Master's Thesis

The design of an autonomous mower

Final Thesis 2.53 MB Appendix 3.47 MB

Author of thesis: Bc. Šimon Horuta

Acad. year: 2025/2026

Supervisor: doc. Ing. Pavel Kučera, Ph.D.

Reviewer: prof. Ing. Václav Píštěk, DrSc.

Abstract:

The aim of this thesis is to design a mechatronic system for the autonomous control of a lawnmower based on a literature review of existing autonomous mower solutions, the selection of suitable sensors and hardware, the design of a control algorithm, and the verification of its functionality. The thesis describes the selection of a sensor suite for localization and environmental perception together with the design of the hardware architecture of the control system. Furthermore, it presents the design of a control algorithm in MATLAB Simulink, which provides trajectory tracking, drive control, and sensor data fusion. The work also includes a user application developed in Python for defining the working area and automatically generating a coverage trajectory. Finally, the results verifying the functionality of the designed system are presented.

Keywords:

Autonomous lawnmower, mechatronic system, control algorithm, simulation, sensor data fusion, trajectory tracking, path planning, mobile robotics

Date of defence

16.06.2026

Result of the defence

Defended (thesis was successfully defended)

znamkaAznamka

Grading

A

Process of defence

Student seznámil zkušební komisi s průběhem a výsledky své závěrečné práce. Následně zodpověděl otázky oponenta: 1) Jaké hlavní problémy mohou nastat při provozu RTK-GNSS lokalizace v prostředí se zhoršenou viditelností satelitů a jak by bylo možné zvýšit robustnost systému? Zodpovězeno. 2) Jakým způsobem byla realizována fúze dat z jednotlivých senzorů a jaké jsou hlavní výhody tohoto přístupu? Zodpovězeno. 3) Jaké jsou hlavní rozdíly mezi využitím LiDARu a kamerového systému pro navigaci autonomní sekačky? Zodpovězeno. 4) Jakým způsobem by bylo možné navržený systém rozšířit o detekci dynamických překážek nebo pokročilé metody SLAM? Zodpovězeno. Další otázky k závěrečné práci od členů komise: 1) Jak systém reaguje na nově umístěnou dlouhodobější překážku nebo mísrnou změnu prostoru? Zodpovězeno. 2) Popište využití lidaru a náročnost na zpracování dat. Zodpovězeno. 3) V čem měla být sekačka lepší než běžně dostupné autonomní sekačky na trhu? Zodpovězeno. 4) Existují jiné jednoduší metody, jak sekačku řídit než pomocí GNSS? Částečně zodpovězeno. 5) Jaká je výkonová náročnost implementovaného zařízení? Částečně zodpovězeno. 6) Byla při návrhu uvažována vyšší provozní teplota v letních měsících? Částečně zodpovězeno. 7) Byla uvažována opensource aplikace? Částečně zodpovězeno. 8) Jak eliminovat neposečené úseky kolem překážek? Jak zapracovat do algoritmu? Nezodpovězeno.

Language of thesis

Czech

Faculty

Department

Study programme

Advanced Automotive Engineering (N-AAE-P)

Composition of Committee

prof. Ing. Pavel Novotný, Ph.D. (předseda)
doc. Ing. Lubomír Klimeš, Ph.D. (místopředseda)
Ing. Vojtěch Trusík (člen)
Ing. Jiří Bazala, Ph.D. (člen)
Ing. Lukáš Šopík (člen)
Ing. Tomáš Heger (člen)

Supervisor’s report
doc. Ing. Pavel Kučera, Ph.D.

Diplomová práce se zabývá návrhem autonomní sekačky včetně rešerše současných řešení, návrhu hardwarové architektury, implementace řídicího algoritmu v MATLAB/Simulink a vytvoření podpůrných aplikací v jazyce Python. Součástí práce je také simulační ověření navrženého systému.

Student pracoval samostatně a pravidelně konzultoval dílčí výsledky řešení. Aktivně vyhledával odborné zdroje, navrhoval vlastní varianty řešení. Ocenit lze zejména rozsah praktické části zahrnující nejen návrh řídicího systému, ale i vývoj uživatelských aplikací. Při řešení prokázal schopnost samostatně kombinovat poznatky z oblasti robotiky, navigace a programování.

Rešeršní část poskytuje ucelený přehled problematiky autonomních sekaček, senzorických systémů, lokalizace a plánování trajektorie. Zpracování odpovídá požadavkům diplomové práce a vytvořilo vhodný základ pro návrh vlastního řešení. Místy však převažuje popisný charakter nad hlubší technickou analýzou jednotlivých metod.

Student využil standardní metody robotiky a autonomního řízení, zejména EKF, GNSS/IMU fúzi, Pure Pursuit a LiDAR detekci překážek. Významným vlastním přínosem je návrh kompletní architektury systému, implementace simulačního modelu a vytvoření aplikace pro generování trajektorií a definici pracovní oblasti.

Stanovené cíle byly splněny. Byla provedena rešerše, navržen hardware, vytvořen řídicí algoritmus i podpůrné aplikace a byla ověřena funkčnost v simulačním prostředí. Určitým omezením je, že plánovací algoritmus vykazuje nedostatky při hustším pokrytí pracovní plochy, a to souvisí i s detekci překážek, ale není to nic zásadního, co by se nedalo opravit mírnou změnou algoritmu.

Práce je graficky zpracována na dobré úrovni. Text je převážně srozumitelný a logicky členěný. Vyskytují se však drobné jazykové, terminologické nedostatky, které nemají zásadní vliv na odbornou úroveň práce.

Student prokázal schopnost samostatně řešit komplexní inženýrský problém z oblasti autonomních systémů. Navržené řešení představuje funkční základ pro další vývoj autonomní sekačky a obsahuje vlastní programové i systémové prvky. Použití generativní AI je v práci transparentně popsáno a dle uvedeného rozsahu sloužilo pouze jako podpůrný nástroj při tvorbě textu a programování, nikoliv jako náhrada vlastní odborné práce. Diplomovou práci doporučuji k obhajobě.
Evaluation criteria Grade
Splnění požadavků a cílů zadání A
Postup a rozsah řešení, adekvátnost použitých metod B
Vlastní přínos a originalita A
Schopnost interpretovat dosažené výsledky a vyvozovat z nich závěry A
Využitelnost výsledků v praxi nebo teorii B
Logické uspořádání práce a formální náležitosti A
Grafická, stylistická úprava a pravopis B
Práce s literaturou včetně citací B
Samostatnost studenta při zpracování tématu A

Grade proposed by supervisor: A

Diplomová práce se zabývá návrhem autonomní robotické sekačky využívající technologii RTK-GNSS, senzorovou fúzi a algoritmy autonomní navigace. Práce zahrnuje rozsáhlou rešerši současného stavu poznání v oblasti autonomních robotických sekaček, lokalizace, senzorických systémů a plánování trajektorie, dále návrh hardwarové platformy a implementaci řídicího algoritmu v prostředí MATLAB Simulink.
Teoretická část práce je zpracována velmi kvalitně a poskytuje ucelený přehled problematiky autonomních sekaček a metod používaných v mobilní robotice. Autor vhodně popisuje vývoj autonomních systémů, principy lokalizace pomocí GNSS a RTK-GNSS, odometrie, LiDARových a kamerových systémů i bezpečnostních senzorů. Pozitivně hodnotím zejména rozsah rešerše a schopnost propojit jednotlivé technologie do širšího kontextu autonomní mobilní robotiky.
V praktické části autor navrhl konkrétní hardwarovou konfiguraci autonomní sekačky a implementoval řídicí algoritmus umožňující autonomní pohyb podle zadané trajektorie. Součástí řešení je rovněž uživatelská aplikace vytvořená v jazyce Python pro definici pracovní oblasti nad mapovým podkladem a automatické generování trajektorie pokrývající definovanou plochu. Oceňuji zejména komplexnost řešení zahrnující propojení lokalizace, plánování pohybu, řízení podvozku i uživatelského rozhraní.
Práce vykazuje zřetelný vlastní přínos autora, zejména v oblasti implementace navigačního algoritmu a návrhu architektury celého systému. Přestože některé použité principy vycházejí z již známých metod mobilní robotiky, jejich integrace do konkrétní aplikace autonomní sekačky byla provedena samostatně a na velmi dobré technické úrovni.
Stanovené cíle práce byly splněny v plném rozsahu. Autor provedl rešerši problematiky, navrhl vhodnou senzorickou a hardwarovou konfiguraci a vytvořil funkční simulační i řídicí řešení umožňující autonomní navigaci sekačky. Dosažené výsledky potvrzují funkčnost navrženého konceptu a současně ukazují praktická omezení RTK lokalizace a senzorické navigace v reálném prostředí.
Práce je logicky členěna a jednotlivé kapitoly na sebe vhodně navazují. Grafická úroveň práce je velmi dobrá, obrázky a schémata jsou kvalitní a vhodně doplňují text. Jazyková úroveň práce je rovněž dobrá, pouze místy se objevují drobné stylistické nepřesnosti nebo méně vhodné formulace. Pozitivně hodnotím systematické používání odborné terminologie a práci se zdroji, jakož i transparentní uvedení využití generativní AI, která byla využita pouze podpůrně a v souladu s metodikou VUT.
Použitá literatura je rozsáhlá, aktuální a tematicky relevantní. Autor pracuje převážně s odbornými články, technickou literaturou a relevantní dokumentací. Citace jsou uváděny korektně a v souladu s požadovaným citačním stylem.

Diplomová práce představuje kvalitně zpracované technické dílo zaměřené na aktuální problematiku autonomní mobilní robotiky. Autor prokázal schopnost samostatně řešit komplexní interdisciplinární problém zahrnující oblast senzoriky, lokalizace, řízení a navigace mobilních robotů. Práce svým rozsahem i odbornou úrovní odpovídá platným požadavkům kladeným na diplomové práce, Cíle diplomové práce byly bezezbytku splněny.
Evaluation criteria Grade
Splnění požadavků a cílů zadání A
Postup a rozsah řešení, adekvátnost použitých metod A
Vlastní přínos a originalita B
Schopnost interpretovat dosaž. výsledky a vyvozovat z nich závěry B
Využitelnost výsledků v praxi nebo teorii A
Logické uspořádání práce a formální náležitosti B
Grafická, stylistická úprava a pravopis B
Práce s literaturou včetně citací A
Topics for thesis defence:
  1. Jakým způsobem by bylo možné navržený systém rozšířit o detekci dynamických překážek nebo pokročilé metody SLAM?
  2. Jaké hlavní problémy mohou nastat při provozu RTK-GNSS lokalizace v prostředí se zhoršenou viditelností satelitů a jak by bylo možné zvýšit robustnost systému?
  3. Jakým způsobem byla realizována fúze dat z jednotlivých senzorů a jaké jsou hlavní výhody tohoto přístupu?
  4. Jaké jsou hlavní rozdíly mezi využitím LiDARu a kamerového systému pro navigaci autonomní sekačky?

Grade proposed by reviewer: A

Responsibility: Mgr. et Mgr. Hana Odstrčilová