CloudRobotics – Distributed Robotics using Cloud Computing

Abstract

A Computação em Nuvem é uma mudança de paradigma que tem ganho força ao longo dos últimos anos, sendo suportada pelo aumento da disponibilidade, omnipresença e fiabilidade das ligações sem fios à Internet. A Computação em Nuvem permite o acesso a recursos computacionais aparentemente ilimitados e localizados num agrupamento de computadores externos (a Nuvem). Em contrapartida, alguns robôs, como por exemplo drones, têm requisitos de mobilidade, tais como um tamanho/peso máximo ou uma autonomia mínima, e transportar mais recursos computacionais a bordo significa prejudicar estes requisitos. Este princípio pode ser importado para o campo de Robótica, dando origem ao nome Robótica em Nuvem. Neste caso, o objetivo é permitir que robôs consigam executar tarefas que não seriam capazes de executar em circunstâncias normais e/ou libertar recursos computacionais a bordo, de modo a que mais tarefas ou tarefas mais complexas possam ser executadas ao mesmo tempo por um robô móvel. Há muitas tarefas robóticas que podem tirar proveito de poder de processamento massivo e armazenamento, tais como mapeamento e localização simultâneos (SLAM), navegação, processamento de imagem, interação humano-robô e aprendizagem. Todas estas tarefas podem esgotar rapidamente os recursos computacionais de um robô, especialmente se algumas delas forem executadas simultâneamente. No entanto, para estabelecer uma ligação e exportar dados para a Nuvem é necessária alguma largura de banda, tornando assim o sistema num compromisso: por um lado, são libertados carga computacional e espaço de armazenamento, por outro lado é colocada maior pressão sobre o uso da rede sem fios. Esta dissertação tem como objetivo analisar este compromisso, adaptando duas tarefas multi-robô existentes, que operam sobre o Robot Operating System (ROS), e comparar a abordagem baseada em Nuvem com o sistema tradicional. Para validar as capacidades dos sistemas robóticos baseados na nuvem, foram realizadas tanto simulações como experiências com robôs reais. Os resultados de simulação mostram um claro ganho no tempo de CPU, enquanto que os testes com robôs reais confirmam que os resultados das tarefas permanecem inalterados. Apesar dos sistemas baseados na Nuvem exigirem muito maior largura de banda, um moderno Wi-Fi router consegue fornecer o suficiente para suportar qualquer equipa realista de robôs. .

Cloud Computing is a paradigm shift in computation that has been gaining traction over the recent years, which is supported by the increasing availability and ubiquity of a reliable wireless connection to the Internet. Cloud Computing enables the access to seemingly unlimited computer resources that are located on an external computer cluster (the Cloud). In contrast, some robots, e.g. drones, have mobility requirements such as maximum size/weight or minimum autonomy, and carrying more onboard computer resources usually means hindering these requirements. This principle can be brought to the field of Robotics hence the name Cloud Robotics. In this case, the goal is to allow robots to perform tasks they would not be able to under normal circumstances and/or to free onboard resources so that more tasks or more complex tasks can be executed at the same time by a mobile robot. There are many existing robotic tasks that can take advantage of massive processing power and storage, such as simultaneous localization and mapping (SLAM), navigation and trajectory planning, image processing, pattern recognition, human-robot interaction and machine learning to name a few. All of these can quickly drain the robot out of its computer resources, especially if some of these tasks are running at the same time. However, in order to access and export data to the Cloud some bandwidth is needed, thus making the system a tradeoff: on the one hand, computation load and storage space is being freed, while on the other hand more strain is being put on the wireless network usage. As wireless connection protocols become more and more powerful, a Cloud-based solution becomes more interesting. This dissertation aims to analyse this tradeoff by adapting two existing multi-robot tasks, working on the Robotic Operating System (ROS), and compare the Cloud-based approach to the traditional one. To validate the capabilities of Cloud-based robotic systems, both simulations and experiments with real robots were conducted. Simulation results show a clear gain in CPU time, while the latter confirms the outcome of the tasks remains the same. Despite the Cloud-based systems, requiring considerably more bandwidth, a modern off-the-shelf Wi-Fi router can provide with enough to support any realistic team of robots. .