Optimizing AI at the Edge: from network topology design to MCU deployment

The first topic analyzed in the thesis will be Neural Architecture Search (NAS). I will focus on two different tools that I developed, one to optimize the architecture of Temporal Convolutional Networks (TCNs), a convolutional model for time-series processing that has recently emerged, and one to optimize the data precision of tensors inside CNNs. The first NAS proposed explicitly targets the optimization of the most peculiar architectural parameters of TCNs, namely dilation, receptive field, and the number of features in each layer. Note that this is the first NAS that explicitly targets these networks. The second NAS proposed instead focuses on finding the most efficient data format for a target CNN, with the granularity of the layer filter. Note that applying these two NASes in sequence allows an "application designer" to minimize the structure of the neural network employed, minimizing the number of operations or the memory usage of the network. After that, the second topic described is the optimization of neural network deployment on edge devices. Importantly, exploiting edge platforms' scarce resources is critical for NN efficient execution on MCUs. To do so, I will introduce DORY (Deployment Oriented to memoRY) -- an automatic tool to deploy CNNs on low-cost MCUs. DORY, in different steps, can manage different levels of memory inside the MCU automatically, offload the computation workload (i.e., the different layers of a neural network) to dedicated hardware accelerators, and automatically generates ANSI C code that orchestrates off- and on-chip transfers with the computation phases. On top of this, I will introduce two optimized computation libraries that DORY can exploit to deploy TCNs and Transformers on edge efficiently. I conclude the thesis with two different applications on bio-signal analysis, i.e., heart rate tracking and sEMG-based gesture recognition

Predictive Techniques for Scene Understanding by using Deep Learning in Autonomous Driving

La conducción autónoma es considerada uno de los más grandes retos tecnológicos de la actualidad. Cuando los coches autónomos conquisten nuestras carreteras, los accidentes se reducirán notablemente, hasta casi desaparecer, ya que la tecnología estará testada y no incumplirá las normas de conducción, entre otros beneficios sociales y económicos. Uno de los aspectos más críticos a la hora de desarrollar un vehículo autónomo es percibir y entender la escena que le rodea. Esta tarea debe ser tan precisa y eficiente como sea posible para posteriormente predecir el futuro de esta misma y ayudar a la toma de decisiones. De esta forma, las acciones tomadas por el vehículo garantizarán tanto la seguridad del vehículo en sí mismo y sus ocupantes, como la de los obstáculos circundantes, tales como viandantes, otros vehículos o infraestructura de la carretera. En ese sentido, esta tesis doctoral se centra en el estudio y desarrollo de distintas técnicas predictivas para el entendimiento de la escena en el contexto de la conducción autónoma. Durante la tesis, se observa una incorporación progresiva de técnicas de aprendizaje profundo en los distintos algoritmos propuestos para mejorar el razonamiento sobre qué está ocurriendo en el escenario de tráfico, así como para modelar las complejas interacciones entre la información social (distintos participantes o agentes del escenario, tales como vehículos, ciclistas o peatones) y física (es decir, la información geométrica, semántica y topológica del mapa de alta definición) presente en la escena. La capa de percepción de un vehículo autónomo se divide modularmente en tres etapas: Detección, Seguimiento (Tracking), y Predicción. Para iniciar el estudio de las etapas de seguimiento y predicción, se propone un algoritmo de Multi-Object Tracking basado en técnicas clásicas de estimación de movimiento y asociación validado en el dataset KITTI, el cual obtiene métricas del estado del arte. Por otra parte, se propone el uso de un filtro inteligente basado en información contextual de mapa, cuyo objetivo es monitorizar los agentes más relevantes de la escena en el tiempo, representando estos agentes filtrados la entrada preliminar para realizar predicciones unimodales basadas en un modelo cinemático. Para validar esta propuesta de filtro inteligente se usa CARLA (CAR Learning to Act), uno de los simuladores hiperrealistas para conducción autónoma más prometedores en la actualidad, comprobando cómo al usar información contextual de mapa se puede reducir notablemente el tiempo de inferencia de un algoritmo de tracking y predicción basados en métodos físicos, prestando atención a los agentes realmente relevantes del escenario de tráfico. Tras observar las limitaciones de un modelo de predicción basado en cinemática para la predicción a largo plazo de un agente, los distintos algoritmos de la tesis se centran en el módulo de predicción, usando los datasets Argoverse 1 y Argoverse 2, donde se asume que los agentes proporcionados en cada escenario de tráfico ya están monitorizados durante un cierto número de observaciones. En primer lugar, se introduce un modelo basado en redes neuronales recurrentes (particularmente redes LSTM, Long-Short Term Memory) y mecanismo de atención para codificar las trayectorias pasadas de los agentes, y una representación simplificada del mapa en forma de posiciones finales potenciales en la carretera para calcular las trayectorias futuras unimodales, todo envuelto en un marco GAN (Generative Adversarial Network), obteniendo métricas similares al estado del arte en el caso unimodal. Una vez validado el modelo anterior en Argoverse 1, se proponen distintos modelos base (sólo social, incorporando mapa, y una mejora final basada en Transformer encoder, redes convolucionales 1D y mecanismo de atención cruzada para la fusión de características) precisos y eficientes basados en el modelo de predicción anterior, introduciendo dos nuevos conceptos. Por un lado, el uso de redes neuronales gráficas (particularmente GCN, Graph Convolutional Network) para codificar de una forma potente las interacciones de los agentes. Por otro lado, se propone el preprocesamiento de trayectorias preliminares a partir de un mapa con un método heurístico. Gracias a estas entradas y una arquitectura más potente de codificación, los modelos base serán capaces de predecir distintas trayectorias futuras multimodales, es decir, cubriendo distintos posibles futuros para el agente de interés. Los modelos base propuestos obtienen métricas de regresión del estado del arte tanto en el caso multimodal como unimodal manteniendo un claro compromiso de eficiencia con respecto a otras propuestas. El modelo final de la tesis, inspirado en los modelos anteriores y validado en el más reciente dataset para algoritmos de predicción en conducción autónoma (Argoverse 2), introduce varias mejoras para entender mejor el escenario de tráfico y decodificar la información de una forma precisa y eficiente. Se propone incorporar información topológica y semántica de los carriles futuros preliminares con el método heurístico antes mencionado, codificación de mapa basada en aprendizaje profundo con redes GCN, ciclo de fusión de características físicas y sociales, estimación de posiciones finales en la carretera y agregación de su entorno circundante con aprendizaje profundo y finalmente módulo de refinado para mejorar la calidad de las predicciones multimodales finales de un modo elegante y eficiente. Comparado con el estado del arte, nuestro método logra métricas de predicción a la par con los métodos mejor posicionados en el Leaderboard de Argoverse 2, reduciendo de forma notable el número de parámetros y operaciones de coma flotante por segundo. Por último, el modelo final de la tesis ha sido validado en simulación en distintas aplicaciones de conducción autónoma. En primer lugar, se integra el modelo para proporcionar predicciones a un algoritmo de toma de decisiones basado en aprendizaje por refuerzo en el simulador SMARTS (Scalable Multi-Agent Reinforcement Learning Training School), observando en los estudios como el vehículo es capaz de tomar mejores decisiones si conoce el comportamiento futuro de la escena y no solo el estado actual o pasado de esta misma. En segundo lugar, se ha realizado un estudio de adaptación de dominio exitoso en el simulador hiperrealista CARLA en distintos escenarios desafiantes donde el entendimiento de la escena y predicción del entorno son muy necesarios, como una autopista o rotonda con gran densidad de tráfico o la aparición de un usuario vulnerable de la carretera de forma repentina. En ese sentido, el modelo de predicción ha sido integrado junto con el resto de capas de la arquitectura de navegación autónoma del grupo de investigación donde se desarrolla la tesis como paso previo a su implementación en un vehículo autónomo real

Machine Learning in Resource-constrained Devices: Algorithms, Strategies, and Applications

The ever-increasing growth of technologies is changing people's everyday life. As a major consequence: 1) the amount of available data is growing and 2) several applications rely on battery supplied devices that are required to process data in real time. In this scenario the need for ad-hoc strategies for the development of low-power and low-latency intelligent systems capable of learning inductive rules from data using a modest mount of computational resources is becoming vital. At the same time, one needs to develop specic methodologies to manage complex patterns such as text and images. This Thesis presents different approaches and techniques for the development of fast learning models explicitly designed to be hosted on embedded systems. The proposed methods proved able to achieve state-of-the-art performances in term of the trade-off between generalization capabilities and area requirements when implemented in low-cost digital devices. In addition, advanced strategies for ecient sentiment analysis in text and images are proposed

Riconoscimento automatico di difetti per la diagnostica predittiva su sistemi di isolamento

Una macchina elettrica, durante il ciclo di vita, presenta fenomeni di invecchiamento nel sistema di isolamento. Questi si caratterizzano come impulsi di corrente, conosciuti come "scariche parziali", e sono sia il sintomo sia la causa del deterioramento dell'isolamento stesso. Per questo motivo vengono programmate azioni di manutenzione periodiche per limitare i danni che possono provocare. Risulta per\uf2 utile monitorare continuamente lo stato di una macchina, sia per non fermarla per una manutenzione non necessaria, sia per valutare online la condizione dell'isolamento, in modo tale da intervenire immediatamente nel caso in cui un difetto grave si manifesti improvvisamente. Le scariche parziali possono essere pi\uf9 o meno pericolose in funzione di alcuni fattori quali l'intensit\ue0, la frequenza con cui si manifestano e la posizione all'interno di un motore elettrico. Risulta dunque necessario distinguere la/e sorgente/i che generano tali fenomeni. Perci\uf2, in questa tesi, vengono presentati diversi approcci e tecniche per il riconoscimento automatico di difetti, sia con algoritmi di apprendimento supervisionato che non. Nel primo caso si identificano soluzioni di apprendimento rapido che possono essere realizzate su dispositivi hardware, con un ottimo compromesso tra capacit\ue0 di generalizzazione e occupazione di area. Nel secondo, vengono confrontati diversi algoritmi presenti in letteratura e proposta una scelta alternativa dei parametri in ingresso ad essi, che porta a risultati soddisfacenti