Towards Optimally Decentralized Multi-Robot Collision Avoidance via Deep Reinforcement Learning

Developing a safe and efficient collision avoidance policy for multiple robots is challenging in the decentralized scenarios where each robot generate its paths without observing other robots' states and intents. While other distributed multi-robot collision avoidance systems exist, they often require extracting agent-level features to plan a local collision-free action, which can be computationally prohibitive and not robust. More importantly, in practice the performance of these methods are much lower than their centralized counterparts. We present a decentralized sensor-level collision avoidance policy for multi-robot systems, which directly maps raw sensor measurements to an agent's steering commands in terms of movement velocity. As a first step toward reducing the performance gap between decentralized and centralized methods, we present a multi-scenario multi-stage training framework to find an optimal policy which is trained over a large number of robots on rich, complex environments simultaneously using a policy gradient based reinforcement learning algorithm. We validate the learned sensor-level collision avoidance policy in a variety of simulated scenarios with thorough performance evaluations and show that the final learned policy is able to find time efficient, collision-free paths for a large-scale robot system. We also demonstrate that the learned policy can be well generalized to new scenarios that do not appear in the entire training period, including navigating a heterogeneous group of robots and a large-scale scenario with 100 robots. Videos are available at https://sites.google.com/view/drlmac

Virtual Organization Clusters: Self-Provisioned Clouds on the Grid

Virtual Organization Clusters (VOCs) provide a novel architecture for overlaying dedicated cluster systems on existing grid infrastructures. VOCs provide customized, homogeneous execution environments on a per-Virtual Organization basis, without the cost of physical cluster construction or the overhead of per-job containers. Administrative access and overlay network capabilities are granted to Virtual Organizations (VOs) that choose to implement VOC technology, while the system remains completely transparent to end users and non-participating VOs. Unlike alternative systems that require explicit leases, VOCs are autonomically self-provisioned according to configurable usage policies. As a grid computing architecture, VOCs are designed to be technology agnostic and are implementable by any combination of software and services that follows the Virtual Organization Cluster Model. As demonstrated through simulation testing and evaluation of an implemented prototype, VOCs are a viable mechanism for increasing end-user job compatibility on grid sites. On existing production grids, where jobs are frequently submitted to a small subset of sites and thus experience high queuing delays relative to average job length, the grid-wide addition of VOCs does not adversely affect mean job sojourn time. By load-balancing jobs among grid sites, VOCs can reduce the total amount of queuing on a grid to a level sufficient to counteract the performance overhead introduced by virtualization

Building Scientific Clouds: The Distributed, Peer-to-Peer Approach

The Scientific community is constantly growing in size. The increase in personnel number and projects have resulted in the requirement of large amounts of storage, CPU power and other computing resources. It has also become necessary to acquire these resources in an affordable manner that is sensitive to work loads. In this thesis, the author presents a novel approach that provides the communication platform that will support such large scale scientific projects. These resources could be difficult to acquire due to NATs, firewalls and other site-based restrictions and policies. Methods used to overcome these hurdles have been discussed in detail along with other advantages of using such a system, which include: increased availability of necessary computing infrastructure; increased grid resource utilization; reduced user dependability; reduced job execution time. Experiments conducted included local infrastructure on the Clemson University Campus as well as resources provided by other federated grid sites

Security for Service-Oriented On-Demand Grid Computing

Grid Computing ist mittlerweile zu einem etablierten Standard für das verteilte Höchstleistungsrechnen geworden. Während die erste Generation von Grid Middleware-Systemen noch mit proprietären Schnittstellen gearbeitet hat, wurde durch die Einführung von service-orientierten Standards wie WSDL und SOAP durch die Open Grid Services Architecture (OGSA) die Interoperabilität von Grids signifikant erhöht. Dies hat den Weg für mehrere nationale und internationale Grid-Projekten bereitet, in denen eine groß e Anzahl von akademischen und eine wachsende Anzahl von industriellen Anwendungen im Grid ausgeführt werden, die die bedarfsgesteuerte (on-demand) Provisionierung und Nutzung von Ressourcen erfordern. Bedarfsgesteuerte Grids zeichnen sich dadurch aus, dass sowohl die Software, als auch die Benutzer einer starken Fluktuation unterliegen. Weiterhin sind sowohl die Software, als auch die Daten, auf denen operiert wird, meist proprietär und haben einen hohen finanziellen Wert. Dies steht in starkem Kontrast zu den heutigen Grid-Anwendungen im akademischen Umfeld, die meist offen im Quellcode vorliegen bzw. frei verfügbar sind. Um den Ansprüchen einer bedarfsgesteuerten Grid-Nutzung gerecht zu werden, muss das Grid administrative Komponenten anbieten, mit denen Anwender autonom Software installieren können, selbst wenn diese Root-Rechte benötigen. Zur gleichen Zeit muss die Sicherheit des Grids erhöht werden, um Software, Daten und Meta-Daten der kommerziellen Anwender zu schützen. Dies würde es dem Grid auch erlauben als Basistechnologie für das gerade entstehende Gebiet des Cloud Computings zu dienen, wo ähnliche Anforderungen existieren. Wie es bei den meisten komplexen IT-Systemen der Fall ist, sind auch in traditionellen Grid Middlewares Schwachstellen zu finden, die durch die geforderten Erweiterungen der administrativen Möglichkeiten potentiell zu einem noch größ erem Problem werden. Die Schwachstellen in der Grid Middleware öffnen einen homogenen Angriffsvektor auf die ansonsten heterogenen und meist privaten Cluster-Umgebungen. Hinzu kommt, dass anders als bei den privaten Cluster-Umgebungen und kleinen akademischen Grid-Projekten die angestrebten groß en und offenen Grid-Landschaften die Administratoren mit gänzlich unbekannten Benutzern und Verhaltenstrukturen konfrontieren. Dies macht das Erkennen von böswilligem Verhalten um ein Vielfaches schwerer. Als Konsequenz werden Grid-Systeme ein immer attraktivere Ziele für Angreifer, da standardisierte Zugriffsmöglichkeiten Angriffe auf eine groß e Anzahl von Maschinen und Daten von potentiell hohem finanziellen Wert ermöglichen. Während die Rechenkapazität, die Bandbreite und der Speicherplatz an sich schon attraktive Ziele darstellen können, sind die im Grid enthaltene Software und die gespeicherten Daten viel kritischere Ressourcen. Modelldaten für die neuesten Crash-Test Simulationen, eine industrielle Fluid-Simulation, oder Rechnungsdaten von Kunden haben einen beträchtlichen Wert und müssen geschützt werden. Wenn ein Grid-Anbieter nicht für die Sicherheit von Software, Daten und Meta-Daten sorgen kann, wird die industrielle Verbreitung der offenen Grid-Technologie nicht stattfinden. Die Notwendigkeit von strikten Sicherheitsmechanismen muss mit der diametral entgegengesetzten Forderung nach einfacher und schneller Integration von neuer Software und neuen Kunden in Einklang gebracht werden. In dieser Arbeit werden neue Ansätze zur Verbesserung der Sicherheit und Nutzbarkeit von service-orientiertem bedarfsgesteuertem Grid Computing vorgestellt. Sie ermöglichen eine autonome und sichere Installation und Nutzung von komplexer, service-orientierter und traditioneller Software auf gemeinsam genutzen Ressourcen. Neue Sicherheitsmechanismen schützen Software, Daten und Meta-Daten der Anwender vor anderen Anwendern und vor externen Angreifern. Das System basiert auf Betriebssystemvirtualisierungstechnologien und bietet dynamische Erstellungs- und Installationsfunktionalitäten für virtuelle Images in einer sicheren Umgebung, in der automatisierte Mechanismen anwenderspezifische Firewall-Regeln setzen, um anwenderbezogene Netzwerkpartitionen zu erschaffen. Die Grid-Umgebung wird selbst in mehrere Bereiche unterteilt, damit die Kompromittierung von einzelnen Komponenten nicht so leicht zu einer Gefährdung des gesamten Systems führen kann. Die Grid-Headnode und der Image-Erzeugungsserver werden jeweils in einzelne Bereiche dieser demilitarisierten Zone positioniert. Um die sichere Anbindung von existierenden Geschäftsanwendungen zu ermöglichen, werden der BPEL-Standard (Business Process Execution Language) und eine Workflow-Ausführungseinheit um Grid-Sicherheitskonzepte erweitert. Die Erweiterung erlaubt eine nahtlose Integration von geschützten Grid Services mit existierenden Web Services. Die Workflow-Ausführungseinheit bietet die Erzeugung und die Erneuerung (im Falle von lange laufenden Anwendungen) von Proxy-Zertifikaten. Der Ansatz ermöglicht die sichere gemeinsame Ausführung von neuen, fein-granularen, service-orientierten Grid Anwendungen zusammen mit traditionellen Batch- und Job-Farming Anwendungen. Dies wird durch die Integration des vorgestellten Grid Sandboxing-Systems in existierende Cluster Scheduling Systeme erreicht. Eine innovative Server-Rotationsstrategie sorgt für weitere Sicherheit für den Grid Headnode Server, in dem transparent das virtuelle Server Image erneuert wird und damit auch unbekannte und unentdeckte Angriffe neutralisiert werden. Um die Angriffe, die nicht verhindert werden konnten, zu erkennen, wird ein neuartiges Intrusion Detection System vorgestellt, das auf Basis von Datenstrom-Datenbanksystemen funktioniert. Als letzte Neuerung dieser Arbeit wird eine Erweiterung des modellgetriebenen Softwareentwicklungsprozesses eingeführt, die eine automatisierte Generierung von sicheren Grid Services ermöglicht, um die komplexe und damit unsichere manuelle Erstellung von Grid Services zu ersetzen. Eine prototypische Implementierung der Konzepte wird auf Basis des Globus Toolkits 4, der Sun Grid Engine und der ActiveBPEL Engine vorgestellt. Die modellgetriebene Entwicklungsumgebung wurde in Eclipse für das Globus Toolkit 4 realisiert. Experimentelle Resultate und eine Evaluation der kritischen Komponenten des vorgestellten neuen Grids werden präsentiert. Die vorgestellten Sicherheitsmechanismem sollen die nächste Phase der Evolution des Grid Computing in einer sicheren Umgebung ermöglichen

Keyframe-based monocular SLAM: design, survey, and future directions

Extensive research in the field of monocular SLAM for the past fifteen years has yielded workable systems that found their way into various applications in robotics and augmented reality. Although filter-based monocular SLAM systems were common at some time, the more efficient keyframe-based solutions are becoming the de facto methodology for building a monocular SLAM system. The objective of this paper is threefold: first, the paper serves as a guideline for people seeking to design their own monocular SLAM according to specific environmental constraints. Second, it presents a survey that covers the various keyframe-based monocular SLAM systems in the literature, detailing the components of their implementation, and critically assessing the specific strategies made in each proposed solution. Third, the paper provides insight into the direction of future research in this field, to address the major limitations still facing monocular SLAM; namely, in the issues of illumination changes, initialization, highly dynamic motion, poorly textured scenes, repetitive textures, map maintenance, and failure recovery