Master's Thesis

Development of a autonomous robotic lawnmower

Final Thesis 7.88 MB Appendix 13.91 MB

Author of thesis: Ing. Ondřej Koktavý

Acad. year: 2025/2026

Supervisor: Ing. Jan Králík, Ph.D.

Reviewer: doc. Ing. Stanislav Věchet, Ph.D.

Abstract:

This thesis focuses on the development of a robotic lawn mower. The first part is devoted to the study of autonomous movement on a roughly flat surface. It explains some of the principles of localization, mapping, and navigation. This section also provides an introduction to working with the ROS 2 framework. This is followed by the physical transformation of an old robotic lawn mower with a lower level of autonomy into a machine equipped with a suitable combination of sensors, such as rotary encoders for odometry, LiDAR, ultrasonic sensors, an IMU unit, etc. The appropriate electronics are selected, and a new design for the lawn mower is created. Control is divided into a low-level part for real-time management of sensors and motors and a high-level part for computationally intensive calculations and control. The low-level part is handled by an ESP32 microcontroller with the DevKitC add-on. The main control unit was a Raspberry Pi 5 single-board computer. As part of the autonomous robotics solution, the ROS 2 Jazzy base framework was used, supplemented with custom Python scripts. There were two interfaces made for users. Finally, spatial mapping was implemented using the SLAM library and tested in an outdoor environment under manual control from a computer. Localization on this map was also tested using the Nav2 library.

Keywords:

Raspberry Pi, ESP32, ROS, Ubuntu, SLAM, EKF, Python, Localization

Date of defence

16.06.2026

Result of the defence

Defended (thesis was successfully defended)

znamkaAznamka

Grading

A

Process of defence

Při obhajobě student nejprve prezentoval svoji diplomovou práci, následně byly přečteny posudky a student odpovídal na dotazy oponenta. Poté byly členy komise položeny následující otázky: Kdyby v okolí nebyl plot, ale jenom stromy, jak by to fungovalo? Jak jste řešil komunikaci s lidarem? Dělal jste fúzi dat? Jaký je dosah laseru? Obhajoba byla komisí hodnocena jako výborná.

Language of thesis

Czech

Faculty

Fakulta strojního inženýrství

Department

Institute of Solid Mechanics, Mechatronics and Biomechanics

Study programme

Mechatronics (N-MET-P)

Composition of Committee

RNDr. Vladimír Opluštil (předseda)
doc. Ing. Robert Grepl, Ph.D. (místopředseda)
doc. Ing. Jiří Krejsa, Ph.D. (člen)
doc. Ing. Radoslav Cipín, Ph.D. (člen)
Ing. Dalibor Červinka, Ph.D. (člen)
Ing. Michal Bastl, Ph.D. (člen)
Ing. Peter Zavadinka, Ph.D. (člen)
doc. Ing. David Fojtík, Ph.D. (člen)

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

Pan Ondřej Koktavý se ve své práci zabývá vývojem autonomní robotické sekačky, přičemž vychází z úpravy staršího modelu. Jedná se o komplexní mechatronickou úlohu zahrnující výběr vhodné řídicí a výkonové elektroniky, návrh senzorického vybavení, práci v prostředí ROS 2 a implementaci uživatelského rozhraní pro ovládání sekačky. Součástí práce je rovněž experimentální ověření funkčnosti zařízení v reálných podmínkách, tedy ve venkovním prostředí při sečení trávy.

Po technické stránce je práce na velmi dobré úrovni a představuje ucelené a funkční řešení daného problému. Student prokázal schopnost samostatně řešit inženýrské úlohy a efektivně propojovat jednotlivé oblasti návrhu. Po formální stránce je práce zpracována kvalitně, s pouze drobnými nedostatky. Výhradu mám k umístění popisků u obrázků sestavené sekačky (obr. 3.18 a 3.19), kde by jejich umístění přímo do obrázku přispělo k lepší přehlednosti. Student pracoval samostatně a pravidelně využíval konzultace, během nichž byl schopen vést konstruktivní odbornou diskusi. Práci doporučuji k obhajobě a navrhuji hodnocení A, tedy výborně.
Evaluation criteria Grade
Fulfilment of requirements and objectives of assignment A
Working process, extent and suitability of applied methods A
Scholarly contribution and originality A
Ability to interpret achieved results and draw conclusions B
Applicability of results in practice or theory A
Logical arrangement of thesis and its layout B
Grafic layout, used style and language level A
Work with used sources including quotations A
Student's independence when working on the topic A

Grade proposed by supervisor: A

Reviewer’s report
doc. Ing. Stanislav Věchet, Ph.D.

Předložená diplomová práce Bc. Ondřeje Koktavého se zabývá tématem transformace starší komerční sekačky na moderní mobilní platformu s vyšší úrovní autonomie. Oceňuji komplexní inženýrský přístup, který zahrnuje jak hardwarové úpravy, novou konstrukci a 3D tisk, tak i pokročilý návrh softwarové architektury. Rozdělení řízení na nízkoúrovňový firmware v mikrokontroléru ESP32 pro real-time správu motorů a komplexní výpočty běžící v prostředí ROS 2 Jazzy na jednodeskovém počítači Raspberry Pi 5 je zvoleno velmi systematicky a funkčně. Student úspěšně integroval celou řadu senzorů pro relativní i absolutní lokalizaci, od přesných magnetických enkodérů přes IMU jednotku až po 2D LiDAR. Práce má logickou strukturu a jejím hlavním přínosem je praktické ověření celého systému v reálném venkovním terénu, kde autor úspěšně demonstroval funkčnost SLAM mapování a následné lokalizace.

Z kapitoly o testování vyplývá, že pevná konstrukce podvozku bez dodatečného odpružení způsobuje značnou citlivost na nerovnosti terénu a náklony, což vnáší do SLAM algoritmu nepřesnosti a drobné deformace výsledné mapy, zejména při použití 2D lidaru. Tyto body však představují spíše logické náměty pro další vývoj robustnosti platformy a nijak nesnižují celkovou vysokou úroveň a preciznost zpracování této mechatronické úlohy. Práce splňuje všechny stanovené body zadání, a proto ji doporučuji k obhajobě s navrhovaným hodnocením výborně (A)
Evaluation criteria Grade
Fulfilment of requirements and objectives of assignment A
Working process, extent and suitability of applied methods B
Scholarly contribution and originality B
Ability to interpret achieved results and draw conclusions A
Applicability of results in practice or theory A
Logical arrangement of thesis and its layout A
Grafic layout, used style and language level B
Work with used sources including quotations B
Topics for thesis defence:
  1. V softwarovém řešení na ESP32 využíváte dva nezávislé PI regulátory pro rychlost levé a pravé strany podvozku. V reálném provozu však asymetrický odpor terénu (např. najetí jednoho kola na drn) a drobné odlišnosti v mechanice motorů způsobují nechtěné stáčení sekačky z přímého směru. Jakým způsobem byste mohl strukturu řízení upravit, aby byl systém vůči těmto vlivům robustnější?
  2. V kapitole testování v terénu uvádíte, že přesnost mapy je ovlivňována zejména náklonem sekačky, nerovnostmi terénu a fyzickou realizací podvozku. Jak byste konstrukčně (např. v rámci uložení náprav či senzorů) nebo algoritmicky upravil systém, aby byl méně citlivý na tyto vlivy?
  3. Jaké konkrétní kroky a implementace (např. v konfiguraci ROS 2 či v hardwaru) by byly nutné k dosažení plně autonomního sečení, bez zásahu operátora, na definované ploše?

Grade proposed by reviewer: A

Responsibility: Mgr. et Mgr. Hana Odstrčilová