RobotPerf: An Open-Source, Vendor-Agnostic, Benchmarking Suite for Evaluating Robotics Computing System Performance

We introduce RobotPerf, a vendor-agnostic benchmarking suite designed to evaluate robotics computing performance across a diverse range of hardware platforms using ROS 2 as its common baseline. The suite encompasses ROS 2 packages covering the full robotics pipeline and integrates two distinct benchmarking approaches: black-box testing, which measures performance by eliminating upper layers and replacing them with a test application, and grey-box testing, an application-specific measure that observes internal system states with minimal interference. Our benchmarking framework provides ready-to-use tools and is easily adaptable for the assessment of custom ROS 2 computational graphs. Drawing from the knowledge of leading robot architects and system architecture experts, RobotPerf establishes a standardized approach to robotics benchmarking. As an open-source initiative, RobotPerf remains committed to evolving with community input to advance the future of hardware-accelerated robotics

Reconfigurable Computing Systems for Robotics using a Component-Oriented Approach

Robotic platforms are becoming more complex due to the wide range of modern applications, including multiple heterogeneous sensors and actuators. In order to comply with real-time and power-consumption constraints, these systems need to process a large amount of heterogeneous data from multiple sensors and take action (via actuators), which represents a problem as the resources of these systems have limitations in memory storage, bandwidth, and computational power. Field Programmable Gate Arrays (FPGAs) are programmable logic devices that offer high-speed parallel processing. FPGAs are particularly well-suited for applications that require real-time processing, high bandwidth, and low latency. One of the fundamental advantages of FPGAs is their flexibility in designing hardware tailored to specific needs, making them adaptable to a wide range of applications. They can be programmed to pre-process data close to sensors, which reduces the amount of data that needs to be transferred to other computing resources, improving overall system efficiency. Additionally, the reprogrammability of FPGAs enables them to be repurposed for different applications, providing a cost-effective solution that needs to adapt quickly to changing demands. FPGAs' performance per watt is close to that of Application-Specific Integrated Circuits (ASICs), with the added advantage of being reprogrammable. Despite all the advantages of FPGAs (e.g., energy efficiency, computing capabilities), the robotics community has not fully included them so far as part of their systems for several reasons. First, designing FPGA-based solutions requires hardware knowledge and longer development times as their programmability is more challenging than Central Processing Units (CPUs) or Graphics Processing Units (GPUs). Second, porting a robotics application (or parts of it) from software to an accelerator requires adequate interfaces between software and FPGAs. Third, the robotics workflow is already complex on its own, combining several fields such as mechanics, electronics, and software. There have been partial contributions in the state-of-the-art for FPGAs as part of robotics systems. However, a study of FPGAs as a whole for robotics systems is missing in the literature, which is the primary goal of this dissertation. Three main objectives have been established to accomplish this. (1) Define all components required for an FPGAs-based system for robotics applications as a whole. (2) Establish how all the defined components are related. (3) With the help of Model-Driven Engineering (MDE) techniques, generate these components, deploy them, and integrate them into existing solutions. The component-oriented approach proposed in this dissertation provides a proper solution for designing and implementing FPGA-based designs for robotics applications. The modular architecture, the tool 'FPGA Interfaces for Robotics Middlewares' (FIRM), and the toolchain 'FPGA Architectures for Robotics' (FAR) provide a set of tools and a comprehensive design process that enables the development of complex FPGA-based designs more straightforwardly and efficiently. The component-oriented approach contributed to the state-of-the-art in FPGA-based designs significantly for robotics applications and helps to promote their wider adoption and use by specialists with little FPGA knowledge

AutonomROS: A ReconROS-based Autonomonous Driving Unit

Autonomous driving has become an important research area in recent years, and the corresponding system creates an enormous demand for computations. Heterogeneous computing platforms such as systems-on-chip that combine CPUs with reprogrammable hardware offer both computational performance and flexibility and are thus interesting targets for autonomous driving architectures. The de-facto software architecture standard in robotics, including autonomous driving systems, is ROS 2. ReconROS is a framework for creating robotics applications that extends ROS 2 with the possibility of mapping compute-intense functions to hardware. This paper presents AutonomROS, an autonomous driving unit based on the ReconROS framework. AutonomROS serves as a blueprint for a larger robotics application developed with ReconROS and demonstrates its suitability and extendability. The application integrates the ROS 2 package Navigation 2 with custom-developed software and hardware-accelerated functions for point cloud generation, obstacle detection, and lane detection. In addition, we detail a new communication middleware for shared memory communication between software and hardware functions. We evaluate AutonomROS and show the advantage of hardware acceleration and the new communication middleware for improving turnaround times, achievable frame rates, and, most importantly, reducing CPU load

Hardware-accelerated image features with subpixel accuracy for SLAM localization and object detection

Die Navigation von autonomen Systemen wird durch den Fortschritt der Technik und durch die steigenden Anforderungen der Anwendungen immer komplexer. Eines der wichtigsten offenen Probleme ist die Genauigkeit und die Robustheit der merkmalsbasierten SLAM-Lokalisierung für Anwendungen im dreidimensionalen Raum. In dieser Arbeit werden Methoden zur Optimierung der Merkmalserkennung mit Subpixel-genauer Bestimmung der Merkmalsposition für merkmalsbasiserte 6-DoF SLAM Verfahren untersucht. Zusätzlich wird eine Erweiterung des Merkmalsdeskriptors mit Farbinformationen und einer Subpixel-genauen Rotation des Deskriptor-Patterns betrachtet. Aus den Ergebnissen der Untersuchung wird das Subpixel-accurate Oriented AGAST and Rotated BRIEF (SOARB) Verfahren zur Merkmalserkennung entwickelt, dass trotz der effizienten und Ressourcen-optimierten Implementierung eine Verbesserung der Lokalisierung und Kartenerstellung in Relation zu anderen vergleichbaren Verfahren erreicht. Durch den Einsatz eines PCIe FPGA-Beschleunigers und der Xilinx SDAccel HW-SW-Codesign Umgebung mit OpenCL Unterstützung wird eine FPGA-basierte Version des SOARB Algorithmus zur Anbindung an SLAM-Systeme gezeigt. Die FPGA-Implementierung des SOARB-Verfahrens erreicht dabei Bildraten von 41 Bildern/s. Sie ist damit um Faktor 2,6x schneller als die schnellste getestete GPU-basierte Implementierung der OpenCV-Bibliothek mit Sub-pixel-genauer Bestimmung der Merkmalsposition. Durch eine geringe Leistungsaufnahme von 13,7W der FPGA-Komponente kann die Leistungseffizienz (Bilder/s pro Watt) des Gesamtsystems im Vergleich zu einer ebenfalls erstellten SOARB GPU-Referenzimplementierung um den Faktor 1,28x gesteigert werden. Der SOARB-Algorithmus wird zur Evaluation in das RTAB-Map SLAM System integriert und erreicht in Tests mit Bildaufnahme-Sequenzen aus dem Straßenverkehr eine Verbesserung des Translations- und Rotationsfehlers von durchschnittlich 22% und 19% im Vergleich zu dem häufig genutzten ORB-Verfahren. Die maximale Verbesserung des Root Mean Square Errors (RMSE) liegt bei 50% für die Translation und 40% für die Rotation. Durch einen Deskriptor mit Farbinformationen kann das SOARB-RGB Verfahren in der Evaluation mit dem Oxford Datensatz zur Bewertung von affinen kovarianten Merkmalen ein sehr gutes Inlier-Verhältnis von 99,2% über die ersten drei Bildvergleiche aller Datensätze erzielen.The navigation of autonomous systems is becoming more and more complex due to advances in technology and the increasing demands of applications. One of the most critical open issues is the accuracy and robustness of feature-based SLAM localization for three-dimensional SLAM applications. In this work the optimization of feature detection with subpixel-accurate features points for feature-based 6-DoF SLAM methods is investigated. In addition, an extension of the feature descriptor with color information and sub-pixel accurate rotation of the descriptor pattern is evaluated. This work develops a Subpixel-accurate Oriented AGAST and Rotated BRIEF (SOARB) feature extraction that, despite the efficient and resource-optimized implementation, improves localization and mapping compared to other comparable algorithms. Using a PCIe FPGA accelerator and the Xilinx SDAccel HW-SW Codesign environment with OpenCL support an FPGA-based version of the SOARB algorithm for interfacing to SLAM systems is demonstrated. The hardware implementation uses high-throughput pipeline processing and parallel units for computation. For faster processing, the subpixel interpolation and a bilinear interpolation is performed in fixed-point arithmetic and the angle calculation is implemented using a CORDIC method. The FPGA implementation of the SOARB algorithm achieves frame rates of 41 frames/s. Thus, it is a factor of 2.6 times faster than the fastest of the tested GPU-based OpenCV implementation with subpixel-accurate feature positions. With a low power consumption of 13.7W of the FPGA component, the overall system power efficiency (fps per watt) can be increased by a factor of 1.28x compared to an implemented SOARB-GPU reference implementation. For evaluation the SOARB algorithm is integrated into the RTAB Map SLAM system. It achieves an average of 22% and 19% improvement in translational and rotational errors compared to the commonly used ORB feature extraction in tests with dataset sequences for autonomous driving. The maximum improvement in root mean square error (RMSE) is 50% for translation and 40% for rotation. To analyze the impact of descriptor with color information, the SOARB-RGB method ist evaluated using the Oxford dataset for affine covariant features. The SOARB-RGB achieves a very good inlier-ratio of 99.2% over the first three dataset image of all datasets

Marine Vessel Inspection as a Novel Field for Service Robotics: A Contribution to Systems, Control Methods and Semantic Perception Algorithms.

This cumulative thesis introduces a novel field for service robotics: the inspection of marine vessels using mobile inspection robots. In this thesis, three scientific contributions are provided and experimentally verified in the field of marine inspection, but are not limited to this type of application. The inspection scenario is merely a golden thread to combine the cumulative scientific results presented in this thesis. The first contribution is an adaptive, proprioceptive control approach for hybrid leg-wheel robots, such as the robot ASGUARD described in this thesis. The robot is able to deal with rough terrain and stairs, due to the control concept introduced in this thesis. The proposed system is a suitable platform to move inside the cargo holds of bulk carriers and to deliver visual data from inside the hold. Additionally, the proposed system also has stair climbing abilities, allowing the system to move between different decks. The robot adapts its gait pattern dynamically based on proprioceptive data received from the joint motors and based on the pitch and tilt angle of the robot's body during locomotion. The second major contribution of the thesis is an independent ship inspection system, consisting of a magnetic wall climbing robot for bulkhead inspection, a particle filter based localization method, and a spatial content management system (SCMS) for spatial inspection data representation and organization. The system described in this work was evaluated in several laboratory experiments and field trials on two different marine vessels in close collaboration with ship surveyors. The third scientific contribution of the thesis is a novel approach to structural classification using semantic perception approaches. By these methods, a structured environment can be semantically annotated, based on the spatial relationships between spatial entities and spatial features. This method was verified in the domain of indoor perception (logistics and household environment), for soil sample classification, and for the classification of the structural parts of a marine vessel. The proposed method allows the description of the structural parts of a cargo hold in order to localize the inspection robot or any detected damage. The algorithms proposed in this thesis are based on unorganized 3D point clouds, generated by a LIDAR within a ship's cargo hold. Two different semantic perception methods are proposed in this thesis. One approach is based on probabilistic constraint networks; the second approach is based on Fuzzy Description Logic and spatial reasoning using a spatial ontology about the environment

Collaborative autonomy in heterogeneous multi-robot systems

As autonomous mobile robots become increasingly connected and widely deployed in different domains, managing multiple robots and their interaction is key to the future of ubiquitous autonomous systems. Indeed, robots are not individual entities anymore. Instead, many robots today are deployed as part of larger fleets or in teams. The benefits of multirobot collaboration, specially in heterogeneous groups, are multiple. Significantly higher degrees of situational awareness and understanding of their environment can be achieved when robots with different operational capabilities are deployed together. Examples of this include the Perseverance rover and the Ingenuity helicopter that NASA has deployed in Mars, or the highly heterogeneous robot teams that explored caves and other complex environments during the last DARPA Sub-T competition. This thesis delves into the wide topic of collaborative autonomy in multi-robot systems, encompassing some of the key elements required for achieving robust collaboration: solving collaborative decision-making problems; securing their operation, management and interaction; providing means for autonomous coordination in space and accurate global or relative state estimation; and achieving collaborative situational awareness through distributed perception and cooperative planning. The thesis covers novel formation control algorithms, and new ways to achieve accurate absolute or relative localization within multi-robot systems. It also explores the potential of distributed ledger technologies as an underlying framework to achieve collaborative decision-making in distributed robotic systems. Throughout the thesis, I introduce novel approaches to utilizing cryptographic elements and blockchain technology for securing the operation of autonomous robots, showing that sensor data and mission instructions can be validated in an end-to-end manner. I then shift the focus to localization and coordination, studying ultra-wideband (UWB) radios and their potential. I show how UWB-based ranging and localization can enable aerial robots to operate in GNSS-denied environments, with a study of the constraints and limitations. I also study the potential of UWB-based relative localization between aerial and ground robots for more accurate positioning in areas where GNSS signals degrade. In terms of coordination, I introduce two new algorithms for formation control that require zero to minimal communication, if enough degree of awareness of neighbor robots is available. These algorithms are validated in simulation and real-world experiments. The thesis concludes with the integration of a new approach to cooperative path planning algorithms and UWB-based relative localization for dense scene reconstruction using lidar and vision sensors in ground and aerial robots

Kodizajn arhitekture i algoritama za lokalizacijumobilnih robota i detekciju prepreka baziranih namodelu

This thesis proposes SoPC (System on a Programmable Chip) architectures for efficient embedding of vison-based localization and obstacle detection tasks in a navigational pipeline on autonomous mobile robots. The obtained results are equivalent or better in comparison to state-ofthe- art. For localization, an efficient hardware architecture that supports EKF-SLAM's local map management with seven-dimensional landmarks in real time is developed. For obstacle detection a novel method of object recognition is proposed - detection by identification framework based on single detection window scale. This framework allows adequate algorithmic precision and execution speeds on embedded hardware platforms.Ova teza bavi se dizajnom SoPC (engl. System on a Programmable Chip) arhitektura i algoritama za efikasnu implementaciju zadataka lokalizacije i detekcije prepreka baziranih na viziji u kontekstu autonomne robotske navigacije. Za lokalizaciju, razvijena je efikasna računarska arhitektura za EKF-SLAM algoritam, koja podržava skladištenje i obradu sedmodimenzionalnih orijentira lokalne mape u realnom vremenu. Za detekciju prepreka je predložena nova metoda prepoznavanja objekata u slici putem prozora detekcije fiksne dimenzije, koja omogućava veću brzinu izvršavanja algoritma detekcije na namenskim računarskim platformama

Motion representation with spiking neural networks for grasping and manipulation

Die Natur bedient sich Millionen von Jahren der Evolution, um adaptive physikalische Systeme mit effizienten Steuerungsstrategien zu erzeugen. Im Gegensatz zur konventionellen Robotik plant der Mensch nicht einfach eine Bewegung und führt sie aus, sondern es gibt eine Kombination aus mehreren Regelkreisen, die zusammenarbeiten, um den Arm zu bewegen und ein Objekt mit der Hand zu greifen. Mit der Forschung an humanoiden und biologisch inspirierten Robotern werden komplexe kinematische Strukturen und komplizierte Aktor- und Sensorsysteme entwickelt. Diese Systeme sind schwierig zu steuern und zu programmieren, und die klassischen Methoden der Robotik können deren Stärken nicht immer optimal ausnutzen. Die neurowissenschaftliche Forschung hat große Fortschritte beim Verständnis der verschiedenen Gehirnregionen und ihrer entsprechenden Funktionen gemacht. Dennoch basieren die meisten Modelle auf groß angelegten Simulationen, die sich auf die Reproduktion der Konnektivität und der statistischen neuronalen Aktivität konzentrieren. Dies öffnet eine Lücke bei der Anwendung verschiedener Paradigmen, um Gehirnmechanismen und Lernprinzipien zu validieren und Funktionsmodelle zur Steuerung von Robotern zu entwickeln. Ein vielversprechendes Paradigma ist die ereignis-basierte Berechnung mit SNNs. SNNs fokussieren sich auf die biologischen Aspekte von Neuronen und replizieren deren Arbeitsweise. Sie sind für spike- basierte Kommunikation ausgelegt und ermöglichen die Erforschung von Mechanismen des Gehirns für das Lernen mittels neuronaler Plastizität. Spike-basierte Kommunikation nutzt hoch parallelisierten Hardware-Optimierungen mittels neuromorpher Chips, die einen geringen Energieverbrauch und schnelle lokale Operationen ermöglichen. In dieser Arbeit werden verschiedene SNNs zur Durchführung von Bewegungss- teuerung für Manipulations- und Greifaufgaben mit einem Roboterarm und einer anthropomorphen Hand vorgestellt. Diese basieren auf biologisch inspirierten funktionalen Modellen des menschlichen Gehirns. Ein Motor-Primitiv wird auf parametrische Weise mit einem Aktivierungsparameter und einer Abbildungsfunktion auf die Roboterkinematik übertragen. Die Topologie des SNNs spiegelt die kinematische Struktur des Roboters wider. Die Steuerung des Roboters erfolgt über das Joint Position Interface. Um komplexe Bewegungen und Verhaltensweisen modellieren zu können, werden die Primitive in verschiedenen Schichten einer Hierarchie angeordnet. Dies ermöglicht die Kombination und Parametrisierung der Primitiven und die Wiederverwendung von einfachen Primitiven für verschiedene Bewegungen. Es gibt verschiedene Aktivierungsmechanismen für den Parameter, der ein Motorprimitiv steuert — willkürliche, rhythmische und reflexartige. Außerdem bestehen verschiedene Möglichkeiten neue Motorprimitive entweder online oder offline zu lernen. Die Bewegung kann entweder als Funktion modelliert oder durch Imitation der menschlichen Ausführung gelernt werden. Die SNNs können in andere Steuerungssysteme integriert oder mit anderen SNNs kombiniert werden. Die Berechnung der inversen Kinematik oder die Validierung von Konfigurationen für die Planung ist nicht erforderlich, da der Motorprimitivraum nur durchführbare Bewegungen hat und keine ungültigen Konfigurationen enthält. Für die Evaluierung wurden folgende Szenarien betrachtet, das Zeigen auf verschiedene Ziele, das Verfolgen einer Trajektorie, das Ausführen von rhythmischen oder sich wiederholenden Bewegungen, das Ausführen von Reflexen und das Greifen von einfachen Objekten. Zusätzlich werden die Modelle des Arms und der Hand kombiniert und erweitert, um die mehrbeinige Fortbewegung als Anwendungsfall der Steuerungsarchitektur mit Motorprimitiven zu modellieren. Als Anwendungen für einen Arm (3 DoFs) wurden die Erzeugung von Zeigebewegungen und das perzeptionsgetriebene Erreichen von Zielen modelliert. Zur Erzeugung von Zeigebewegun- gen wurde ein Basisprimitiv, das auf den Mittelpunkt einer Ebene zeigt, offline mit vier Korrekturprimitiven kombiniert, die eine neue Trajektorie erzeugen. Für das wahrnehmungsgesteuerte Erreichen eines Ziels werden drei Primitive online kombiniert unter Verwendung eines Zielsignals. Als Anwendungen für eine Fünf-Finger-Hand (9 DoFs) wurden individuelle Finger-aktivierungen und Soft-Grasping mit nachgiebiger Steuerung modelliert. Die Greif- bewegungen werden mit Motor-Primitiven in einer Hierarchie modelliert, wobei die Finger-Primitive die Synergien zwischen den Gelenken und die Hand-Primitive die unterschiedlichen Affordanzen zur Koordination der Finger darstellen. Für jeden Finger werden zwei Reflexe hinzugefügt, zum Aktivieren oder Stoppen der Bewegung bei Kontakt und zum Aktivieren der nachgiebigen Steuerung. Dieser Ansatz bietet enorme Flexibilität, da Motorprimitive wiederverwendet, parametrisiert und auf unterschiedliche Weise kombiniert werden können. Neue Primitive können definiert oder gelernt werden. Ein wichtiger Aspekt dieser Arbeit ist, dass im Gegensatz zu Deep Learning und End-to-End-Lernmethoden, keine umfangreichen Datensätze benötigt werden, um neue Bewegungen zu lernen. Durch die Verwendung von Motorprimitiven kann der gleiche Modellierungsansatz für verschiedene Roboter verwendet werden, indem die Abbildung der Primitive auf die Roboterkinematik neu definiert wird. Die Experimente zeigen, dass durch Motor- primitive die Motorsteuerung für die Manipulation, das Greifen und die Lokomotion vereinfacht werden kann. SNNs für Robotikanwendungen ist immer noch ein Diskussionspunkt. Es gibt keinen State-of-the-Art-Lernalgorithmus, es gibt kein Framework ähnlich dem für Deep Learning, und die Parametrisierung von SNNs ist eine Kunst. Nichtsdestotrotz können Robotikanwendungen - wie Manipulation und Greifen - Benchmarks und realistische Szenarien liefern, um neurowissenschaftliche Modelle zu validieren. Außerdem kann die Robotik die Möglichkeiten der ereignis- basierten Berechnung mit SNNs und neuromorpher Hardware nutzen. Die physikalis- che Nachbildung eines biologischen Systems, das vollständig mit SNNs implementiert und auf echten Robotern evaluiert wurde, kann neue Erkenntnisse darüber liefern, wie der Mensch die Motorsteuerung und Sensorverarbeitung durchführt und wie diese in der Robotik angewendet werden können. Modellfreie Bewegungssteuerungen, inspiriert von den Mechanismen des menschlichen Gehirns, können die Programmierung von Robotern verbessern, indem sie die Steuerung adaptiver und flexibler machen

Dynamics Model Abstraction Scheme Using Radial Basis Functions

This paper presents a control model for object manipulation. Properties of objects and environmental conditions influence the motor control and learning. System dynamics depend on an unobserved external context, for example, work load of a robot manipulator. The dynamics of a robot arm change as it manipulates objects with different physical properties, for example, the mass, shape, or mass distribution. We address active sensing strategies to acquire object dynamical models with a radial basis function neural network (RBF). Experiments are done using a real robot's arm, and trajectory data are gathered during various trials manipulating different objects. Biped robots do not have high force joint servos and the control system hardly compensates all the inertia variation of the adjacent joints and disturbance torque on dynamic gait control. In order to achieve smoother control and lead to more reliable sensorimotor complexes, we evaluate and compare a sparse velocity-driven versus a dense position-driven control scheme