Trajectory Prediction with Event-Based Cameras for Robotics Applications

This thesis presents the study, analysis, and implementation of a framework to perform trajectory prediction using an event-based camera for robotics applications. Event-based perception represents a novel computation paradigm based on unconventional sensing technology that holds promise for data acquisition, transmission, and processing at very low latency and power consumption, crucial in the future of robotics. An event-based camera, in particular, is a sensor that responds to light changes in the scene, producing an asynchronous and sparse output over a wide illumination dynamic range. They only capture relevant spatio-temporal information - mostly driven by motion - at high rate, avoiding the inherent redundancy in static areas of the field of view. For such reasons, this device represents a potential key tool for robots that must function in highly dynamic and/or rapidly changing scenarios, or where the optimisation of the resources is fundamental, like robots with on-board systems. Prediction skills are something humans rely on daily - even unconsciously - for instance when driving, playing sports, or collaborating with other people. In the same way, predicting the trajectory or the end-point of a moving target allows a robot to plan for appropriate actions and their timing in advance, interacting with it in many different manners. Moreover, prediction is also helpful for compensating robot internal delays in the perception-action chain, due for instance to limited sensors and/or actuators. The question I addressed in this work is whether event-based cameras are advantageous or not in trajectory prediction for robotics. In particular, if classical deep learning architecture used for this task can accommodate for event-based data, working asynchronously, and which benefit they can bring with respect to standard cameras. The a priori hypothesis is that being the sampling of the scene driven by motion, such a device would allow for more meaningful information acquisition, improving the prediction accuracy and processing data only when needed - without any information loss or redundant acquisition. To test the hypothesis, experiments are mostly carried out using the neuromorphic iCub, a custom version of the iCub humanoid platform that mounts two event-based cameras in the eyeballs, along with standard RGB cameras. To further motivate the work on iCub, a preliminary step is the evaluation of the robot's internal delays, a value that should be compensated by the prediction to interact in real-time with the object perceived. The first part of this thesis sees the implementation of the event-based framework for prediction, to answer the question if Long Short-Term Memory neural networks, the architecture used in this work, can be combined with event-based cameras. The task considered is the handover Human-Robot Interaction, during which the trajectory of the object in the human's hand must be inferred. Results show that the proposed pipeline can predict both spatial and temporal coordinates of the incoming trajectory with higher accuracy than model-based regression methods. Moreover, fast recovery from failure cases and adaptive prediction horizon behavior are exhibited. Successively, I questioned how much the event-based sampling approach can be convenient with respect to the classical fixed-rate approach. The test case used is the trajectory prediction of a bouncing ball, implemented with the pipeline previously introduced. A comparison between the two sampling methods is analysed in terms of error for different working rates, showing how the spatial sampling of the event-based approach allows to achieve lower error and also to adapt the computational load dynamically, depending on the motion in the scene. Results from both works prove that the merging of event-based data and Long Short-Term Memory networks looks promising for spatio-temporal features prediction in highly dynamic tasks, and paves the way to further studies about the temporal aspect and to a wide range of applications, not only robotics-related. Ongoing work is now focusing on the robot control side, finding the best way to exploit the spatio-temporal information provided by the predictor and defining the optimal robot behavior. Future work will see the shift of the full pipeline - prediction and robot control - to a spiking implementation. First steps in this direction have been already made thanks to a collaboration with a group from the University of Zurich, with which I propose a closed-loop motor controller implemented on a mixed-signal analog/digital neuromorphic processor, emulating a classical PID controller by means of spiking neural networks

Planning Algorithms for Multi-Robot Active Perception

A fundamental task of robotic systems is to use on-board sensors and perception algorithms to understand high-level semantic properties of an environment. These semantic properties may include a map of the environment, the presence of objects, or the parameters of a dynamic field. Observations are highly viewpoint dependent and, thus, the performance of perception algorithms can be improved by planning the motion of the robots to obtain high-value observations. This motivates the problem of active perception, where the goal is to plan the motion of robots to improve perception performance. This fundamental problem is central to many robotics applications, including environmental monitoring, planetary exploration, and precision agriculture. The core contribution of this thesis is a suite of planning algorithms for multi-robot active perception. These algorithms are designed to improve system-level performance on many fronts: online and anytime planning, addressing uncertainty, optimising over a long time horizon, decentralised coordination, robustness to unreliable communication, predicting plans of other agents, and exploiting characteristics of perception models. We first propose the decentralised Monte Carlo tree search algorithm as a generally-applicable, decentralised algorithm for multi-robot planning. We then present a self-organising map algorithm designed to find paths that maximally observe points of interest. Finally, we consider the problem of mission monitoring, where a team of robots monitor the progress of a robotic mission. A spatiotemporal optimal stopping algorithm is proposed and a generalisation for decentralised monitoring. Experimental results are presented for a range of scenarios, such as marine operations and object recognition. Our analytical and empirical results demonstrate theoretically-interesting and practically-relevant properties that support the use of the approaches in practice

Past, Present, and Future of Simultaneous Localization And Mapping: Towards the Robust-Perception Age

Simultaneous Localization and Mapping (SLAM)consists in the concurrent construction of a model of the environment (the map), and the estimation of the state of the robot moving within it. The SLAM community has made astonishing progress over the last 30 years, enabling large-scale real-world applications, and witnessing a steady transition of this technology to industry. We survey the current state of SLAM. We start by presenting what is now the de-facto standard formulation for SLAM. We then review related work, covering a broad set of topics including robustness and scalability in long-term mapping, metric and semantic representations for mapping, theoretical performance guarantees, active SLAM and exploration, and other new frontiers. This paper simultaneously serves as a position paper and tutorial to those who are users of SLAM. By looking at the published research with a critical eye, we delineate open challenges and new research issues, that still deserve careful scientific investigation. The paper also contains the authors' take on two questions that often animate discussions during robotics conferences: Do robots need SLAM? and Is SLAM solved

Synaptic Learning for Neuromorphic Vision - Processing Address Events with Spiking Neural Networks

Das Gehirn übertrifft herkömmliche Computerarchitekturen in Bezug auf Energieeffizienz, Robustheit und Anpassungsfähigkeit. Diese Aspekte sind auch für neue Technologien wichtig. Es lohnt sich daher, zu untersuchen, welche biologischen Prozesse das Gehirn zu Berechnungen befähigen und wie sie in Silizium umgesetzt werden können. Um sich davon inspirieren zu lassen, wie das Gehirn Berechnungen durchführt, ist ein Paradigmenwechsel im Vergleich zu herkömmlichen Computerarchitekturen erforderlich. Tatsächlich besteht das Gehirn aus Nervenzellen, Neuronen genannt, die über Synapsen miteinander verbunden sind und selbstorganisierte Netzwerke bilden. Neuronen und Synapsen sind komplexe dynamische Systeme, die durch biochemische und elektrische Reaktionen gesteuert werden. Infolgedessen können sie ihre Berechnungen nur auf lokale Informationen stützen. Zusätzlich kommunizieren Neuronen untereinander mit kurzen elektrischen Impulsen, den so genannten Spikes, die sich über Synapsen bewegen. Computational Neuroscientists versuchen, diese Berechnungen mit spikenden neuronalen Netzen zu modellieren. Wenn sie auf dedizierter neuromorpher Hardware implementiert werden, können spikende neuronale Netze wie das Gehirn schnelle, energieeffiziente Berechnungen durchführen. Bis vor kurzem waren die Vorteile dieser Technologie aufgrund des Mangels an funktionellen Methoden zur Programmierung von spikenden neuronalen Netzen begrenzt. Lernen ist ein Paradigma für die Programmierung von spikenden neuronalen Netzen, bei dem sich Neuronen selbst zu funktionalen Netzen organisieren. Wie im Gehirn basiert das Lernen in neuromorpher Hardware auf synaptischer Plastizität. Synaptische Plastizitätsregeln charakterisieren Gewichtsaktualisierungen im Hinblick auf Informationen, die lokal an der Synapse anliegen. Das Lernen geschieht also kontinuierlich und online, während sensorischer Input in das Netzwerk gestreamt wird. Herkömmliche tiefe neuronale Netze werden üblicherweise durch Gradientenabstieg trainiert. Die durch die biologische Lerndynamik auferlegten Einschränkungen verhindern jedoch die Verwendung der konventionellen Backpropagation zur Berechnung der Gradienten. Beispielsweise behindern kontinuierliche Aktualisierungen den synchronen Wechsel zwischen Vorwärts- und Rückwärtsphasen. Darüber hinaus verhindern Gedächtnisbeschränkungen, dass die Geschichte der neuronalen Aktivität im Neuron gespeichert wird, so dass Verfahren wie Backpropagation-Through-Time nicht möglich sind. Neuartige Lösungen für diese Probleme wurden von Computational Neuroscientists innerhalb des Zeitrahmens dieser Arbeit vorgeschlagen. In dieser Arbeit werden spikende neuronaler Netzwerke entwickelt, um Aufgaben der visuomotorischen Neurorobotik zu lösen. In der Tat entwickelten sich biologische neuronale Netze ursprünglich zur Steuerung des Körpers. Die Robotik stellt also den künstlichen Körper für das künstliche Gehirn zur Verfügung. Auf der einen Seite trägt diese Arbeit zu den gegenwärtigen Bemühungen um das Verständnis des Gehirns bei, indem sie schwierige Closed-Loop-Benchmarks liefert, ähnlich dem, was dem biologischen Gehirn widerfährt. Auf der anderen Seite werden neue Wege zur Lösung traditioneller Robotik Probleme vorgestellt, die auf vom Gehirn inspirierten Paradigmen basieren. Die Forschung wird in zwei Schritten durchgeführt. Zunächst werden vielversprechende synaptische Plastizitätsregeln identifiziert und mit ereignisbasierten Vision-Benchmarks aus der realen Welt verglichen. Zweitens werden neuartige Methoden zur Abbildung visueller Repräsentationen auf motorische Befehle vorgestellt. Neuromorphe visuelle Sensoren stellen einen wichtigen Schritt auf dem Weg zu hirninspirierten Paradigmen dar. Im Gegensatz zu herkömmlichen Kameras senden diese Sensoren Adressereignisse aus, die lokalen Änderungen der Lichtintensität entsprechen. Das ereignisbasierte Paradigma ermöglicht eine energieeffiziente und schnelle Bildverarbeitung, erfordert aber die Ableitung neuer asynchroner Algorithmen. Spikende neuronale Netze stellen eine Untergruppe von asynchronen Algorithmen dar, die vom Gehirn inspiriert und für neuromorphe Hardwaretechnologie geeignet sind. In enger Zusammenarbeit mit Computational Neuroscientists werden erfolgreiche Methoden zum Erlernen räumlich-zeitlicher Abstraktionen aus der Adressereignisdarstellung berichtet. Es wird gezeigt, dass Top-Down-Regeln der synaptischen Plastizität, die zur Optimierung einer objektiven Funktion abgeleitet wurden, die Bottom-Up-Regeln übertreffen, die allein auf Beobachtungen im Gehirn basieren. Mit dieser Einsicht wird eine neue synaptische Plastizitätsregel namens "Deep Continuous Local Learning" eingeführt, die derzeit den neuesten Stand der Technik bei ereignisbasierten Vision-Benchmarks erreicht. Diese Regel wurde während eines Aufenthalts an der Universität von Kalifornien, Irvine, gemeinsam abgeleitet, implementiert und evaluiert. Im zweiten Teil dieser Arbeit wird der visuomotorische Kreis geschlossen, indem die gelernten visuellen Repräsentationen auf motorische Befehle abgebildet werden. Drei Ansätze werden diskutiert, um ein visuomotorisches Mapping zu erhalten: manuelle Kopplung, Belohnungs-Kopplung und Minimierung des Vorhersagefehlers. Es wird gezeigt, wie diese Ansätze, welche als synaptische Plastizitätsregeln implementiert sind, verwendet werden können, um einfache Strategien und Bewegungen zu lernen. Diese Arbeit ebnet den Weg zur Integration von hirninspirierten Berechnungsparadigmen in das Gebiet der Robotik. Es wird sogar prognostiziert, dass Fortschritte in den neuromorphen Technologien und bei den Plastizitätsregeln die Entwicklung von Hochleistungs-Lernrobotern mit geringem Energieverbrauch ermöglicht