Development of Autonomous Mission Components & Planning for the Execution of the Robotic Radiation Survey in the SPS

Resumen

Las inspecciones de radiación gamma en el túnel del Super Proton Synchrotron (SPS) de CERN son misiones de larga duración realizadas en un entorno subterráneo y peligroso, sujeto a restricciones operativas estrictas. Aunque la navegación autónoma puede asistir el desplazamiento nominal en tramos no restringidos del túnel, la ejecución completa de la inspección requiere gestionar de forma fiable fases críticas que definen la misión, en particular el cruce de compuertas de seguridad y el acoplamiento automático a la estación de carga. Tradicionalmente, estas fases requieren intervención frecuente del operador, secuenciación manual de módulos de misión y acciones de recuperación, lo que incrementa la carga de trabajo y reduce la repetibilidad.

Esta tesis desarrolla la autonomía a nivel de misión necesaria para que el robot de medida e inspección para aceleradores (MIRA) ejecute inspecciones completas de radiación en el túnel del SPS con una intervención mínima del operador. La solución propuesta se basa en un Gestor de Misión jerárquico y supervisado, implementado como una máquina de estados finitos, que orquesta el flujo de la inspección y coordina módulos de navegación, percepción y seguridad de bajo nivel. El Gestor de Misión estructura la misión como una secuencia de estados explícitos con condiciones de transición claras, permitiendo una ejecución trazable y una activación consistente de procedimientos. Se integran procedimientos autónomos específicos para el cruce de compuertas y para el aparcamiento y acoplamiento en la estación de carga, combinando alineamiento basado en visión y primitivas de movimiento para lograr un posicionamiento preciso y trayectorias seguras en geometrías restringidas. La supervisión y la recuperación se incorporan a nivel de sistema para mantener al operador en el bucle en pasos relevantes para la seguridad, reduciendo la interacción a monitorización ligera y a puntos discretos de decisión.

En conjunto, el trabajo aporta un marco estructurado y extensible que transforma la inspección robótica de radiación en el SPS de un flujo predominantemente teleoperado a una misión autónoma supervisada, mejorando la consistencia operativa y facilitando una ejecución más segura en entornos de túnel de acelerador.

ABSTRACT

Gamma radiation surveys in the CERN Super Proton Synchrotron (SPS) tunnel are longduration inspection missions carried out in a hazardous underground environment under strict operational constraints. Although autonomous navigation can support nominal traversal in unconstrained tunnel sections, end-to-end survey execution still requires reliable handling of mission-defining constrained phases, particularly safety-gate crossings and automatic docking for recharging. These phases traditionally demand frequent operator intervention, manual sequencing of mission modules, and unstructured recovery actions, which increases workload and reduces repeatability.

This thesis develops the mission-level autonomy required for the Measurement & Inspection Robot for Accelerators (MIRA) robot to execute full radiation surveys in the SPS tunnel with minimal operator intervention. The proposed solution is based on a supervised hierarchical Mission Manager implemented as a finite-state machine that orchestrates the survey workflow and coordinates lower-level navigation, perception, and safety behaviours. The Mission Manager structures the mission as a sequence of explicit states with clear transition conditions, enabling traceable execution and consistent procedure invocation. Dedicated autonomous procedures are integrated for safety-gate crossing and charging-station parking and docking, combining visionbased alignment and motion primitives to achieve precise positioning and safe trajectories in constrained geometries. Supervision and recovery are incorporated at system level to keep the operator in the loop for safety-relevant steps while reducing interaction to lightweight monitoring and discrete decision points.

Overall, the work contributes a structured and extensible framework that transforms the SPS robotic radiation survey from a predominantly teleoperated workflow into a supervised autonomous mission, improving operational consistency and supporting safer execution in accelerator tunnel environments.