A unified model for software-hardware co-design

A unified model of factorized graphs is proposed for the specification and the optimization of real-time embedded application s based on architectures composed of processors and/or specific circuits . First, a graph of operations partially ordered by their data dependencies is used to specify the algorithm and hence its potential parallelism, independently of hardware constraints . Then , it is shown how this dependence graph may be transformed by different kinds of factorization to obtain an implementation, a s specific circuits or as a specialized executive distributed on several processors . Finally, basic principles of optimization are give n for minimizing hardware resources while satisfying real-time constraints . In prospect, this unified approach is expected to be used for optimized software-hardware co-design .On propose un modèle unifié de graphes factorisés, pour spécifier et optimiser des applications temps réel embarquées, basées sur des architectures composées de processeurs et/ou de circuits spécialisés. Tout d'abord on utilise un graphe de dépendances de données entre opérations pour spécifier l'ordre partiel des opérations de l'algorithme et donc son parallélisme potentiel, indépendamment des contraintes matérielles. On montre ensuite comment ce graphe peut être transformé par différentes formes de factorisation pour aboutir à une implantation sous forme de circuits spécialisés ou d'un exécutif spécialisé distribué sur des processeurs. Enfin on donne les principes de base de l'optimisation visant à minimiser les ressources matérielles tout en respectant les contraintes temps réel. On présente en perspective comment cette approche unifiée pourra conduire à l'optimisation de la conception conjointe logiciel-matériel

Design of a flexible, re-usable hardware component for the 2D discrete wavelet transform

This paper deals with the implementation of the 2D discrete wavelet transform in the form of a reusable, flexible hardware component. This component is compliant with the JPEG2000 standard and targets a variety of embedded imaging applications. A novel design methodology based on the emerging high-level synthesis tools allowed us to achieve a high degree of flexibility in the specification and synthesis of this component. Customization of functional parameters is supported (choice of the lifting-based filter bank, number of decomposition levels) as well as communication constraints (pixel ordering and I/O scheduling) and performance constraints (computation speed and parallelism), facilitating reuse in various applications and integration environments. In this paper, we first provide a summary of the recent trends in embedded system design. Then the theoretical bases of the discrete wavelet transform and the classical approaches for implementing it in hardware are briefly presented. After presenting the principles of our design methodology, we detail the successive design stages, from the algorithm to the architectures, in the case of the 2D lifting-based discrete wavelet transform. We conclude with synthesis results demonstrating the effectiveness of our approach for designing highly flexible hardware components.Dans cet article, nous nous intéressons à l'implantation matérielle de la transformation en ondelettes discrète 2D sous forme d'un composant réutilisable flexible. Ce composant, compatible avec le standard JPEG2000, est destiné à être intégré dans une variété d'applications embarquées de compression d'images. Une méthodologie de conception originale reposant sur les nouveaux outils de synthèse de haut niveau nous a permis d'atteindre un degré élevé de flexibilité dans la spécification et la synthèse de ce composant. Celle-ci autorise en effet la personnalisation de paramètres fonctionnels (choix du banc de filtres lifting, nombre de niveaux de décomposition), de contraintes de communication (ordre de parcours des pixels de l'image, date de lecture/écriture des données) et de contraintes de performances (vitesse de traitement, parallélisme de calcul) qui facilitent ainsi sa réutilisation dans différentes applications et environnements d'intégration. Dans cet article, nous dressons tout d'abord un état de l'art des nouvelles approches en conception de systèmes intégrés. Nous rappelons brièvement les bases théoriques de la transformation en ondelettes discrète et nous présentons les approches classiques pour son implantation sous forme d'architectures VLSI. Après avoir présenté les principes de notre méthodologie de conception, nous déclinons ses étapes successives, de l'algorithme aux architectures, dans le cas de la transformation en ondelettes 2D utilisant le Lifting Scheme. Nous concluons par des résultats de synthèse démontrant l'efficacité de la démarche suivie en termes de flexibilité de la spécification obtenue

Système d'arpentage automatisé pour les mines souterraines

RÉSUMÉ Parmi les projets existants en robotique mobile destinés aux mines souterraines, aucun des travaux n'est adapté à la tâche d'arpenter les excavations dans une mine. Ainsi, dans le contexte de la recherche en automatisation minière à la chaire CRSNG-Noranda, nous étudions la faisabilité de l'arpentage d'une mine souterraine par une plate-forme mobile autonome (robot). L'objectif de ce projet est de démontrer le concept d'un système adapté à la fois à l'arpentage automatisé et à la navigation autonome et qui emploie un robot capable de naviguer sans l'aide de structures de guidage. Il s'agit d'un véhicule muni d'un senseur odométrique, de télémètres latéraux fournissant des mesures denses de la forme des murs et du toit et d'un télémètre frontal balayant un demi-plan horizontal devant le véhicule. Notre travail consiste à développer les capacités d'analyse sensorielle de ce "robot-arpenteur". La réalisation physique du système est au-delà de la portée de ce projet par conséquent, nous évaluons nos stratégies d'analyse sensorielle à l'aide d'un banc expérimental en mine virtuelle simulée sur ordinateur avec les méthodes de l'infographie. Nous nous basons sur un projet de recherche connexe, portant sur la modélisation générique d'objets pour établir un modèle de mine souterraine : celle-ci est décomposable en sous-régions qualitativement distinctes que nous appelons ses éléments topologiques. Nous en considérons deux types : les galeries et les intersections de galeries. (Le modèle peut aussi inclure des chambres, qui représentent des espaces ouverts. Par exemple des zones d'extraction.) Nous faisons de plus une supposition importante : que le robot possède a priori un graphe topologique décrivant la région de la mine à parcourir. Dans ce graphe, les arcs symbolisent les galeries et les nœuds symbolisent les intersections (et les chambres, le cas échéant). En outre, vu la grande complexité du problème de départ, nous faisons quelques simplifications. D'une part, nous développons notre approche dans l'optique d'arpenter des zones de transport dans la mine plutôt que des zones à excavations denses (e.g. les zones de chambres et piliers). D'autre part, nous faisons abstraction des problèmes de bruit de mesure dans l'odométrie et dans les senseurs télémétriques. Le développement de notre système s'appuie sur une architecture hiérarchique qui sépare la tâche totale en trois activités principales menées en parallèle : la navigation globale, la navigation locale et l'arpentage. La navigation globale est responsable de localiser le robot par rapport au graphe topologique; ici, le problème classique de distinguer globalement tous les lieux rencontrés est remplacé par la tâche moins complexe de reconnaitre les transitions entre les éléments topologiques. La navigation locale s'occupe de contrôler les déplacements du robot en exploitant l'information sensorielle plutôt qu'une trajectoire précise pré-établie. L'arpentage doit récolter les mesures provenant des télémètres latéraux dans un format exploitable pour la construction d'un modèle géométrique de la mine. Notre architecture se veut complète bien que certaines de ses composantes ne soient pas implantées. Notamment, comme le contrôle local de véhicule basé sur les senseurs a été étudié dans le milieu minier souterrain, nous laissons de côté cet aspect du système au profit des aspects de l'arpentage et de la navigation globale. L'activité d'arpentage est divisée en trois modules. Le module collecteur de mesures produit et maintient jour un ensemble de cartes métriques locales des différents éléments topologiques traversés. Nous appelons jonction l'union des deux morceaux de parois qui décrivent l'endroit où une galerie et une intersection, adjacentes dans le graphe topologique, se rattachent physiquenent dans la mine. La carte métrique locale est constituée des parois mesurées, sous forme de listes de points (co-ordonnées et hauteur), et de référentiels cartésiens rattachés aux jonctions débouchant dans l'élément topologique. Le module relocalisateur métrique intervient lorsque le robot rentre de nouveau dans une galerie ou une intersection déjà traversée ; ce module détermine la pose du robot dans la carte métrique existante afin d'y fusionner les nouvelles mesures. La relocalisation exploite les référentiel locaux (RLS) détectés dans les jonctions (par le troisième module), ainsi que les mesures de la forme des parois. Ces deux premiers modules de l'arpentage ne sont pas évalués expérimentalement. Le troisième module est le détecteur de RLS ; il s'occupe de localiser précisément les RLS à l'intérieur des jonctions. Idéalement, nous voulons extraire de la forme des parois de jonction une caractéristique géométrique qui soit invariante face la répartition des points mesurés et à la rugosité des parois. Nous modélisons d'abord les deux parois par des courbes polynomiales: cette étape réduit les effets des deux facteurs mentionnés et de l'occlusion partielle de parois, Ensuite, le RL est déterminé par la minimisation sous contraintes de la distance entre les deux courbes. Une série de tests dans plusieurs ras de traversée d'intersection, en faisant varier pour chaque cas la trajectoire précise suivie, démontrent que le RL est une caractéristique significative et géométriquement stable de la structure de l'environnement aux transitions entre éléments topologiques. L'activité de navigation globale est divisée en deux modules : le navigateur topologique et le détecteur de transition. Le navigateur topologique maintient un pointeur vers la position courante du robot dans le graphe topologique. Chaque transition qui lui est signalée par le détecteur de transition, il met à jour les étiquettes (provenant du graphe) de l'élément topologique actuel et des éléments adjacents. Normalement, il faudrait aussi que ce module s'occupe de la replanification de chemin et la correction d'erreurs dans le graphe lorsque surviennent des événements perceptuels inattendus. Ce sont là des problèmes relativement complexes et pour limiter l'envergure de ce projet nous laissons ce module à l'état conceptuel. Le détecteur de transition alterne entre l'analyse des mesures frontales et celle des mesures latérales afin de notifier puis confirmer aux autres modules les changements d'éléments topologiques. Afin d'assurer la fiabilité de ce processus, ce module exploite la redondance temporelle des mesures sensorielles. L'analyse frontale détecte les branches (c'est-à-dire les occlusions et les régions à la limite de visibilité) dans chaque profil frontal instantané, pour laisser accumuler les profils traités et en former une image binaire. Celle-ci est composée de régions blanches séparées par la trace des profils qui indique (en noir) les branches détectées. L'évolution de la trace des profils à mesure que le robot se déplace est marquée par des événements importants. Le module reconnait l'arrivée d’une intersection devant le robot par l'augmentation du nombre de régions blanches dans l'image. Inversement, lorsque le robot sort de l'intersection, ce nombre redescend à une valeur stable. L'analyse des mesures latérales réutilise la notion de RL de manière dynamique afin de confirmer la présence dans la structure du milieu parcouru des transitions signalées auparavant par l'analyse frontale. Plus précisément, il s'agit de faire la détection de RLS périodiquement sur une section de parois qui suit le véhicule, jusqu'à ce que les RLS atteignent une position stable derrière le véhicule. Nos tests sur la détection des transitions démontrent la validité des événements perceptuels que nous avons définis. Ce travail apporte plusieurs contributions innovatrices aux domaines de l'automatisation minière et de la robotique mobile. D'une part, notre système se distingue par la modélisation topologique explicite de la mine. Le modèle d'environnement et le graphe topologique a priori nous permettent de formuler de manière originale les problèmes de la localisation globale, de la relocalisation métrique et de l'arpentage de la mine. D'autre part, ce projet introduit des idées originales quant à son développement des capacités sensorielles du "robot-arpenteur". Le concept des RLS, qui caractérisent les changements importants dans la structure locale de la mine, est certainement nouveau par rapport à ce qui existe dans la littérature. L'image binaire des profils frontaux est elle aussi une représentation originale de l'environnement local mesuré. Cette représentation riche et compacte du milieu perçu pourrait éventuellement trouver d'autres applications, par exemple dans le contexte du contrôle local de véhicule. CONTENU Exploration d'environnement -- Navigation autonome en mines souterraines -- Techniques d'arpentage de mines -- Modèle géométrique de la mine -- Modalités sensorielles du robot -- Présentation du système -- Activité d'arpentage -- Conception du collecteur de mesures -- Conception du relocalisateur métrique -- Détecteur de référentiels locaux : conception -- Détecteur de référentiels locaux : implantation -- Détection des référentiels locaux : résultats -- Activité de navigation globale -- Le graphe topologique à priori -- Conception du navigateur topologique -- Conception du détecteur de transitions -- Implantation du détecteur de transitons -- Résultats de la détection des transitions

Étude et réalisation d'un système d'aide à la modélisation des tâches

Mémoire numérisé par la Direction des bibliothèques de l'Université de Montréal

VERS UNE THÉORIE PROBABILISTE DES SYSTÈMES SENSORI-MOTEURS

Comment un système vivant ou artificiel peut-il percevoir, agir, raisonner, planifier et décider ? Telle est laquestion qui, depuis lors, guide mes travaux de recherche.Cette question a deux versants. Le premier, scientifique, vise à acquérir une meilleure connaissance des êtressensori-moteurs vivants. Le second, technologique, a pour but de construire des systèmes sensori-moteurs artificiels.Ces deux aspects sont en étroite synergie. Les connaissances sur les êtres sensori-moteurs vivants inspirentles réalisations technologiques. Les expériences sur les systèmes artificiels, facilement réalisables, servent à testerdes modèles et à faire progresser la connaissance. L’unité fondamentale entre ces deux aspects de la questionpasse par l’emploi de modèles mathématiques communs pour interpréter les observations du vivant et pour expérimenteravec les dispositifs artificiels

Contribution à la caractérisation et à l'évaluation de l'interopérabilité pour les entreprises collaboratives

Cette thèse consiste en la définition d’une méthodologie de caractérisation et d’évaluation du niveau d’interopérabilité interentreprises, afin d’améliorer leur fonctionnement propre, ainsi qu’en la définition d’une méthodologie de gestion de l’évolution de ces entreprises, leur apportant ainsi un cadre pour la mise en place de projets successif ayant pour objectif l’amélioration du niveau d’interopérabilité. Ces méthodes s’appliquent à tous les niveaux, tant opérationnels que stratégiques, ainsi que pour tous types de collaboration que ce soit entre services d’une même entreprise ou entre plusieurs entreprises d’une chaîne logistique. Ces méthodes sont basées sur le fait que l’interopérabilité peut être vu comme une performance de l’entreprise. Ceci nous permet de caractériser et d’évaluer l’interopérabilité, notamment, grâce à l’utilisation de la théorie des graphes qui apporte un cadre formel, des outils mathématiques et une représentation graphique qui sont autant d’aides tant pour la conduite de l’étude que pour la communication avec les différents acteurs concernés.This thesis consists of the definition of an interoperability level characterization and evaluation methodology between enterprises, in order to improve their own operation, like in the definition of an evolution management methodology of these enterprises, thus bringing to them a framework for the successive projects installation having for objective the interoperability level improvement. These methods apply to all the levels, as well operational as strategic, as for all types of collaboration as it is between services of the same enterprise or between several enterprises of a logistic chain. These methods are based on the fact that interoperability can be seen like a performance of enterprise. This enables us to characterize and to evaluate interoperability, in particular, thanks to the use of the graph theory which brings a formal framework, mathematical tools and a chart which are as many assistances as well for the study control as for the communication with the various actors concerned

Modélisation de l'apprenant : application d'un modèle cognitif au développement d'un système d'apprentissage

Bien que le diagnostic des erreurs des apprenants soit central à toute stratégie d'intervention correctrice relevant au mode d'évaluation dans un système d'apprentissage, trop souvent, la prise d'information qui l'accompagne est incomplète ou incertaine. Ajoutons aussi le problème de la modélisation dans un contexte d'apprentissage où on ne peut observer directement ce qui se passe dans la tête d'un apprenant, ni de savoir avec certitude son plan de raisonnement, ni le but qu'il cherche à accomplir. Il s'ensuit une réduction de l'efficacité des interventions pédagogiques qui limite les apprentissages scolaires. Cette thèse apporte des solutions à cette problématique. Elle consiste en la conception et le développement d'un Système Tutoriel Intelligent pour le Diagnostic des Erreurs en Soustraction (TIDES). Elle s'inscrit dans une perspective d'évaluation diagnostique des compétences et connaissances arithmétiques en utilisant une approche originale qui vise à modéliser l'apprenant dans une situation d'apprentissage où les informations sur cet apprenant sont potentiellement incomplètes ou incertaines. Dans cette thèse, nous présentons la conception, le développement et une mise à l'essai du système TIDES. Le design de ce système est basé sur un modèle cognitif, la théorie d'apprentissage ACT-R d'Anderson, capable d'analyser le comportement d'un apprenant et de savoir son état cognitif. Le choix de ce design est discuté et justifié aussi. L'architecture du système TIDES comporte au moins trois modules: un module qui permet de spécifier des tâches à l'apprenant, un module d'analyse qui permet d'analyser les actions de l'apprenant et un module de diagnostic qui permet d'inférer les informations sur l'apprenant, d'évaluer ses compétences impliquées dans une tâche d'apprentissage, de détecter sa stratégie mise en œuvre, en s'appuyant sur une méthode de reconnaissance de plan, de prédire sa prochaine action la plus probable et de savoir avec exactitude les causes réelles de ses erreurs. Les caractéristiques du système TIDES sont décrites en détail dans la thèse. La méthodologie d'une mise à l'essai du système avec une vingtaine d'élèves est présentée et les données recueillies dans cette mise à l'essai sont regroupées et analysées. L'ensemble des résultats obtenus indique que le système TIDES offre le potentiel d'analyser et de diagnostiquer les erreurs des apprenants de façon plus précise, et donne effectivement lieu à un apprentissage conforme à celui qui était prévu en se basant sur la méthode originale adoptée. Enfin, nous proposerons des améliorations possibles (extension du système TIDES à l'aide des réseaux bayésiens) que nous présenterons comme explorées mais non encore complètement intégrées dans l'état actuel du système TIDES et aussi non évaluées. Il s'agit en fait de déterminer à quelles conditions le modèle bayésien peut être intégré à un système d'apprentissage, en tant que système tutoriel intelligent et dont le domaine d'apprentissage est l'arithmétique. \ud ______________________________________________________________________________ \ud MOTS-CLÉS DE L’AUTEUR : Intelligence artificielle, environnement interactif pour l'apprentissage humain, système tutoriel intelligent, théories d'apprentissage, Modèle d'Anderson ACT-R, modélisation d'un apprenant, analyse des erreurs, diagnostic des erreurs, modélisation statistique et réseaux bayésiens

Un modèle de qualité logicielle basé sur une architecture favorisant l'agrégation des données selon le processus d'analyse hiérarchique

Philosophie de la qualité -- Philosophie de l'activité de mesure logicielle -- Introduction à la modélisation de la qualité logicielle -- Architecture des modèles de qualité logicielle -- Attributs externes : les facteurs et critères de qualité -- Les attributs internes de qualité : les métriques logicielles -- Agrégation des données -- Le modèle de qualité logicielle développé