidad del programa, se han utilizado dos métodos: generación de superficies ficticias con altitudes y demás parámetros obtenidos de forma aleatoria por donde el rover pueda desplazarse y ejecución del software en una superficie creada a partir de datos reales de la topografía de Marte. En el primer caso, se busca validar el software sin utilizar muchos recursos de computación. En el segundo, se usaría información topográfica de una parte del cráter Jezero, donde aterrizó el rover más reciente. Se analizan los resultados obtenidos a partir de ambos métodos.