Bachelor's Thesis

Design of a virtual twin robot for exploring cave systems

Final Thesis 5.51 MB Appendix 12 MB

Author of thesis: Bc. Adam Doležal

Acad. year: 2025/2026

Supervisor: Ing. Jan Králík, Ph.D.

Reviewer: Ing. Filip Radil, Ph.D.

Abstract:

This bachelor’s thesis focuses on the design of a tracked robot for cave exploration and the creation of its virtual twin. Due to the high risk of hardware loss in hazardous subterranean environments, testing the robot’s behavior and sensory equipment in a safe simulation is essential. A CAD model designed in SolidWorks was imported into the Webots simulator, with control and communication facilitated by the ROS2 platform running on the WSL sub- system. A key part of the thesis involves a detailed comparison between real-world and simulated sensors, specifically a LiDAR and an accelerometer. The LiDAR’s accuracy was evaluated by scanning both a real and a virtual wall and comparing the data using the RMSE metric. The accelerometer was subjected to static and dynamic tests, utilizing additive Gaussian noise to better approximate real-world measurements in the simulator. The achieved results quantify the deviations between physical and simulated sensors and confirm the feasibility of using the developed virtual twin for further development and safe testing of robotic platforms intended for extreme conditions.

Keywords:

mobile robotics, cave exploration, virtual twin, digital twin, Webots, ROS2, LiDAR, IMU, sensor comparation

Date of defence

11.06.2026

Result of the defence

Defended (thesis was successfully defended)

znamkaBznamka

Grading

B

Process of defence

Při obhajobě student nejprve prezentoval svou bakalářskou práci. Následně byly přečteny posudky a student odpověděl na dotazy oponenta. Poté členové komise položili následující otázky: - V jaké oblasti se jeskyně nachází? - Jakou jednotku IMU jste použil? - Jsou pásoví roboti vhodní pro pohyb v jeskyních? - Jakým způsobem se realizuje navigace při průzkumu jeskyní? - Nezkoušel jste provést odometrii pomocí některého z balíčků pro lidarovou odometrii v ROS2? Na závěr byla obhajoba hodnocena jako velmi dobrá.

Language of thesis

Czech

Faculty

Department

Study programme

Mechatronics (B-MET-P)

Composition of Committee

doc. Ing. František Šebek, Ph.D. (předseda)
Ing. Petr Procházka, Ph.D. (místopředseda)
Ing. Petr Krejčí, Ph.D. (člen)
doc. Ing. Stanislav Věchet, Ph.D. (člen)
Ing. Pavel Švancara, Ph.D. (člen)
Ing. Jan Králík, Ph.D. (člen)

Supervisor’s report
Ing. Jan Králík, Ph.D.

Pan Doležal se ve své práci věnuje Návrhu virtuálního dvojčete robotu pro průzkum jeskyních systémů, jelikož jde o koncept pro budoucí tvorbu robotu, jedná se prakticky o virtuální model. Úkolem bylo nastudovat si problematiku virtuálních dvojčat a senzorického vybavení vhodného k úkolu průzkumu podzemních prostor, na základě získaných informací vytvořit virtuální dvojče robotu a pro vybrané senzory porovnat jejich chování v simulaci a realitě.

Pro porovnání senzorů byly po konzultaci vybrán 2D Lidar a akcelerometr. U porovnání bych studentovi vytknul různé rozsahy a měřítka od pro reálný a simulovaný senzor, na první pohled pak vypadá, že virtuální senzor má horší parametry, i když je to naopak. Student na práci pracoval samostatně a využíval v rozumné míře konzultací, na které byl řádně připraven, Práci doporučuji k obhajobě a navrhuji hodnocení B, tedy velmi dobře
Evaluation criteria Grade
Fulfilment of requirements and objectives of assignment C
Working process, extent and suitability of applied methods C
Scholarly contribution and originality B
Ability to interpret achieved results and draw conclusions C
Applicability of results in practice or theory B
Logical arrangement of thesis and its layout C
Grafic layout, used style and language level B
Work with used sources including quotations A
Student's independence when working on the topic A

Grade proposed by supervisor: B

Reviewer’s report
Ing. Filip Radil, Ph.D.

Student se ve své práci zabývá návrhem virtuálního dvojčete robota určeného pro průzkum jeskynních systémů. Jedná se o značně náročnou problematiku kombinující oblasti mobilní robotiky a simulačních nástrojů.

První cíl práce spočíval v nastudování problematiky virtuálních dvojčat, přičemž teoretickému konceptu je věnována pouze krátká podkapitola, která ani neuvádí použité reference. Autor zde například nerozlišuje pojmy virtuální a digitální dvojče a kvalitnější zpracování této části by přispělo k lepšímu teoretickému ukotvení celé práce. Rešeršní část je celkově založena převážně na několika vybraných zdrojích, které jsou v textu opakovaně citovány. Přestože se jedná o relevantní reference, vede tento přístup k poměrně úzkému pohledu na problematiku.

Praktická část začíná návrhem samotného robota. Tento návrh je prezentován převážně na koncepční úrovni a postrádá podrobnější technickou argumentaci, autor neuvádí metodiku návrhu, klíčové parametry ani způsob jejich volby. Není zřejmé, do jaké míry návrh vychází z existujících řešení a které části představují vlastní návrhový přínos a co jsou běžně dostupné komponenty. Až provokativně mohou působit některá prohlášení, např.: „Díky vhodně zvolenému náběžnému úhlu dokáže podvozek bezproblémově překonávat i schodovité překážky“, přičemž autor neuvádí parametry, způsob výběru úhlu ani zda byla provedena validace.

Student nicméně úspěšně implementoval zjednodušený model robota do simulačního prostředí včetně senzorů a vytvořil rozhraní v ROS2, což bezpochyby vyžadovalo značný objem práce. Bohužel v práci není zmíněno, zda byl návrh robotu nějakým způsobem validován (např. stabilita nebo schopnost překonávání překážek), což ještě více omezuje možnost posoudit funkčnost navrženého řešení.

Poslední část práce je věnována porovnání dat získaných ze simulovaných senzorů s odpovídajícím hardwarem. Přestože testování probíhalo na relativně jednoduchých scénářích vzhledem k podmínkám prostředí, pro něž je robot navrhován, lze na základě získaných výsledků hodnotit výstupy simulace.

Celkově se v práci objevují místy méně vhodné formulace a netechnické výrazy, např. „Zabralo to zlomek sekundy“. V některých pasážích jsou naopak zbytečně podrobně popisovány dílčí implementační problémy, např. poškození konfiguračního souboru na hostitelském PC. Autor se také místy dopouští chybných interpretací, např. tvrzením: „Z experimentů vyplynulo, že pokud je cílem implementace komplexních algoritmů například typu SLAM, je ladění ve virtuálním dvojčeti naprostou nutností“, přičemž takový závěr z prezentovaných experimentů nevyplývá.

Přes uvedené výhrady považuji řešení za odpovídající rozsahu bakalářské práce. Oceňuji zejména vytvoření funkčního simulačního modelu, propojení s prostředím ROS2 a skutečnost, že autor přiložil CAD modely i soubory potřebné pro simulaci, čímž zvyšuje opakovatelnost a ověřitelnost dosažených výsledků. Stanovené cíle práce byly v přiměřeném rozsahu splněny a práci doporučuji k obhajobě.
Evaluation criteria Grade
Fulfilment of requirements and objectives of assignment C
Working process, extent and suitability of applied methods C
Scholarly contribution and originality C
Ability to interpret achieved results and draw conclusions C
Applicability of results in practice or theory D
Logical arrangement of thesis and its layout C
Grafic layout, used style and language level A
Work with used sources including quotations C
Topics for thesis defence:
  1. Může autor jasně definovat a vysvětlit vzájemné souvislosti následujících termínů a uvést relevantní zdroje, ze kterých čerpal? Termíny: Virtuální dvojče (virtual twin), digitální dvojče (digital twin), digitální stín (digital shadow) a virtuální zprovoznění (virtual commissioning).
  2. Jaké simulace nebo experimenty by autor provedl pro validaci stability, překonávání překážek a odolnosti proti převrácení, aby bylo by bylo možné ověřit, že navržená robotická platforma skutečně splňuje požadavky na pohyb v jeskynním prostředí?

Grade proposed by reviewer: C

Responsibility: Mgr. et Mgr. Hana Odstrčilová