Building Blocks for Spikes Signals Processing

Neuromorphic engineers study models and implementations of systems that mimic neurons behavior in the brain. Neuro-inspired systems commonly use spikes to represent information. This representation has several advantages: its robustness to noise thanks to repetition, its continuous and analog information representation using digital pulses, its capacity of pre-processing during transmission time, ... , Furthermore, spikes is an efficient way, found by nature, to codify, transmit and process information. In this paper we propose, design, and analyze neuro-inspired building blocks that can perform spike-based analog filters used in signal processing. We present a VHDL implementation for FPGA. Presented building blocks take advantages of the spike rate coded representation to perform a massively parallel processing without complex hardware units, like floating point arithmetic units, or a large memory. Those low requirements of hardware allow the integration of a high number of blocks inside a FPGA, allowing to process fully in parallel several spikes coded signals.Junta de Andalucía P06-TIC-O1417Ministerio de Ciencia e Innovación TEC2009-10639-C04-02Ministerio de Ciencia e Innovación TEC2006-11730-C03-0

A Neuro-Inspired Spike-Based PID Motor Controller for Multi-Motor Robots with Low Cost FPGAs

In this paper we present a neuro-inspired spike-based close-loop controller written in VHDL and implemented for FPGAs. This controller has been focused on controlling a DC motor speed, but only using spikes for information representation, processing and DC motor driving. It could be applied to other motors with proper driver adaptation. This controller architecture represents one of the latest layers in a Spiking Neural Network (SNN), which implements a bridge between robotics actuators and spike-based processing layers and sensors. The presented control system fuses actuation and sensors information as spikes streams, processing these spikes in hard real-time, implementing a massively parallel information processing system, through specialized spike-based circuits. This spike-based close-loop controller has been implemented into an AER platform, designed in our labs, that allows direct control of DC motors: the AER-Robot. Experimental results evidence the viability of the implementation of spike-based controllers, and hardware synthesis denotes low hardware requirements that allow replicating this controller in a high number of parallel controllers working together to allow a real-time robot control

Quantifying Input and Output Spike Statistics of a Winner-Take-All Network in a Vision System

Abstract — Event-driven spike-based processing systems offer new possibilities for real-time vision. Signals are encoded asynchronously in time thus preserving the time information of the occurrence of an event. We examine this form of coding using experimental data from a multi-layered multi-chip system which consists of an artificial retina, a convolution filterbank and a winner-take-all network which detect the position of a moving object. The spike outputs of the convolution stage can be described by an inhomogeneous Poisson distribution of Gaussian profile, although the underlying building blocks are completely deterministic and exhibit only a small amount of variation. We discuss a method for measuring the accuracy of the asynchronous spiking representation in both time and value, thereby quantifying the performance of the winner-takeall network in determining the position of a ball rotating in front of the system. I

Una aportación a los sistemas de procesamiento de la información basados en modelos neuronales pulsantes

En este trabajo se propone e implementa un nuevo sistema de reconocimiento de sonidos basado en una cóclea artificial pulsante innovadora. Inicialmente se estudian los mecanismos clásicos de procesamiento de audio para el reconocimiento de sonidos; así como el funcionamiento del sistema auditivo humano en conjunción con los procesos neuronales del cerebro. A partir de dichos estudios, es como se proponen nuevos sistemas en lo que respecta al procesamiento de audio y reconocimiento de sonidos automático. En trabajos de investigación recientes se han desarrollado una serie de elementos neuromórficos hardware pulsantes basados en codificación AER (Address Event Representation), en esta tesis estos bloques sirven de punto de partida para la implementación de nuestro sistema de reconocimiento de sonidos. Se proponen e implementan dos sistemas: por una parte, una cóclea artificial para la obtención de las componentes de frecuencia del sonido, imitando el funcionamiento del aparato auditivo. Y por otra, un sistema de reconocimiento de patrones sonoros, obtenidos a partir de la salida generada por la cóclea artificial, inspirado en el comportamiento de las neuronas y las conexiones entre ellas. Por último, en este trabajo, se realiza un estudio exhaustivo para evaluar la eficiencia de los sistemas implementados y compararlos con los desarrollos previos

Diseño y evaluación de sistemas de control y procesamiento de señales basados en modelos neuronales pulsantes

A lo largo del presente trabajo hemos propuesto, diseñado, implementado, simulado, y analizado diversos mecanismos para implementar controles basados en los modelos de las neuronas pulsantes. Para ello, en primer lugar, hemos diseñado e implementado elementos para actuar sobre motores de DC a partir d ... e spikes. Se han implementado elementos basados en dos modulaciones distintas, la modulación PWM y la modulación PFM, siendo esta última coincidente con la usada por los modelos neuronales pulsantes más habituales (tipo AER). Además de diseñar e implementar ambos elementos, los hemos simulado junto con modelos de motores para poder así analizar las respuestas de un motor en diversos escenarios. Gracias a dichas simulaciones hemos podido analizar la interacción entre motores y los elementos implementados. Realizar diversas comparaciones y extrayendo de ellas las fortalezas y debilidades de los mecanismos propuestos. El siguiente paso ha sido la propuesta, diseño, implementación, simulación y análisis de controles en lazo cerrado basados en spikes, comenzando con el diseño de simple controladores P, aumentando su complejidad hasta diseñar controlador PID basados en spikes. Para el desarrollo de controladores P basados en pulsos hemos propuesto dos mecanismos para restar dos señales de spikes, estos elementos han sido el Inter-Spike-Interval Difference & Generate y el Hold & Fire. A partir de estos elementos hemos construido diversos escenarios de simulación combinándolos con el modulador PWM y el Spikes Expansor (PFM), para de esta manera poder analizar comparativamente las cualidades del uso de uno u otro mecanismo. A continuación se han desarrollado un integrador y un derivador, basados ambos en el Integrate & Generate, de spikes. Con estos elementos más el Hold & Fire se han obtenidos controladores PID, que posteriormente se han simulado. A partir de las simulaciones hemos podido analizar las respuestas en cada caso y compararlas entre ellas. Consiguiendo respuestas similares a los sistemas tradicionales de control PID. Una vez simulados todos los elementos necesarios para implementar controladores PID basados en spikes, hemos procedido a llevarlos a la realidad. Como primer paso hemos diseñado y construido la plataforma AER-Robot, la cual da soporte físico a los controles. A Á ngel Fco. Jiménez Fernández Página 252 continuación hemos procedido a adaptar las implementaciones de los controles para llevarlos a la realidad, estableciendo mecanismos de comunicación desde el exterior hasta los controles, e implementando un monitor basado en la representación AER para el monitorizado y posterior análisis de los controles. A continuación hemos construido un pequeño robot móvil, Eddie, como plataforma de demostración. Eddie es un robot diferencial, contiene controles más complejos que simples controles PID, permitiéndole así navegar por el mundo con controles neuro-inspirados en su interior. Para comprobar el correcto funcionamiento de Eddie hemos ampliado el monitor AER y analizado sus respuestas ante diversas señales de excitación. Finalmente, hemos realizado un análisis de los elementos diseñados para el control PID desde el punto de vista del procesamiento de señales, implementando filtros paso baja, de banda y de alta, basados en spikes y equivalentes a los filtros analógicos. Caracterizando los parámetros y ajustes necesarios de dichos filtros, para posteriormente simular y probar sus respuestas. Como aplicación práctica se ha realizado una propuesta de una nueva cóclea artificial utilizando bancos de filtros pulsantes, proponiendo y usando algoritmos genéticos para ajustar adecuadamente los diversos parámetros de los filtros, dado su complicación a nivel paramétrico. Ver más Ver menos arquitectura computadores control diseño Informática neuronales pulsantes señales sistemas tecnología