UAS See-and-Avoid Strategy using a Fuzzy Logic Controller Optimized by Cross-Entropy in Scaling Factors and Membership Functions

This work aims to develop a novel Cross-Entropy (CE) optimization-based fuzzy controller for Unmanned Aerial Monocular Vision-IMU System (UAMVIS) to solve the seeand- avoid problem using its accurate autonomous localization information. The function of this fuzzy controller is regulating the heading of this system to avoid the obstacle, e.g. wall. In the Matlab Simulink-based training stages, the Scaling Factor (SF) is adjusted according to the specified task firstly, and then the Membership Function (MF) is tuned based on the optimized Scaling Factor to further improve the collison avoidance performance. After obtained the optimal SF and MF, 64% of rules has been reduced (from 125 rules to 45 rules), and a large number of real flight tests with a quadcopter have been done. The experimental results show that this approach precisely navigates the system to avoid the obstacle. To our best knowledge, this is the first work to present the optimized fuzzy controller for UAMVIS using Cross-Entropy method in Scaling Factors and Membership Functions optimization.

Building a decision support system with a knowledge modeling tool

Knowledge modeling tools are software tools that follow a modeling approach to help developers in building a knowledge-based system. The purpose of this article is to show the advantages of using this type of tools in the development of complex knowledge-based decision support systems. In order to do so, the article describes the development of a system called SAIDA in the domain of hydrology with the help of the KSM modeling tool. SAIDA operates on real-time receiving data recorded by sensors (rainfall, water levels, flows, etc.). It follows a multi-agent architecture to interpret the data, predict the future behavior and recommend control actions. The system includes an advanced knowledge based architecture with multiple symbolic representation. KSM was especially useful to design and implement the complex knowledge based architecture in an efficient way.

Discriminating Crop, Weeds and Soil Surface with a Terrestrial LIDAR Sensor

In this study, the evaluation of the accuracy and performance of a light detection and ranging (LIDAR) sensor for vegetation using distance and reflection measurements aiming to detect and discriminate maize plants and weeds from soil surface was done. The study continues a previous work carried out in a maize field in Spain with a LIDAR sensor using exclusively one index, the height profile. The current system uses a combination of the two mentioned indexes. The experiment was carried out in a maize field at growth stage 12–14, at 16 different locations selected to represent the widest possible density of three weeds: Echinochloa crus-galli (L.) P.Beauv., Lamium purpureum L., Galium aparine L.and Veronica persica Poir.. A terrestrial LIDAR sensor was mounted on a tripod pointing to the inter-row area, with its horizontal axis and the field of view pointing vertically downwards to the ground, scanning a vertical plane with the potential presence of vegetation. Immediately after the LIDAR data acquisition (distances and reflection measurements), actual heights of plants were estimated using an appropriate methodology. For that purpose, digital images were taken of each sampled area. Data showed a high correlation between LIDAR measured height and actual plant heights (R 2 = 0.75). Binary logistic regression between weed presence/absence and the sensor readings (LIDAR height and reflection values) was used to validate the accuracy of the sensor. This permitted the discrimination of vegetation from the ground with an accuracy of up to 95%. In addition, a Canonical Discrimination Analysis (CDA) was able to discriminate mostly between soil and vegetation and, to a far lesser extent, between crop and weeds. The studied methodology arises as a good system for weed detection, which in combination with other principles, such as vision-based technologies, could improve the efficiency and accuracy of herbicide spraying.

Language recognition using phonotactic-based shifted delta coefficients and multiple phone recognizers

A new language recognition technique based on the application of the philosophy of the Shifted Delta Coefficients (SDC) to phone log-likelihood ratio features (PLLR) is described. The new methodology allows the incorporation of long-span phonetic information at a frame-by-frame level while dealing with the temporal length of each phone unit. The proposed features are used to train an i-vector based system and tested on the Albayzin LRE 2012 dataset. The results show a relative improvement of 33.3% in Cavg in comparison with different state-of-the-art acoustic i-vector based systems. On the other hand, the integration of parallel phone ASR systems where each one is used to generate multiple PLLR coefficients which are stacked together and then projected into a reduced dimension are also presented. Finally, the paper shows how the incorporation of state information from the phone ASR contributes to provide additional improvements and how the fusion with the other acoustic and phonotactic systems provides an important improvement of 25.8% over the system presented during the competition.

Optimized HOG for on-road video based vehicle verification

Vision-based object detection from a moving platform becomes particularly challenging in the field of advanced driver assistance systems (ADAS). In this context, onboard vision-based vehicle verification strategies become critical, facing challenges derived from the variability of vehicles appearance, illumination, and vehicle speed. In this paper, an optimized HOG configuration for onboard vehicle verification is proposed which not only considers its spatial and orientation resolution, but descriptor processing strategies and classification. An in-depth analysis of the optimal settings for HOG for onboard vehicle verification is presented, in the context of SVM classification with different kernels. In contrast to many existing approaches, the evaluation is realized in a public and heterogeneous database of vehicle and non-vehicle images in different areas of the road, rendering excellent verification rates that outperform other similar approaches in the literature.

Online Learning-based Robust Visual Tracking for Autonomous Landing of Unmanned Aerial Vehicles

Autonomous landing is a challenging and important technology for both military and civilian applications of Unmanned Aerial Vehicles (UAVs). In this paper, we present a novel online adaptive visual tracking algorithm for UAVs to land on an arbitrary field (that can be used as the helipad) autonomously at real-time frame rates of more than twenty frames per second. The integration of low-dimensional subspace representation method, online incremental learning approach and hierarchical tracking strategy allows the autolanding task to overcome the problems generated by the challenging situations such as significant appearance change, variant surrounding illumination, partial helipad occlusion, rapid pose variation, onboard mechanical vibration (no video stabilization), low computational capacity and delayed information communication between UAV and Ground Control Station (GCS). The tracking performance of this presented algorithm is evaluated with aerial images from real autolanding flights using manually- labelled ground truth database. The evaluation results show that this new algorithm is highly robust to track the helipad and accurate enough for closing the vision-based control loop.

UAS See-and-Avoid Strategy using a Fuzzy Logic Controller Optimized by Cross-Entropy in Scaling Factors and Membership Functions.

This work aims to develop a novel Cross-Entropy (CE) optimization-based fuzzy controller for Unmanned Aerial Monocular Vision-IMU System (UAMVIS) to solve the seeand-avoid problem using its accurate autonomous localization information. The function of this fuzzy controller is regulating the heading of this system to avoid the obstacle, e.g. wall. In the Matlab Simulink-based training stages, the Scaling Factor (SF) is adjusted according to the specified task firstly, and then the Membership Function (MF) is tuned based on the optimized Scaling Factor to further improve the collison avoidance performance. After obtained the optimal SF and MF, 64% of rules has been reduced (from 125 rules to 45 rules), and a large number of real flight tests with a quadcopter have been done. The experimental results show that this approach precisely navigates the system to avoid the obstacle. To our best knowledge, this is the first work to present the optimized fuzzy controller for UAMVIS using Cross-Entropy method in Scaling Factors and Membership Functions optimization.

Online Learning-based Robust Visual Tracking for Autonomous Landing of Unmanned Aerial Vehicles

Autonomous landing is a challenging and important technology for both military and civilian applications of Unmanned Aerial Vehicles (UAVs). In this paper, we present a novel online adaptive visual tracking algorithm for UAVs to land on an arbitrary field (that can be used as the helipad) autonomously at real-time frame rates of more than twenty frames per second. The integration of low-dimensional subspace representation method, online incremental learning approach and hierarchical tracking strategy allows the autolanding task to overcome the problems generated by the challenging situations such as significant appearance change, variant surrounding illumination, partial helipad occlusion, rapid pose variation, onboard mechanical vibration (no video stabilization), low computational capacity and delayed information communication between UAV and Ground Control Station (GCS). The tracking performance of this presented algorithm is evaluated with aerial images from real autolanding flights using manually- labelled ground truth database. The evaluation results show that this new algorithm is highly robust to track the helipad and accurate enough for closing the vision-based control loop.

Run-Time Dynamically-Adaptable FPGA-Based Architecture for High-Performance Autonomous Distributed Systems

Esta tesis doctoral se enmarca dentro del campo de los sistemas embebidos reconfigurables, redes de sensores inalámbricas para aplicaciones de altas prestaciones, y computación distribuida. El documento se centra en el estudio de alternativas de procesamiento para sistemas embebidos autónomos distribuidos de altas prestaciones (por sus siglas en inglés, High-Performance Autonomous Distributed Systems (HPADS)), así como su evolución hacia el procesamiento de alta resolución. El estudio se ha llevado a cabo tanto a nivel de plataforma como a nivel de las arquitecturas de procesamiento dentro de la plataforma con el objetivo de optimizar aspectos tan relevantes como la eficiencia energética, la capacidad de cómputo y la tolerancia a fallos del sistema. Los HPADS son sistemas realimentados, normalmente formados por elementos distribuidos conectados o no en red, con cierta capacidad de adaptación, y con inteligencia suficiente para llevar a cabo labores de prognosis y/o autoevaluación. Esta clase de sistemas suele formar parte de sistemas más complejos llamados sistemas ciber-físicos (por sus siglas en inglés, Cyber-Physical Systems (CPSs)). Los CPSs cubren un espectro enorme de aplicaciones, yendo desde aplicaciones médicas, fabricación, o aplicaciones aeroespaciales, entre otras muchas. Para el diseño de este tipo de sistemas, aspectos tales como la confiabilidad, la definición de modelos de computación, o el uso de metodologías y/o herramientas que faciliten el incremento de la escalabilidad y de la gestión de la complejidad, son fundamentales. La primera parte de esta tesis doctoral se centra en el estudio de aquellas plataformas existentes en el estado del arte que por sus características pueden ser aplicables en el campo de los CPSs, así como en la propuesta de un nuevo diseño de plataforma de altas prestaciones que se ajuste mejor a los nuevos y más exigentes requisitos de las nuevas aplicaciones. Esta primera parte incluye descripción, implementación y validación de la plataforma propuesta, así como conclusiones sobre su usabilidad y sus limitaciones. Los principales objetivos para el diseño de la plataforma propuesta se enumeran a continuación: • Estudiar la viabilidad del uso de una FPGA basada en RAM como principal procesador de la plataforma en cuanto a consumo energético y capacidad de cómputo. • Propuesta de técnicas de gestión del consumo de energía en cada etapa del perfil de trabajo de la plataforma. •Propuestas para la inclusión de reconfiguración dinámica y parcial de la FPGA (por sus siglas en inglés, Dynamic Partial Reconfiguration (DPR)) de forma que sea posible cambiar ciertas partes del sistema en tiempo de ejecución y sin necesidad de interrumpir al resto de las partes. Evaluar su aplicabilidad en el caso de HPADS. Las nuevas aplicaciones y nuevos escenarios a los que se enfrentan los CPSs, imponen nuevos requisitos en cuanto al ancho de banda necesario para el procesamiento de los datos, así como en la adquisición y comunicación de los mismos, además de un claro incremento en la complejidad de los algoritmos empleados. Para poder cumplir con estos nuevos requisitos, las plataformas están migrando desde sistemas tradicionales uni-procesador de 8 bits, a sistemas híbridos hardware-software que incluyen varios procesadores, o varios procesadores y lógica programable. Entre estas nuevas arquitecturas, las FPGAs y los sistemas en chip (por sus siglas en inglés, System on Chip (SoC)) que incluyen procesadores embebidos y lógica programable, proporcionan soluciones con muy buenos resultados en cuanto a consumo energético, precio, capacidad de cómputo y flexibilidad. Estos buenos resultados son aún mejores cuando las aplicaciones tienen altos requisitos de cómputo y cuando las condiciones de trabajo son muy susceptibles de cambiar en tiempo real. La plataforma propuesta en esta tesis doctoral se ha denominado HiReCookie. La arquitectura incluye una FPGA basada en RAM como único procesador, así como un diseño compatible con la plataforma para redes de sensores inalámbricas desarrollada en el Centro de Electrónica Industrial de la Universidad Politécnica de Madrid (CEI-UPM) conocida como Cookies. Esta FPGA, modelo Spartan-6 LX150, era, en el momento de inicio de este trabajo, la mejor opción en cuanto a consumo y cantidad de recursos integrados, cuando además, permite el uso de reconfiguración dinámica y parcial. Es importante resaltar que aunque los valores de consumo son los mínimos para esta familia de componentes, la potencia instantánea consumida sigue siendo muy alta para aquellos sistemas que han de trabajar distribuidos, de forma autónoma, y en la mayoría de los casos alimentados por baterías. Por esta razón, es necesario incluir en el diseño estrategias de ahorro energético para incrementar la usabilidad y el tiempo de vida de la plataforma. La primera estrategia implementada consiste en dividir la plataforma en distintas islas de alimentación de forma que sólo aquellos elementos que sean estrictamente necesarios permanecerán alimentados, cuando el resto puede estar completamente apagado. De esta forma es posible combinar distintos modos de operación y así optimizar enormemente el consumo de energía. El hecho de apagar la FPGA para ahora energía durante los periodos de inactividad, supone la pérdida de la configuración, puesto que la memoria de configuración es una memoria volátil. Para reducir el impacto en el consumo y en el tiempo que supone la reconfiguración total de la plataforma una vez encendida, en este trabajo, se incluye una técnica para la compresión del archivo de configuración de la FPGA, de forma que se consiga una reducción del tiempo de configuración y por ende de la energía consumida. Aunque varios de los requisitos de diseño pueden satisfacerse con el diseño de la plataforma HiReCookie, es necesario seguir optimizando diversos parámetros tales como el consumo energético, la tolerancia a fallos y la capacidad de procesamiento. Esto sólo es posible explotando todas las posibilidades ofrecidas por la arquitectura de procesamiento en la FPGA. Por lo tanto, la segunda parte de esta tesis doctoral está centrada en el diseño de una arquitectura reconfigurable denominada ARTICo3 (Arquitectura Reconfigurable para el Tratamiento Inteligente de Cómputo, Confiabilidad y Consumo de energía) para la mejora de estos parámetros por medio de un uso dinámico de recursos. ARTICo3 es una arquitectura de procesamiento para FPGAs basadas en RAM, con comunicación tipo bus, preparada para dar soporte para la gestión dinámica de los recursos internos de la FPGA en tiempo de ejecución gracias a la inclusión de reconfiguración dinámica y parcial. Gracias a esta capacidad de reconfiguración parcial, es posible adaptar los niveles de capacidad de procesamiento, energía consumida o tolerancia a fallos para responder a las demandas de la aplicación, entorno, o métricas internas del dispositivo mediante la adaptación del número de recursos asignados para cada tarea. Durante esta segunda parte de la tesis se detallan el diseño de la arquitectura, su implementación en la plataforma HiReCookie, así como en otra familia de FPGAs, y su validación por medio de diferentes pruebas y demostraciones. Los principales objetivos que se plantean la arquitectura son los siguientes: • Proponer una metodología basada en un enfoque multi-hilo, como las propuestas por CUDA (por sus siglas en inglés, Compute Unified Device Architecture) u Open CL, en la cual distintos kernels, o unidades de ejecución, se ejecuten en un numero variable de aceleradores hardware sin necesidad de cambios en el código de aplicación. • Proponer un diseño y proporcionar una arquitectura en la que las condiciones de trabajo cambien de forma dinámica dependiendo bien de parámetros externos o bien de parámetros que indiquen el estado de la plataforma. Estos cambios en el punto de trabajo de la arquitectura serán posibles gracias a la reconfiguración dinámica y parcial de aceleradores hardware en tiempo real. • Explotar las posibilidades de procesamiento concurrente, incluso en una arquitectura basada en bus, por medio de la optimización de las transacciones en ráfaga de datos hacia los aceleradores. •Aprovechar las ventajas ofrecidas por la aceleración lograda por módulos puramente hardware para conseguir una mejor eficiencia energética. • Ser capaces de cambiar los niveles de redundancia de hardware de forma dinámica según las necesidades del sistema en tiempo real y sin cambios para el código de aplicación. • Proponer una capa de abstracción entre el código de aplicación y el uso dinámico de los recursos de la FPGA. El diseño en FPGAs permite la utilización de módulos hardware específicamente creados para una aplicación concreta. De esta forma es posible obtener rendimientos mucho mayores que en el caso de las arquitecturas de propósito general. Además, algunas FPGAs permiten la reconfiguración dinámica y parcial de ciertas partes de su lógica en tiempo de ejecución, lo cual dota al diseño de una gran flexibilidad. Los fabricantes de FPGAs ofrecen arquitecturas predefinidas con la posibilidad de añadir bloques prediseñados y poder formar sistemas en chip de una forma más o menos directa. Sin embargo, la forma en la que estos módulos hardware están organizados dentro de la arquitectura interna ya sea estática o dinámicamente, o la forma en la que la información se intercambia entre ellos, influye enormemente en la capacidad de cómputo y eficiencia energética del sistema. De la misma forma, la capacidad de cargar módulos hardware bajo demanda, permite añadir bloques redundantes que permitan aumentar el nivel de tolerancia a fallos de los sistemas. Sin embargo, la complejidad ligada al diseño de bloques hardware dedicados no debe ser subestimada. Es necesario tener en cuenta que el diseño de un bloque hardware no es sólo su propio diseño, sino también el diseño de sus interfaces, y en algunos casos de los drivers software para su manejo. Además, al añadir más bloques, el espacio de diseño se hace más complejo, y su programación más difícil. Aunque la mayoría de los fabricantes ofrecen interfaces predefinidas, IPs (por sus siglas en inglés, Intelectual Property) comerciales y plantillas para ayudar al diseño de los sistemas, para ser capaces de explotar las posibilidades reales del sistema, es necesario construir arquitecturas sobre las ya establecidas para facilitar el uso del paralelismo, la redundancia, y proporcionar un entorno que soporte la gestión dinámica de los recursos. Para proporcionar este tipo de soporte, ARTICo3 trabaja con un espacio de soluciones formado por tres ejes fundamentales: computación, consumo energético y confiabilidad. De esta forma, cada punto de trabajo se obtiene como una solución de compromiso entre estos tres parámetros. Mediante el uso de la reconfiguración dinámica y parcial y una mejora en la transmisión de los datos entre la memoria principal y los aceleradores, es posible dedicar un número variable de recursos en el tiempo para cada tarea, lo que hace que los recursos internos de la FPGA sean virtualmente ilimitados. Este variación en el tiempo del número de recursos por tarea se puede usar bien para incrementar el nivel de paralelismo, y por ende de aceleración, o bien para aumentar la redundancia, y por lo tanto el nivel de tolerancia a fallos. Al mismo tiempo, usar un numero óptimo de recursos para una tarea mejora el consumo energético ya que bien es posible disminuir la potencia instantánea consumida, o bien el tiempo de procesamiento. Con el objetivo de mantener los niveles de complejidad dentro de unos límites lógicos, es importante que los cambios realizados en el hardware sean totalmente transparentes para el código de aplicación. A este respecto, se incluyen distintos niveles de transparencia: • Transparencia a la escalabilidad: los recursos usados por una misma tarea pueden ser modificados sin que el código de aplicación sufra ningún cambio. • Transparencia al rendimiento: el sistema aumentara su rendimiento cuando la carga de trabajo aumente, sin cambios en el código de aplicación. • Transparencia a la replicación: es posible usar múltiples instancias de un mismo módulo bien para añadir redundancia o bien para incrementar la capacidad de procesamiento. Todo ello sin que el código de aplicación cambie. • Transparencia a la posición: la posición física de los módulos hardware es arbitraria para su direccionamiento desde el código de aplicación. • Transparencia a los fallos: si existe un fallo en un módulo hardware, gracias a la redundancia, el código de aplicación tomará directamente el resultado correcto. • Transparencia a la concurrencia: el hecho de que una tarea sea realizada por más o menos bloques es transparente para el código que la invoca. Por lo tanto, esta tesis doctoral contribuye en dos líneas diferentes. En primer lugar, con el diseño de la plataforma HiReCookie y en segundo lugar con el diseño de la arquitectura ARTICo3. Las principales contribuciones de esta tesis se resumen a continuación. • Arquitectura de la HiReCookie incluyendo: o Compatibilidad con la plataforma Cookies para incrementar las capacidades de esta. o División de la arquitectura en distintas islas de alimentación. o Implementación de los diversos modos de bajo consumo y políticas de despertado del nodo. o Creación de un archivo de configuración de la FPGA comprimido para reducir el tiempo y el consumo de la configuración inicial. • Diseño de la arquitectura reconfigurable para FPGAs basadas en RAM ARTICo3: o Modelo de computación y modos de ejecución inspirados en el modelo de CUDA pero basados en hardware reconfigurable con un número variable de bloques de hilos por cada unidad de ejecución. o Estructura para optimizar las transacciones de datos en ráfaga proporcionando datos en cascada o en paralelo a los distinto módulos incluyendo un proceso de votado por mayoría y operaciones de reducción. o Capa de abstracción entre el procesador principal que incluye el código de aplicación y los recursos asignados para las diferentes tareas. o Arquitectura de los módulos hardware reconfigurables para mantener la escalabilidad añadiendo una la interfaz para las nuevas funcionalidades con un simple acceso a una memoria RAM interna. o Caracterización online de las tareas para proporcionar información a un módulo de gestión de recursos para mejorar la operación en términos de energía y procesamiento cuando además se opera entre distintos nieles de tolerancia a fallos. El documento está dividido en dos partes principales formando un total de cinco capítulos. En primer lugar, después de motivar la necesidad de nuevas plataformas para cubrir las nuevas aplicaciones, se detalla el diseño de la plataforma HiReCookie, sus partes, las posibilidades para bajar el consumo energético y se muestran casos de uso de la plataforma así como pruebas de validación del diseño. La segunda parte del documento describe la arquitectura reconfigurable, su implementación en varias FPGAs, y pruebas de validación en términos de capacidad de procesamiento y consumo energético, incluyendo cómo estos aspectos se ven afectados por el nivel de tolerancia a fallos elegido. Los capítulos a lo largo del documento son los siguientes: El capítulo 1 analiza los principales objetivos, motivación y aspectos teóricos necesarios para seguir el resto del documento. El capítulo 2 está centrado en el diseño de la plataforma HiReCookie y sus posibilidades para disminuir el consumo de energía. El capítulo 3 describe la arquitectura reconfigurable ARTICo3. El capítulo 4 se centra en las pruebas de validación de la arquitectura usando la plataforma HiReCookie para la mayoría de los tests. Un ejemplo de aplicación es mostrado para analizar el funcionamiento de la arquitectura. El capítulo 5 concluye esta tesis doctoral comentando las conclusiones obtenidas, las contribuciones originales del trabajo y resultados y líneas futuras. ABSTRACT This PhD Thesis is framed within the field of dynamically reconfigurable embedded systems, advanced sensor networks and distributed computing. The document is centred on the study of processing solutions for high-performance autonomous distributed systems (HPADS) as well as their evolution towards High performance Computing (HPC) systems. The approach of the study is focused on both platform and processor levels to optimise critical aspects such as computing performance, energy efficiency and fault tolerance. HPADS are considered feedback systems, normally networked and/or distributed, with real-time adaptive and predictive functionality. These systems, as part of more complex systems known as Cyber-Physical Systems (CPSs), can be applied in a wide range of fields such as military, health care, manufacturing, aerospace, etc. For the design of HPADS, high levels of dependability, the definition of suitable models of computation, and the use of methodologies and tools to support scalability and complexity management, are required. The first part of the document studies the different possibilities at platform design level in the state of the art, together with description, development and validation tests of the platform proposed in this work to cope with the previously mentioned requirements. The main objectives targeted by this platform design are the following: • Study the feasibility of using SRAM-based FPGAs as the main processor of the platform in terms of energy consumption and performance for high demanding applications. • Analyse and propose energy management techniques to reduce energy consumption in every stage of the working profile of the platform. • Provide a solution with dynamic partial and wireless remote HW reconfiguration (DPR) to be able to change certain parts of the FPGA design at run time and on demand without interrupting the rest of the system. • Demonstrate the applicability of the platform in different test-bench applications. In order to select the best approach for the platform design in terms of processing alternatives, a study of the evolution of the state-of-the-art platforms is required to analyse how different architectures cope with new more demanding applications and scenarios: security, mixed-critical systems for aerospace, multimedia applications, or military environments, among others. In all these scenarios, important changes in the required processing bandwidth or the complexity of the algorithms used are provoking the migration of the platforms from single microprocessor architectures to multiprocessing and heterogeneous solutions with more instant power consumption but higher energy efficiency. Within these solutions, FPGAs and Systems on Chip including FPGA fabric and dedicated hard processors, offer a good trade of among flexibility, processing performance, energy consumption and price, when they are used in demanding applications where working conditions are very likely to vary over time and high complex algorithms are required. The platform architecture proposed in this PhD Thesis is called HiReCookie. It includes an SRAM-based FPGA as the main and only processing unit. The FPGA selected, the Xilinx Spartan-6 LX150, was at the beginning of this work the best choice in terms of amount of resources and power. Although, the power levels are the lowest of these kind of devices, they can be still very high for distributed systems that normally work powered by batteries. For that reason, it is necessary to include different energy saving possibilities to increase the usability of the platform. In order to reduce energy consumption, the platform architecture is divided into different power islands so that only those parts of the systems that are strictly needed are powered on, while the rest of the islands can be completely switched off. This allows a combination of different low power modes to decrease energy. In addition, one of the most important handicaps of SRAM-based FPGAs is that they are not alive at power up. Therefore, recovering the system from a switch-off state requires to reload the FPGA configuration from a non-volatile memory device. For that reason, this PhD Thesis also proposes a methodology to compress the FPGA configuration file in order to reduce time and energy during the initial configuration process. Although some of the requirements for the design of HPADS are already covered by the design of the HiReCookie platform, it is necessary to continue improving energy efficiency, computing performance and fault tolerance. This is only possible by exploiting all the opportunities provided by the processing architectures configured inside the FPGA. Therefore, the second part of the thesis details the design of the so called ARTICo3 FPGA architecture to enhance the already intrinsic capabilities of the FPGA. ARTICo3 is a DPR-capable bus-based virtual architecture for multiple HW acceleration in SRAM-based FPGAs. The architecture provides support for dynamic resource management in real time. In this way, by using DPR, it will be possible to change the levels of computing performance, energy consumption and fault tolerance on demand by increasing or decreasing the amount of resources used by the different tasks. Apart from the detailed design of the architecture and its implementation in different FPGA devices, different validation tests and comparisons are also shown. The main objectives targeted by this FPGA architecture are listed as follows: • Provide a method based on a multithread approach such as those offered by CUDA (Compute Unified Device Architecture) or OpenCL kernel executions, where kernels are executed in a variable number of HW accelerators without requiring application code changes. • Provide an architecture to dynamically adapt working points according to either self-measured or external parameters in terms of energy consumption, fault tolerance and computing performance. Taking advantage of DPR capabilities, the architecture must provide support for a dynamic use of resources in real time. • Exploit concurrent processing capabilities in a standard bus-based system by optimizing data transactions to and from HW accelerators. • Measure the advantage of HW acceleration as a technique to boost performance to improve processing times and save energy by reducing active times for distributed embedded systems. • Dynamically change the levels of HW redundancy to adapt fault tolerance in real time. • Provide HW abstraction from SW application design. FPGAs give the possibility of designing specific HW blocks for every required task to optimise performance while some of them include the possibility of including DPR. Apart from the possibilities provided by manufacturers, the way these HW modules are organised, addressed and multiplexed in area and time can improve computing performance and energy consumption. At the same time, fault tolerance and security techniques can also be dynamically included using DPR. However, the inherent complexity of designing new HW modules for every application is not negligible. It does not only consist of the HW description, but also the design of drivers and interfaces with the rest of the system, while the design space is widened and more complex to define and program. Even though the tools provided by the majority of manufacturers already include predefined bus interfaces, commercial IPs, and templates to ease application prototyping, it is necessary to improve these capabilities. By adding new architectures on top of them, it is possible to take advantage of parallelization and HW redundancy while providing a framework to ease the use of dynamic resource management. ARTICo3 works within a solution space where working points change at run time in a 3D space defined by three different axes: Computation, Consumption, and Fault Tolerance. Therefore, every working point is found as a trade-off solution among these three axes. By means of DPR, different accelerators can be multiplexed so that the amount of available resources for any application is virtually unlimited. Taking advantage of DPR capabilities and a novel way of transmitting data to the reconfigurable HW accelerators, it is possible to dedicate a dynamically-changing number of resources for a given task in order to either boost computing speed or adding HW redundancy and a voting process to increase fault-tolerance levels. At the same time, using an optimised amount of resources for a given task reduces energy consumption by reducing instant power or computing time. In order to keep level complexity under certain limits, it is important that HW changes are transparent for the application code. Therefore, different levels of transparency are targeted by the system: • Scalability transparency: a task must be able to expand its resources without changing the system structure or application algorithms. • Performance transparency: the system must reconfigure itself as load changes. • Replication transparency: multiple instances of the same task are loaded to increase reliability and performance. • Location transparency: resources are accessed with no knowledge of their location by the application code. • Failure transparency: task must be completed despite a failure in some components. • Concurrency transparency: different tasks will work in a concurrent way transparent to the application code. Therefore, as it can be seen, the Thesis is contributing in two different ways. First with the design of the HiReCookie platform and, second with the design of the ARTICo3 architecture. The main contributions of this PhD Thesis are then listed below: • Architecture of the HiReCookie platform including: o Compatibility of the processing layer for high performance applications with the Cookies Wireless Sensor Network platform for fast prototyping and implementation. o A division of the architecture in power islands. o All the different low-power modes. o The creation of the partial-initial bitstream together with the wake-up policies of the node. • The design of the reconfigurable architecture for SRAM FPGAs: ARTICo3: o A model of computation and execution modes inspired in CUDA but based on reconfigurable HW with a dynamic number of thread blocks per kernel. o A structure to optimise burst data transactions providing coalesced or parallel data to HW accelerators, parallel voting process and reduction operation. o The abstraction provided to the host processor with respect to the operation of the kernels in terms of the number of replicas, modes of operation, location in the reconfigurable area and addressing. o The architecture of the modules representing the thread blocks to make the system scalable by adding functional units only adding an access to a BRAM port. o The online characterization of the kernels to provide information to a scheduler or resource manager in terms of energy consumption and processing time when changing among different fault-tolerance levels, as well as if a kernel is expected to work in the memory-bounded or computing-bounded areas. The document of the Thesis is divided into two main parts with a total of five chapters. First, after motivating the need for new platforms to cover new more demanding applications, the design of the HiReCookie platform, its parts and several partial tests are detailed. The design of the platform alone does not cover all the needs of these applications. Therefore, the second part describes the architecture inside the FPGA, called ARTICo3, proposed in this PhD Thesis. The architecture and its implementation are tested in terms of energy consumption and computing performance showing different possibilities to improve fault tolerance and how this impact in energy and time of processing. Chapter 1 shows the main goals of this PhD Thesis and the technology background required to follow the rest of the document. Chapter 2 shows all the details about the design of the FPGA-based platform HiReCookie. Chapter 3 describes the ARTICo3 architecture. Chapter 4 is focused on the validation tests of the ARTICo3 architecture. An application for proof of concept is explained where typical kernels related to image processing and encryption algorithms are used. Further experimental analyses are performed using these kernels. Chapter 5 concludes the document analysing conclusions, comments about the contributions of the work, and some possible future lines for the work.

Deciduous tree reconstruction algorithm based on cylinder fitting from mobile terrestrial laser scanned point clouds

Vector reconstruction of objects from an unstructured point cloud obtained with a LiDAR-based system (light detection and ranging) is one of the most promising methods to build three dimensional models of orchards. The cylinder fitting method for woody structure reconstruction of leafless trees from point clouds obtained with a mobile terrestrial laser scanner (MTLS) has been analysed. The advantage of this method is that it performs reconstruction in a single step. The most time consuming part of the algorithm is generation of the cylinder direction, which must be recalculated at the inclusion of each point in the cylinder. The tree skeleton is obtained at the same time as the cluster of cylinders is formed. The method does not guarantee a unique convergence and the reconstruction parameter values must be carefully chosen. A balanced processing of clusters has also been defined which has proven to be very efficient in terms of processing time by following the hierarchy of branches, predecessors and successors. The algorithm was applied to simulated MTLS of virtual orchard models and to MTLS data of real orchards. The constraints applied in the method have been reviewed to ensure better convergence and simpler use of parameters. The results obtained show a correct reconstruction of the woody structure of the trees and the algorithm runs in linear logarithmic time

Teoría y práctica de la restauración de la Mezquita-Catedral de Córdoba durante el siglo XX

La Mezquita-Catedral de Córdoba es un edificio vivo. Un edificio que ha sido transformado sucesivamente por hombres de razas, culturas y religiones distintas durante sus más de 1.200 años de vida y que, a pesar de ello, no ha dejado de estar en uso ni uno solo de esos días de esa larga vida. De esta forma, el edificio se muestra ante el visitante como un complejo objeto arquitectónico, resultado de una continua transformación. La capacidad de la transformación de los edificios es algo inherente a su propia condición arquitectónica, no es un hecho exclusivo de la Mezquita-Catedral. Sin embargo, en este edificio esa transformación se produce con una gran intensidad y sin pérdida de su autenticidad. Tradicionalmente, los edificios se han adaptado a los nuevos requerimientos de cada época en un proceso que ha buscado en el propio edificio las leyes o principios que habían de regir la intervención. De esta forma, tanto las sucesivas ampliaciones de la Mezquita de Abd al-Rahman I como las siguientes intervenciones cristianas debieron asumir lo preexistente como material de trabajo. Así, los arquitectos del califa al-Hakam II dialogaron con sus antecesores complejizando el espacio que recibieron, así como los Hernán Ruiz consiguieron un nuevo organismo resultante de la introducción de su arquitectura luminosa en la trama hispanomusulmana. El siglo XIX confirmó el deseo por descubrir las huellas de un pasado esplendoroso que la intervención barroca había silenciado bajo un tratamiento homogéneo del espacio. La recuperación de esas huellas supuso, hace exactamente dos siglos, el inicio de la última gran etapa en la transformación del edificio, la de la restauración. La fábrica es considerada como objeto a conservar y los esfuerzos desde ese momento se centraron en la recuperación de la arquitectura omeya latente. De este modo, la práctica de la restauración como disciplina se encontró absolutamente influenciada por la Arqueología como única fuente de conocimiento. Las intervenciones buscaban lo original como modo de recuperar espacial y formalmente aquel pasado, concentrándose en los lugares del edificio considerados como esenciales. La declaración del edificio como monumento nacional en 1882 propició que el Estado se hiciera cargo de su mantenimiento y conservación, sustituyendo en esa tarea a los Obispos y Cabildos del siglo XIX, que tuvieron un entendimiento muy avanzado para su época. La llegada del arquitecto Velázquez Bosco en las últimas décadas del siglo XIX supuso un cambio trascendental en la historia del edificio, puesto que recibió un edificio con importantes deterioros y consiguió poner las bases del edificio que hoy contemplamos. El empeño por la recuperación material y espacial devolvió a la Mezquita-Catedral buena parte de su imagen original, reproduciendo con exactitud los modelos hallados en las exploraciones arqueológicas. La llegada de Antonio Flórez tras la muerte de Velázquez Bosco supuso la traslación al edificio del debate disciplinar que se desarrolló en las dos primeras décadas del siglo XX. Flórez procuró un nuevo entendimiento de la intervención, considerando la conservación como actuación prioritaria. En 1926 el Estado reformó la manera en que se atendía al patrimonio con la creación de un sistema de zonas y unos arquitectos a cargo de ellas. La existencia de un nuevo marco legislativo apuntaló esa nueva visión conservativa, avalada por la Carta de Atenas de 1931. Este modelo restauración científica huía de la intervención en estilo y valoraba la necesidad de intervenir de la manera más escueta posible y con un lenguaje diferenciado, basándose en los datos que ofrecía la Arqueología. Por tanto, se continuaba con la valoración del edificio como documento histórico, buscando en este caso una imagen diferenciada de la intervención frente a la actitud mimética de Velázquez. Resulta destacable la manera en la que el historiador Manuel Gómez-Moreno influyó en varias generaciones de arquitectos, arqueólogos e historiadores, tanto en el entendimiento científico de la restauración como en la propia estructura administrativa. La labor desarrollada en el edificio por José Mª Rodríguez Cano primero y Félix Hernández a continuación estuvo influida de manera teórica por el método de Gómez-Moreno, aunque en muchos aspectos su labor no representó una gran diferencia con lo hecho por Velázquez Bosco. La búsqueda de lo original volvió a ser recurrente, pero la carga económica del mantenimiento de un edificio tan extenso conllevó la no realización de muchos de los proyectos más ambiciosos. Esta obsesiva búsqueda de la imagen original del edificio tuvo su última y anacrónica etapa con la intervención de la Dirección General de Arquitectura en los 70. Sin embargo, el agotamiento del modelo científico ya había propiciado un nuevo escenario a nivel europeo, que cristalizó en la Carta de Venecia de 1964 y en una nueva definición del objeto a preservar, más allá del valor como documento histórico. Esta nueva posición teórica tuvo su traslación al modelo restaurador español en el último cuarto de siglo XX, coincidiendo con la Transición. El arquitecto Dionisio Hernández Gil defendió una interpretación distinta a la de los arqueólogos y de los historiadores, que había prevalecido durante todo el siglo. En opinión de Hernández Gil, los problemas de intervención debían enfocarse fundamentalmente como problemas de Arquitectura, abandonando la idea de que solamente podían ser resueltos por especialistas. Esta convicción teórica fue defendida desde la nueva Administración y deparó la utilización de unos criterios de intervención particularizados, provenientes del análisis multifocal de cada situación y no sólo desde el valor de los edificios como documentos históricos. Y este cambio tuvo su traslación a la Mezquita-Catedral con la práctica de Gabriel Ruiz Cabrero y Gabriel Rebollo. En consecuencia con esa nueva perspectiva, aceptaron el edificio que recibieron, sustituyendo la búsqueda de aquella página original por la aceptación de cada una de las páginas de su historia y el respeto a las técnicas constructivas del pasado. La búsqueda de soluciones específicas desde el propio objeto arquitectónico significó la renovada atención a la potente estructura formal-constructiva como origen de toda reflexión. Considerar la Mezquita-Catedral en primer lugar como Arquitectura implicaba la atención a todo tipo de factores además de los históricos, como medio para preservar su autenticidad. Esta tesis pretende demostrar que la práctica de la restauración realizada en la Mezquita-Catedral a lo largo del siglo XX ha evolucionado desde la búsqueda de lo original hasta la búsqueda de lo auténtico, como reflejo de una visión basada en lo arqueológico frente a una renovada visión arquitectónica más completa, que incluye a la anterior. La consideración de la intervención en este edificio como otra página más de su historia y no como la última, significa la reedición de un mecanismo recurrente en la vida del edificio y un nuevo impulso en ese proceso de continua transformación. ABSTRACT The Mosque-Cathedral of Cordoba is a living building. A building transformed by men of different races, cultures and religions during more than 1.200 years old and that, nevertheless, it has continued to be in use all days in that long life. Thus, the building shows to the visitor as a complex architectural object, the result of continuous transformation. This transformation capacity of the buildings is inherent in their own architectural condition, it’s not an exclusive fact of the Mosque-Cathedral. However, in this building that transformation happens with a great intensity, without losing their authenticity. Traditionally, buildings have been adapted to the new requirements of times in a process that looked for laws or principles in order to guide the intervention. Thus, both the successive enlargements of the Mosque of Abd al-Rahman and Christian interventions must assume the preexistence as a working material. So, the architects of the caliph al-Hakam II spoke to their predecessors, complexing the receiving space, as well as Hernan Ruiz got a new organism as result the introduction of his luminous architecture into hispanic-muslim weft. The nineteenth century confirmed the desire to discover the traces of a glorious past that Baroque intervention had silenced, under a uniform space treatment. Exactly two centuries ago, the recovery of these traces meant the start of the last major phase in the transformation of the building: the restoration. The building was considered subject to conserve and since then, efforts focused on the recovery of latent Umayyad architecture. Thus, the practice of restoration as a discipline was absolutely influenced by Archaeology as the only source of knowledge. Interventions were seeking the original as the way to recover that past in a space and formal way, concentrating on essential sites of the building. The statement as a national monument in 1882 prompted the State take charge of its maintenance and preservation, replacing to the nineteenth century Bishops and Cabildos, which had a very advanced understanding for that time. The arrival of the architect Velazquez Bosco in the last decades of the nineteenth century involved a momentous change in the history of the building, since he received a building with significant damage and he achieved the foundations of the building that we can see today. Efforts to a material and space recover returned the Mosque-Cathedral to its original image, accurately reproducing the models found in archaeological explorations. The arrival of Antonio Florez after Velazquez’s death involved the translation of discipline debate, which was developed in the first two decades of the twentieth century. Florez tried a new understanding of the intervention, considering conservation as a priority action. In 1926, the State reformed the way in which heritage was attended, creating a zones system with a few architects in charge of them. The existence of a new legislative framework, underpinned this new conservative vision, supported by the Athens Charter of 1931. This scientific restoration model fleeing from intervention in style and it appreciated the need to intervene in the most concise way, with a distinct language based on the data offered by Archaeology. Therefore, it continued with the appraisement of the building as a historical document, seeking in this case a differentiated image of intervention, against Velazquez mimetic attitude. It is remarkable the way in which the historian Manuel Gomez-Moreno influenced several generations of architects, archaeologists and historians, both in the scientific understanding of the restoration and the administrative structure. The work of Jose Maria Rodriguez Cano first and then Felix Hernandez was theoretically influenced by the Gomez-Moreno’s method, although in many respects their work did not represent a great difference to Velazquez Bosco. The search of the original returned to recur, but the economic charge of maintaining such a large building led to the non-realization of many of the most ambitious projects. This obsessive search for the original image of the building had its last and anachronistic stage with the intervention of the Department of Architecture at 70’s. However, the exhaustion of the scientific model had already led to a new scenario at European level, which crystallized in the Venice Charter of 1964 and a new definition of the object to be preserved beyond the value as a historical document. This new theoretical position had its translation to Spanish restaurateur model in the last quarter of the twentieth century, coinciding with the Transition. The architect Dionisio Hernandez Gil defended a different interpretation from archaeologists and historians, that had prevailed throughout the century. According to Hernandez Gil, the problems of intervention should focus primarily as architectural issues, abandoning the idea that they could only be determined by specialist. This theoretical conviction was defended from the new administration and led to the use of particularized criteria, from a multifocal analysis of each situation. And this change had its translation to the Mosque with the practice of Gabriel Ruiz Cabrero and Gabriel Rebollo. Consistent with this new perspective, they accepted the receiving building, replacing the search on original page for acceptance of all historical pages and respecting the constructive techniques of the past. The search for specific solutions from the architectural object meant the renewed attention to the powerful formal-constructive structure as the origin of all thought. Consider the Mosque-Cathedral as Architecture, involved the attention to all kinds of factors in addition to the historical, as a means to preserve its authenticity. This thesis aims to demonstrate that the practice of restoration in the Mosque-Cathedral throughout the twentieth century has evolved from the search of the original to the search for the authentic, reflecting a vision based on the archaeological against a renewed more complete architectural vision, including the above. Consideration of intervention in this building as another page in its history and not the last one, means the reissue of an own mechanism and a new impetus in that continuous transformation process.

Human Motion Analysis Based on Sequential Modeling of Radar Signal and Stereo Image Features

Falls are one of the greatest threats to elderly health in their daily living routines and activities. Therefore, it is very important to detect falls of an elderly in a timely and accurate manner, so that immediate response and proper care can be provided, by sending fall alarms to caregivers. Radar is an effective non-intrusive sensing modality which is well suited for this purpose, which can detect human motions in all types of environments, penetrate walls and fabrics, preserve privacy, and is insensitive to lighting conditions. Micro-Doppler features are utilized in radar signal corresponding to human body motions and gait to detect falls using a narrowband pulse-Doppler radar. Human motions cause time-varying Doppler signatures, which are analyzed using time-frequency representations and matching pursuit decomposition (MPD) for feature extraction and fall detection. The extracted features include MPD features and the principal components of the time-frequency signal representations. To analyze the sequential characteristics of typical falls, the extracted features are used for training and testing hidden Markov models (HMM) in different falling scenarios. Experimental results demonstrate that the proposed algorithm and method achieve fast and accurate fall detections. The risk of falls increases sharply when the elderly or patients try to exit beds. Thus, if a bed exit can be detected at an early stage of this motion, the related injuries can be prevented with a high probability. To detect bed exit for fall prevention, the trajectory of head movements is used for recognize such human motion. A head detector is trained using the histogram of oriented gradient (HOG) features of the head and shoulder areas from recorded bed exit images. A data association algorithm is applied on the head detection results to eliminate head detection false alarms. Then the three dimensional (3D) head trajectories are constructed by matching scale-invariant feature transform (SIFT) keypoints in the detected head areas from both the left and right stereo images. The extracted 3D head trajectories are used for training and testing an HMM based classifier for recognizing bed exit activities. The results of the classifier are presented and discussed in the thesis, which demonstrates the effectiveness of the proposed stereo vision based bed exit detection approach.

Simulating spin systems on IANUS, an FPGA-based computer

We describe the hardwired implementation of algorithms for Monte Carlo simulations of a large class of spin models. We have implemented these algorithms as VHDL codes and we have mapped them onto a dedicated processor based on a large FPGA device. The measured performance on one such processor is comparable to O(100) carefully programmed high-end PCs: it turns out to be even better for some selected spin models. We describe here codes that we are currently executing on the IANUS massively parallel FPGA-based system.

Plan to restructure the state of Illinois service delivery system for older adults /

Such restructuring shall encompass the provision of housing, health, financial and supportive older adult services. It is envisioned that this restructuring will promote the development, availability, and accessibility of a comprehensive, affordable, and sustainable service delivery system that places a high priority on home-based and community-based services. Such restructuring will encompass all aspects of the delivery system regardless of the setting in which the service is provided." (PA 093-1081 Section 5).

Pupil Transportation Claim Reimbursement System : user's guide for RCDT ADMIN (District Superintendent, charter school administrator, vocational director, and special education director).

All public school districts, vocational centers, charter schools and special education cooperatives must submit the Annual Claim for Pupil Transportation Reimbursement (ISBE 50-23) electronically online through a web-based system named, "Pupil Transportation Claim Reimbursement System" or "PTCRS."