Development of an application framework for digital twin-driven intelligent autonomous vehicles

Abstract

The integration of digital twins with autonomous vehicles is a promising yet insufficiently explored research domain. Digital twins provide virtual representations of physical systems that enable real-time synchronisation, monitoring, simulation, and optimisation throughout the system lifecycle. Although extensively studied and applied in industrial and manufacturing contexts, the adoption of digital twins in autonomous vehicles remains fragmented, lacking a unified methodological framework. This doctoral dissertation addresses this gap by systematically investigating existing applications, proposing a structured conceptual framework for digital twin deployment in autonomous vehicle domain and validating the framework experimentally through representative case studies. The research is structured in three main phases. The first phase comprises of a comprehensive literature review and bibliometric analysis, mapping the research and academic landscapes of digital twin applications in autonomous vehicles across land, aerial, surface, and underwater domains. Quantitative and qualitative analyses identify key trends, application areas, methodologies, and technological enablers. The study highlights an exponential growth of publications in the last five years, underlining both the increasing relevance of the field and the absence of standardised approaches that could support replication and scalability. Building upon these insights, the second phase formulates a conceptual application framework. The framework is based on four main pillars: (i) system requirements and definition, (ii) communication middleware and data flow, (iii) digital modelling and (iv) physical-digital integration and validation. It provides a formalised methodology for embedding digital twins into autonomous vehicles, from design and development to testing, deployment, and operation. The framework emphasises interoperability, scalability, and replicability, positioning digital twins as a bridging mechanism between theoretical models and real-world implementations. The third phase focuses on validation use cases. Three tests were conducted; two of them using scaled autonomous vehicle platforms and the third one using a high-fidelity simulator representing the physical system. The first validation employed a custom-made testing platform, while the second utilised a RoboRacer vehicle and extended this setup through hardware and sensor upgrades, enabling the evaluation of modularity and robustness. The third validation constitutes a scale-up by applying the framework to a full-scale simulated vehicle. Open-source ecosystems, such as ROS/ROS2, were used to establish bidirectional synchronisation between physical and digital environments, simulation and visualisation. The use cases demonstrated the framework’s capacity to support algorithm testing, perception and control integration, and performance evaluation under diverse operational conditions. Results confirmed the feasibility of reducing development costs, mitigating risks, and facilitating experimentation in scenarios that would otherwise be unsafe or impractical in real-world testing. The contributions of this dissertation are threefold. First, it provides a systematic mapping of the research domain, offering a consolidated reference for scholars and practitioners. Second, it introduces a novel conceptual framework that formalises the application of digital twins in autonomous vehicles, addressing a critical gap in the literature and leveraging the paradigm of digital twins from Industry 4.0, a well-established domain for digital twins applications. Third, it presents experimental evidence of the framework’s applicability and makes openly available resources to enable replication and extension by the research community. In conclusion, this dissertation advances the state of the art by establishing a structured approach to digital twin integration in autonomous vehicles. By combining theoretical analysis, methodological innovation, and empirical validation, it contributes both to academic knowledge and to practical implementation pathways. The proposed framework lays the foundation for safer, more reliable, and cost-efficient development and operation of intelligent autonomous systems, while also creates opportunities for future extensions in cross-domain applications and real-world deployments.

Η ενσωμάτωση των ψηφιακών διδύμων με τα αυτόνομα οχήματα αποτελεί έναν πολλά υποσχόμενο, αλλά ανεπαρκώς διερευνημένο, ερευνητικό τομέα. Τα ψηφιακά δίδυμα παρέχουν εικονικές αναπαραστάσεις φυσικών συστημάτων που επιτρέπουν τον συγχρονισμό, την παρακολούθηση, την προσομοίωση και τη βελτιστοποίηση σε πραγματικό χρόνο καθ’ όλη τη διάρκεια της ζωής του συστήματος. Παρόλο που έχουν μελετηθεί και εφαρμοστεί εκτενώς στην βιομηχανία, η υιοθέτηση των ψηφιακών διδύμων στα αυτόνομα οχήματα παραμένει αποσπασματική, χωρίς ένα ενιαίο μεθοδολογικό πλαίσιο. Η παρούσα διδακτορική διατριβή προσπαθεί να αντιμετωπίσει αυτό το κενό, διερευνώντας συστηματικά τις υπάρχουσες εφαρμογές, προτείνοντας ένα δομημένο εννοιολογικό πλαίσιο για την εφαρμογή των ψηφιακών διδύμων στον τομέα των αυτόνομων οχημάτων και επικυρώνοντάς το πειραματικά μέσω αντιπροσωπευτικών μελετών περίπτωσης. Η έρευνα δομείται σε τρεις κύριες φάσεις. Η πρώτη φάση περιλαμβάνει μια εκτενή ανασκόπηση της βιβλιογραφίας και βιβλιομετρική ανάλυση, χαρτογραφώντας το ερευνητικό και ακαδημαϊκό πεδίο των εφαρμογών ψηφιακών διδύμων σε αυτόνομα οχήματα ξηράς, αέρος, θαλάσσης και υποθαλάσσιου περιβάλλοντος. Ποσοτικές και ποιοτικές αναλύσεις αναδεικνύουν βασικές τάσεις, τομείς εφαρμογής, μεθοδολογίες και τεχνολογικούς παράγοντες. Η μελέτη υπογραμμίζει την εκθετική αύξηση των δημοσιεύσεων τα τελευταία πέντε χρόνια, αναδεικνύοντας τόσο το συνεχώς αυξανόμενο ενδιαφέρον για το πεδίο, όσο και την απουσία δομημένων προσεγγίσεων που θα μπορούσαν να υποστηρίξουν την ευκολότερη εφαρμογή των ψηφιακών διδύμων στα αυτόνομα οχήματα. Βάσει αυτών των ευρημάτων, στην δεύτερη φάση της εργασίας αυτής διαμορφώνεται ένα πλαίσιο εφαρμογής. Το πλαίσιο αυτό βασίζεται σε τέσσερις κύριους πυλώνες: (i) απαιτήσεις και ορισμό του συστήματος, (ii) ενδιάμεσο λογισμικό επικοινωνίας και ροή δεδομένων, (iii) ψηφιακή μοντελοποίηση και (iv) ενοποίηση και επαλήθευση φυσικού-ψηφιακού συστήματος. Παρέχει μια τυποποιημένη μεθοδολογία για την ενσωμάτωση των ψηφιακών διδύμων σε αυτόνομα οχήματα, από τον σχεδιασμό και την ανάπτυξη έως τη δοκιμή, την υλοποίηση και τη λειτουργία τους. Το πλαίσιο αυτό δίνει έμφαση στη διαλειτουργικότητα και την επεκτασιμότητα, καθιστώντας τα ψηφιακά δίδυμα έναν μηχανισμό γεφύρωσης μεταξύ θεωρητικών μοντέλων και πραγματικών εφαρμογών. Η τρίτη φάση επικεντρώνεται στην πειραματική επαλήθευση του προτεινόμενου πλαισίου εφαρμογής. Πραγματοποιήθηκαν τρείς μελέτες περίπτωσης, δύο εξ αυτών χρησιμοποίησαν μικρής κλίμακας αυτόνομα οχήματα και το τρίτο έναν προσομοιωτή υψηλής πιστότητας που αναπαριστά το φυσικό σύστημα. Η πρώτη επαλήθευση βασίστηκε σε μια ειδικά κατασκευασμένη πλατφόρμα δοκιμών, ενώ η δεύτερη αξιοποίησε ένα όχημα τύπου RoboRacer, επεκτείνοντας το με αναβαθμίσεις υλικού και αισθητήρων, ώστε να αξιολογηθεί η ανθεκτικότητα και προσαρμοστικότητα του πλαισίου. Η τρίτη επαλήθευση αποτελούσε κλιμάκωση σε προσομοιωμένο όχημα πλήρους κλίμακας. Χρησιμοποιήθηκαν ανοικτά οικοσυστήματα, όπως τα ROS/ROS2, για τη δημιουργία αμφίδρομου συγχρονισμού μεταξύ φυσικού και ψηφιακού περιβάλλοντος. Τα πειράματα έδειξαν ότι το πλαίσιο μπορεί να υποστηρίξει την ενσωμάτωση αλγορίθμων αντίληψης και ελέγχου, καθώς και την αξιολόγηση επιδόσεων υπό ποικίλες συνθήκες λειτουργίας. Τα αποτελέσματα επιβεβαίωσαν τη δυνατότητα μείωσης του κόστους ανάπτυξης, περιορισμού των κινδύνων και διευκόλυνσης πειραματισμών σε σενάρια που διαφορετικά θα ήταν επικίνδυνα ή μη πρακτικά για δοκιμή στον πραγματικό κόσμο. Οι κύριες συνεισφορές της παρούσας διατριβής είναι τρεις. Πρώτον, παρέχει μια συστηματική χαρτογράφηση του ερευνητικού πεδίου, προσφέροντας μια ενοποιημένη αναφορά για ερευνητές και επαγγελματίες. Δεύτερον, εισάγει ένα νέο εννοιολογικό πλαίσιο που τυποποιεί την εφαρμογή των ψηφιακών διδύμων στα αυτόνομα οχήματα, καλύπτοντας ένα κρίσιμο κενό στη βιβλιογραφία και αξιοποιώντας το παράδειγμα των ψηφιακών διδύμων της Βιομηχανίας 4.0, ενός καλά εδραιωμένου τομέα εφαρμογής τους. Τρίτον, παρουσιάζει πειραματικά δεδομένα που τεκμηριώνουν την πρακτική εφαρμοσιμότητα του πλαισίου και καθιστά όλους τους σχετικούς πόρους διαθέσιμους στο κοινό, όχι μόνο για αναπαραγωγή, αλλά και για επέκταση από την ερευνητική κοινότητα. Συνοψίζοντας, η διατριβή αυτή προωθεί την τρέχουσα επιστημονική γνώση καθιερώνοντας μια δομημένη προσέγγιση για την ενσωμάτωση ψηφιακών διδύμων στα αυτόνομα οχήματα. Συνδυάζοντας θεωρητική ανάλυση, μεθοδολογική καινοτομία και εμπειρική επαλήθευση, συμβάλλει τόσο στη διεύρυνση της ακαδημαϊκής γνώσης, όσο και στη διαμόρφωση πρακτικών οδών υλοποίησης. Το προτεινόμενο πλαίσιο θέτει τα θεμέλια για ασφαλέστερη, πιο αξιόπιστη και οικονομική ανάπτυξη και λειτουργία ευφυών αυτόνομων συστημάτων, δημιουργώντας παράλληλα ευκαιρίες για μελλοντικές επεκτάσεις.