Modeling Power Consumption and Temperature in TLM Models

International audienceMany techniques and tools exist to estimate the power consumption and the temperature map of a chip. These tools help the hardware designers develop power efficient chips in the presence of temperature constraints. For this task, the application can be ignored or at least abstracted by some high level scenarios; at this stage, the actual embedded software is generally not available yet. However, after the hardware is defined, the embedded software can still have a significant influence on the power consumption; i.e., two implementations of the same application can consume more or less power. Moreover, the actual software powe

A Cross-level Verification Methodology for Digital IPs Augmented with Embedded Timing Monitors

Smart systems are characterized by the integration in a single device of multi-domain subsystems of different technological domains, namely, analog, digital, discrete and power devices, MEMS, and power sources. Such challenges, emerging from the heterogeneous nature of the whole system, combined with the traditional challenges of digital design, directly impact on performance and on propagation delay of digital components. This article proposes a design approach to enhance the RTL model of a given digital component for the integration in smart systems with the automatic insertion of delay sensors, which can detect and correct timing failures. The article then proposes a methodology to verify such added features at system level. The augmented model is abstracted to SystemC TLM, which is automatically injected with mutants (i.e., code mutations) to emulate delays and timing failures. The resulting TLM model is finally simulated to identify timing failures and to verify the correctness of the inserted delay monitors. Experimental results demonstrate the applicability of the proposed design and verification methodology, thanks to an efficient sensor-aware abstraction methodology, by applying the flow to three complex case studies

Predictive control using an FPGA with application to aircraft control

Alternative and more efficient computational methods can extend the applicability of MPC to systems with tight real-time requirements. This paper presents a ``system-on-a-chip'' MPC system, implemented on a field programmable gate array (FPGA), consisting of a sparse structure-exploiting primal dual interior point (PDIP) QP solver for MPC reference tracking and a fast gradient QP solver for steady-state target calculation. A parallel reduced precision iterative solver is used to accelerate the solution of the set of linear equations forming the computational bottleneck of the PDIP algorithm. A numerical study of the effect of reducing the number of iterations highlights the effectiveness of the approach. The system is demonstrated with an FPGA-in-the-loop testbench controlling a nonlinear simulation of a large airliner. This study considers many more manipulated inputs than any previous FPGA-based MPC implementation to date, yet the implementation comfortably fits into a mid-range FPGA, and the controller compares well in terms of solution quality and latency to state-of-the-art QP solvers running on a standard PC.This work was supported by EPSRC (Grants EP/G030308/1, EP/G031576/1 and EP/I012036/1) and the EU FP7 Project EMBOCON grant agreement number FP7-ICT-2009-4 248940, as well as industrial support from Xilinx, the Mathworks, and the European Space Agency.This is the author's version of an article that has been published in this journal. Changes were made to this version by the publisher prior to publication. The final version of record is available at: http://dx.doi.org/10.1109/TCST.2013.2271791. Copyright (c) 2014 IEEE. Personal use is permitted. For any other purposes, permission must be obtained from the IEEE by emailing [email protected]

Robust navigation for industrial service robots

Pla de Doctorats Industrials de la Generalitat de CatalunyaRobust, reliable and safe navigation is one of the fundamental problems of robotics. Throughout the present thesis, we tackle the problem of navigation for robotic industrial mobile-bases. We identify its components and analyze their respective challenges in order to address them. The research work presented here ultimately aims at improving the overall quality of the navigation stack of a commercially available industrial mobile-base. To introduce and survey the overall problem we first break down the navigation framework into clearly identified smaller problems. We examine the Simultaneous Localization and Mapping (SLAM) problem, recalling its mathematical grounding and exploring the state of the art. We then review the problem of planning the trajectory of a mobile-base toward a desired goal in the generated environment representation. Finally we investigate and clarify the use of the subset of the Lie theory that is useful in robotics. The first problem tackled is the recognition of place for closing loops in SLAM. Loop closure refers to the ability of a robot to recognize a previously visited location and infer geometrical information between its current and past locations. Using only a 2D laser range finder sensor, we address the problem using a technique borrowed from the field of Natural Language Processing (NLP) which has been successfully applied to image-based place recognition, namely the Bag-of-Words. We further improve the method with two proposals inspired from NLP. Firstly, the comparison of places is strengthened by considering the natural relative order of features in each individual sensor reading. Secondly, topological correspondences between places in a corpus of visited places are established in order to promote together instances that are ‘close’ to one another. We then tackle the problem of motion model calibration for odometry estimation. Given a mobile-base embedding an exteroceptive sensor able to observe ego-motion, we propose a novel formulation for estimating the intrinsic parameters of an odometry motion model. Resorting to an adaptation of the pre-integration theory initially developed for inertial motion sensors, we employ iterative nonlinear on-manifold optimization to estimate the wheel radii and wheel separation. The method is further extended to jointly estimate both the intrinsic parameters of the odometry model together with the extrinsic parameters of the embedded sensor. The method is shown to accommodate to variation in model parameters quickly when the vehicle is subject to physical changes during operation. Following the generation of a map in which the robot is localized, we address the problem of estimating trajectories for motion planning. We devise a new method for estimating a sequence of robot poses forming a smooth trajectory. Regardless of the Lie group considered, the trajectory is seen as a collection of states lying on a spline with non-vanishing n-th derivatives at each point. Formulated as a multi-objective nonlinear optimization problem, it allows for the addition of cost functions such as velocity and acceleration limits, collision avoidance and more. The proposed method is evaluated for two different motion planning tasks, the planning of trajectories for a mobile-base evolving in the SE(2) manifold, and the planning of the motion of a multi-link robotic arm whose end-effector evolves in the SE(3) manifold. From our study of Lie theory, we developed a new, ready to use, programming library called `manif’. The library is open source, publicly available and is developed following good software programming practices. It is designed so that it is easy to integrate and manipulate, and allows for flexible use while facilitating the possibility to extend it beyond the already implemented Lie groups.La navegación autónoma es uno de los problemas fundamentales de la robótica, y sus diferentes desafíos se han estudiado durante décadas. El desarrollo de métodos de navegación robusta, confiable y segura es un factor clave para la creación de funcionalidades de nivel superior en robots diseñados para operar en entornos con humanos. A lo largo de la presente tesis, abordamos el problema de navegación para bases robóticas móviles industriales; identificamos los elementos de un sistema de navegación; y analizamos y tratamos sus desafíos. El trabajo de investigación presentado aquí tiene como último objetivo mejorar la calidad general del sistema completo de navegación de una base móvil industrial disponible comercialmente. Para estudiar el problema de navegación, primero lo desglosamos en problemas menores claramente identificados. Examinamos el subproblema de mapeo del entorno y localización del robot simultáneamente (SLAM por sus siglas en ingles) y estudiamos el estado del arte del mismo. Al hacerlo, recordamos y detallamos la base matemática del problema de SLAM. Luego revisamos el subproblema de planificación de trayectorias hacia una meta deseada en la representación del entorno generada. Además, como una herramienta para las soluciones que se presentarán más adelante en el desarrollo de la tesis, investigamos y aclaramos el uso de teoría de Lie, centrándonos en el subconjunto de la teoría que es útil para la estimación de estados en robótica. Como primer elemento identificado para mejoras, abordamos el problema de reconocimiento de lugares para cerrar lazos en SLAM. El cierre de lazos se refiere a la capacidad de un robot para reconocer una ubicación visitada previamente e inferí información geométrica entre la ubicación actual del robot y aquellas reconocidas. Usando solo un sensor láser 2D, la tarea es desafiante ya que la percepción del entorno que proporciona el sensor es escasa y limitada. Abordamos el problema utilizando 'bolsas de palabras', una técnica prestada del campo de procesamiento del lenguaje natural (NLP) que se ha aplicado con éxito anteriormente al reconocimiento de lugares basado en imágenes. Nuestro método incluye dos nuevas propuestas inspiradas también en NLP. Primero, la comparación entre lugares candidatos se fortalece teniendo en cuenta el orden relativo natural de las características en cada lectura individual del sensor; y segundo, se establece un corpus de lugares visitados para promover juntos instancias que están "cerca" la una de la otra desde un punto de vista topológico. Evaluamos nuestras propuestas por separado y conjuntamente en varios conjuntos de datos, con y sin ruido, demostrando mejora en la detección de cierres de lazo para sensores láser 2D, con respecto al estado del arte. Luego abordamos el problema de la calibración del modelo de movimiento para la estimación de la edometría. Dado que nuestra base móvil incluye un sensor exteroceptivo capaz de observar el movimiento de la plataforma, proponemos una nueva formulación que permite estimar los parámetros intrínsecos del modelo cinemático de la plataforma durante el cómputo de la edometría del vehículo. Hemos recurrido a una adaptación de la teoría de reintegración inicialmente desarrollado para unidades inerciales de medida, y aplicado la técnica a nuestro modelo cinemático. El método nos permite, mediante optimización iterativa no lineal, la estimación del valor del radio de las ruedas de forma independiente y de la separación entre las mismas. El método se amplía posteriormente par idéntica de forma simultánea, estos parámetros intrínsecos junto con los parámetros extrínsecos que ubican el sensor láser con respecto al sistema de referencia de la base móvil. El método se valida en simulación y en un entorno real y se muestra que converge hacia los verdaderos valores de los parámetros. El método permite la adaptación de los parámetros intrínsecos del modelo cinemático de la plataforma derivados de cambios físicos durante la operación, tales como el impacto que el cambio de carga sobre la plataforma tiene sobre el diámetro de las ruedas. Como tercer subproblema de navegación, abordamos el reto de planificar trayectorias de movimiento de forma suave. Desarrollamos un método para planificar la trayectoria como una secuencia de configuraciones sobre una spline con n-ésimas derivadas en todos los puntos, independientemente del grupo de Lie considerado. Al ser formulado como un problema de optimización no lineal con múltiples objetivos, es posible agregar funciones de coste al problema de optimización que permitan añadir límites de velocidad o aceleración, evasión de colisiones, etc. El método propuesto es evaluado en dos tareas de planificación de movimiento diferentes, la planificación de trayectorias para una base móvil que evoluciona en la variedad SE(2), y la planificación del movimiento de un brazo robótico cuyo efector final evoluciona en la variedad SE(3). Además, cada tarea se evalúa en escenarios con complejidad de forma incremental, y se muestra un rendimiento comparable o mejor que el estado del arte mientras produce resultados más consistentes. Desde nuestro estudio de la teoría de Lie, desarrollamos una nueva biblioteca de programación llamada “manif”. La biblioteca es de código abierto, está disponible públicamente y se desarrolla siguiendo las buenas prácticas de programación de software. Esta diseñado para que sea fácil de integrar y manipular, y permite flexibilidad de uso mientras se facilita la posibilidad de extenderla más allá de los grupos de Lie inicialmente implementados. Además, la biblioteca se muestra eficiente en comparación con otras soluciones existentes. Por fin, llegamos a la conclusión del estudio de doctorado. Examinamos el trabajo de investigación y trazamos líneas para futuras investigaciones. También echamos un vistazo en los últimos años y compartimos una visión personal y experiencia del desarrollo de un doctorado industrial.Postprint (published version

Modélisation à haut niveau d'abstraction pour les systèmes embarqués

Modern embedded systems have reached a level of complexity such that it is no longer possible to wait for the first physical prototypes to validate choices on the integration of hardware and software components. It is necessary to use models, early in the design flow. The work presented in this document contribute to the state of the art in several domains. First, we present some verification techniques based on abstract interpretation and SMT-solving for programs written in general-purpose languages like C, C++ or Java. Then, we use verification tools on models written in SystemC at the transaction level (TLM). Several approaches are presented, most of them using compilation techniques specific to SystemC to turn the models into a format usable by existing tools. The second part of the document deal with non-functional properties of models: timing performances, power consumption and temperature. In the context of TLM, we show how functional models can be enriched with non-functional information. Finally, we present contributions to the modular performance analysis (MPA) with real-time calculus (RTC) framework. We describe several ways to connect RTC to more expressive formalisms like timed automata and the synchronous language Lustre. These connections raise the problem of causality, which is defined formally and solved with the new causality closure algorithm.Les systèmes embarqués modernes ont atteint un niveau de complexité qui fait qu'il n'est plus possible d'attendre les premiers prototypes physiques pour valider les décisions sur l'intégration des composants matériels et logiciels. Il est donc nécessaire d'utiliser des modèles, tôt dans le flot de conception. Les travaux présentés dans ce document contribuent à l'état de l'art dans plusieurs domaines. Nous présentons dans un premier temps de nouvelles techniques de vérification de programmes écrits dans des langages généralistes comme C, C++ ou Java. Dans un second temps, nous utilisons des outils de vérification formelle sur des modèles écrits en SystemC au niveau transaction (TLM). Plusieurs approches sont présentées, la plupart d'entre elles utilisent des techniques de compilations spécifiques à SystemC pour transformer le programme SystemC en un format utilisable par les outils. La seconde partie du document s'intéresse aux propriétés non-fonctionnelles des modèles~: performances temporelles, consommation électrique et température. Dans le contexte de la modélisation TLM, nous proposons plusieurs techniques pour enrichir des modèles fonctionnels avec des informations non-fonctionnelles. Enfin, nous présentons les contributions faites à l'analyse de performance modulaire (MPA) avec le calcul temps-réel (RTC). Nous proposons plusieurs connections entre ces modèles analytiques et des formalismes plus expressifs comme les automates temporisés et le langage de programmation Lustre. Ces connexion posent le problème théorique de la causalité, qui est formellement défini et résolu avec un algorithme nouveau dit de " fermeture causale "