Beágyazott információs rendszerek

Hasonló dokumentumok
ÉRZÉKELŐK ÉS BEAVATKOZÓK I. 0. TANTÁRGY ISMERTETŐ

Aktív zajcsökkentő rendszerek megvalósítása szenzorhálózattal

KÖFOP VEKOP A jó kormányzást megalapozó közszolgálat-fejlesztés

Valós idejű kiberfizikai rendszerek 5G infrastruktúrában

MEMS eszközök redukált rendű modellezése a Smart Systems Integration mesterképzésben Dr. Ender Ferenc

A jövő beágyazott rendszerei

A Jövő Internet Nemzeti Kutatási Program bemutatása

ÉRZÉKELŐK ÉS BEAVATKOZÓK I. 3. MÉRÉSFELDOLGOZÁS

Az irányítástechnika alapfogalmai

Valószínűségi modellellenőrzés Markov döntési folyamatokkal

Nagy bonyolultságú rendszerek fejlesztőeszközei

Az irányítástechnika alapfogalmai Irányítástechnika MI BSc 1

Stratégiai Terv Összefoglaló. ARTEMIS-Magyarország Nemzeti Technológiai Platform

A Jövő Internet kihívásai A jövő információs és kommunikációs technológiai MTA TRB és IB közös tudományos ülés november 17.

Haszongépj. Németh. Huba. és s Fejlesztési Budapest. Kutatási. Knorr-Bremse November 17. Knorr-Bremse

Autóipari beágyazott rendszerek. Komponens és rendszer integráció

Új módszerek és eszközök infokommunikációs hálózatok forgalmának vizsgálatához

Biztonságkritikus rendszerek Gyakorlat: Architektúrák

Irányításelmélet és technika II.

Mérési struktúrák

Szenzorcsatolt robot: A szenzorcsatolás lépései:

Click to edit Master title style

Rendszermodellezés. Modellellenőrzés. Budapesti Műszaki és Gazdaságtudományi Egyetem Méréstechnika és Információs Rendszerek Tanszék

Elektronikus Akadémia 2017.

Történet John Little (1970) (Management Science cikk)

Hibatűrés. Majzik István Budapesti Műszaki és Gazdaságtudományi Egyetem Méréstechnika és Információs Rendszerek Tanszék

3D-s számítógépes geometria és alakzatrekonstrukció

3D számítógépes geometria és alakzatrekonstrukció

ÁRAMKÖRÖK SZIMULÁCIÓJA

Betekintés a gépek állapot felügyeletére kifejlesztett DAQ rendszerbe

Szűrő architektúrák FPGA realizációjának vizsgálata

Beágyazott információs rendszerek

ÓBUDAI EGYETEM KANDÓ KÁLMÁN VILLAMOSMÉRNÖKI KAR. Villamosmérnök szak

ÉRZÉKELŐK ÉS BEAVATKOZÓK II. 5. DC MOTOROK SZABÁLYOZÁS FORDULATSZÁM- SZABÁLYOZÁS

Szoftverarchitektúrák 3. előadás (második fele) Fornai Viktor

IKT megoldások az ipar szolgálatában

4. Lokalizáció Magyar Attila

Mozgásmodellezés. Lukovszki Csaba. Navigációs és helyalapú szolgáltatások és alkalmazások (VITMMA07)

Gyártórendszerek irányítási struktúrái

Tisztán kivehetı tendencia: kommunikációs hálózatok egyre bonyolultabbakká válnak Hálózat bonyolultsága

Információs társadalom

Hálózati réteg. WSN topológia. Útvonalválasztás.

Digitális jelfeldolgozás

A cloud szolgáltatási modell a közigazgatásban

Alapszintű formalizmusok

Logikai hálózatok. Dr. Bede Zsuzsanna St. I. em. 104.


Űrtechnológia október 24. Műholdfedélzeti energiaellátás / 2 Műholdfedélzeti szolgálati rendszerek Felügyeleti, telemetria és telekommand rendsz

Számítógépvezérelt irányítás és szabályozás elmélete (Bevezetés a rendszer- és irányításelméletbe, Computer Controlled Systems) 7.

Analóg-digitális átalakítás. Rencz Márta/ Ress S. Elektronikus Eszközök Tanszék

Járműinformatika A járműinformatikai fejlesztés

Mérés és adatgyűjtés

KÍSÉRLET, MÉRÉS, MŰSZERES MÉRÉS

Digitális jelfeldolgozás

Technikai áttekintés SimDay H. Tóth Zsolt FEA üzletág igazgató

Mérés, Vezérlés. mérésadat rögzítés CMC - 99 CMC kis és nagytestvér

2. gyakorlat Mintavételezés, kvantálás

ÓBUDAI EGYETEM KANDÓ KÁLMÁN VILLAMOSMÉRNÖKI KAR. Villamosmérnök szak

V2I - Infrastruktúra

A jövő beágyazott rendszerei

SYS700-PLM Power Line Monitor modul DDC rendszerelemek, DIALOG-III család

1. ábra. Repülő eszköz matematikai modellje ( fekete doboz )

Neurális hálózatok bemutató

Felhők teljesítményelemzése felhő alapokon

FIR és IIR szűrők tervezése digitális jelfeldolgozás területén

Digitális jelfeldolgozás

Verifikáció és validáció Általános bevezető

Analóg elektronika - laboratóriumi gyakorlatok

2. Elméleti összefoglaló

Kiberfizikai rendszerek

Az Internet jövője Nemzetközi és hazai kitekintés

Jelfeldolgozás. Gyakorlat: A tantermi gyakorlatokon való részvétel kötelező! Kollokvium: csak gyakorlati jeggyel!

T E R M É K T Á J É K O Z TAT Ó

1. Informatikai trendek, ágensek, többágenses rendszerek. Intelligens Elosztott Rendszerek BME-MIT, 2018

Mikrorendszerek tervezése

PTE PMMIK, SzKK Smart City Technologies, BimSolutions.hu 1

Híradástechikai jelfeldolgozás

Mérnök informatikus mesterszak mintatanterve (GE-MI) nappali tagozat/ MSc in, full time Érvényes: 2011/2012. tanév 1. félévétől, felmenő rendszerben

Jelek és rendszerek 1. 10/9/2011 Dr. Buchman Attila Informatikai Rendszerek és Hálózatok Tanszék

Ipari mintavételes PID szabályozóstruktúra megvalósítása

A Műegyetem az Ipar 4.0 és digitalizáció élén

Idő-frekvencia transzformációk waveletek

Érzékelők az autonóm járművekben

Bokor Péter. DECOS Nemzeti Nap október 15. Budapesti Műszaki és Gazdaságtudományi Egyetem Méréstechnika és Információs Rendszerek Tanszék

Harmadik-generációs bázisállomások szinkronizációja

1.1 Számítógéppel irányított rendszerek

MANUFUTURE STRATÉGIAI KUTATÁSI TÉMATERÜLETEK KAPCSOLATI RENDSZERE, TERVEZHETŐ IDŐHORIZONTOK

Fourier térbeli analízis, inverz probléma. Orvosi képdiagnosztika 5-7. ea ősz

Rónai Gergely. fejlesztési főmérnök BKK Közút Zrt.

2. Hozzárendelt azonosítók alapján

Elektronikus kereskedelem. Automatikus azonosító rendszerek

MÉRÉSTECHNIKA. BME Energetikai Gépek és Rendszerek Tanszék Fazekas Miklós (1) márc. 1

A MAVIR egyesített tréningszimulátorának alkalmazása a diszpécserek képzésében

Szoftverminőségbiztosítás

Gingl Zoltán, Szeged, :14 Elektronika - Alapok

Szoftver rádió (SDR) rádióamatőröknek. Dr. Selmeczi János HA5FT

(appended picture) hát azért, mert a rendszerek sosem

Autóipari beágyazott rendszerek. Integrált és szétcsatolt rendszerek

Szolgáltatás Orientált Architektúra a MAVIR-nál

IPv6 A jövő Internet alaptechnológiája

Átírás:

Beágyazott információs rendszerek Péceli Gábor Budapesti Műszaki és Gazdaságtudományi Egyetem Méréstechnika és Információs Rendszerek Tanszék MTA-BME Beágyazott Rendszerek Informatikája Kutatócsoport (2003-2006) 2008. március 5. 1

Tartalom: 1. Bevezetés 2. A véges szóhosszúság figyelembevételének lehetőségei 3. Tranziens menedzsment újrakonfigurálható rendszerekben 4. Kooperatív jelfeldolgozás 5. Beágyazott szoftver 6. Köszönet 2

1. Bevezetés 3

Beágyazott információs rendszerek (BIR): a befogadó fizikai/kémiai/biológiai környezetükkel intenzív, valós idejű információs kapcsolatban álló, emberi beavatkozás nélkül működő, nagyon biztonságos, sokszor láthatatlan számítógépes rendszerek, melyek egy-egy eleme (általában) erősen korlátozott képességű, rendszert alkotva azonban (általában) bőséges erőforrásokkal (memória, sávszélesség,...) rendelkeznek. 4

Kiemelt feladatuk: a befogadó környezet naprakész ismerete folyamatos adatgyűjtés, valós idejű modellépítés a befogadó környezet befolyásolása a környezet valós idejű kiértékelése, döntés, beavatkozás + a beágyazott rendszer naprakész ismerete folyamatos adatgyűjtés az erőforrásokról a beágyazott rendszer befolyásolása az erőforrások valós idejű értékelése, döntés, beavatkozás 5

Ambiens rendszerek: Embedded Systems Pervasive Computing Ubiquitous Computing Mindenütt jelenlevő számítástechnika/informatika Ambient Intelligence Emberközpontú információtechnológia Ambiens rendszerek: az életkörülmények javítását célzó, emberközpontú számítástechnikai/informatikai rendszerek 6

Ami közös ezekben a rendszerekben: a valós-idejű információfeldolgozás A folyamatosan érkező adatokból rekurzívan számolunk: régi érték alapján mért érték alapján új érték = jóslás + javítás (predikció) + (korrekció) jóslás: modell-alapú becslés/javaslat az állapotátmenetre javítás: (modell-alapú becslés) (mért/megfigyelt érték) kritikus a számításigény: egyszerűsítések, lineáris vagy linearizált eljárások mérnöki megfontolások alapján 7

Kapcsolódó tanulmányok: 1960 -: Kvantálás; Kalman szűrés, Luenberger megfigyelő (Közös tanulmányok ) 1970 -: Véges szóhosszúság problémák kezelése (Sztipánovits J, Horváth G, Kollár I) 1980 -: Kedvező tulajdonságú rekurzív struktúrák (Nagy F, Fehér B) 1990 -: Adaptív rendszerek, tranziens menedzsment (Nagy F, Simon Gy, Sujbert L, Kovácsházy T) 2000 -: Szenzorhálózatok, elosztott jelfeldolgozás (Fehér B, Simon Gy, Sujbert L, Molnár K, Orosz Gy) 8

Saját hozzájárulás: témák, motivációk, projektek... Véges szóhosszúság problémák 1974-1980: egyetemi doktori értekezés Modell-alapú jelfeldolgozás... 1981-1995: ipari és OTKA projektek, értekezések Tranziens menedzsment újrakonfigurálható rendszerekben... 1996-2002: DARPA, FKFP projekt Kooperatív jelfeldolgozás... 2003- : MTA BME Beágyazott rendszerek informatikája kutatócsoport 9

2. A véges szóhosszúság figyelembevételének lehetőségei 10

A véges szóhosszúság problémája: Az elvégzendő (bevállalható) művelet a lineáris kombináció: Eredmény (vektor) y = a u Változó (vektor) sokszor kiszámítandó Időfüggés: Súlytényező (mátrix) mért érték v. korábbi eredmény Kvantálás: y( n) = a( n) u( n 1) { } q q q [ y ( n) ] = [ a( n) ] [ u( n 1) ] q Probléma: rengeteg művelet, hibák akkumulálódásának veszélye 11

A véges szóhosszúság problémája: Egyszerű példa: y( n) = b y( n 1) + a u( n 1) Egy lehetséges megoldás egyetlen tárolt változóval: y( n) = a x( n) ahol x( n) = b x( n 1) + u( n 1) Egy lehetséges másik megoldás egyetlen tárolt változóval: y( n) w x( n) = ahol x( n) = x( n 1) + r [ u( n 1) x( n 1) ] Kapcsolatok: Tipikus alkalmazásban: továbbá 0 < a << 1 a w = ill. r =1 b 1 b a =1 b és ezért w = 1 12

Tapasztalatok/következtetések: (1) Segédváltozókkal ugyanarra sokféle kiszámítási eljárás ajánlható: ezt nevezzük jelfeldolgozási struktúrának ( kapcsolásnak ). (2) A struktúrák nem egyenértékűek a kvantálási hibák szempontjából. (3) A struktúrák nem egyenértékűek a szükséges számábrázolási tartomány szempontjából. (4) A struktúrák nem egyenértékűek a súlytényezők megváltoztatása esetén fellépő tranziensek szempontjából. (5) Nem ártana olyan univerzális jelfeldolgozó struktúra, amely kedvező tulajdonságokkal rendelkezik. 13

Modell-alapú jelfeldolgozás... Főbb kutatási irányok: Univerzális jelfeldolgozó architektúra. Szinkronizált jel szintézis és analízis. Kvantálás okozta hibák elkerülése. Új eredmények: (1) Diszkrét jelreprezentációk rekurzív előállítása, (2) rekurzív transzformációk, (3) jó minőségű szűrők. y n + e n g 1,n g 2,n g N,n + - 1 z-1 1 z-1 1 z-1 c 1,n c 2,n c N,n y n 14

A kedvező tulajdonságok magyarázata: Az állapotváltozó vektor lehetséges végpontjai ha a kimeneten az energia állandó: Kedvező struktúra: x 2 x 2 a csonkítás energiacsökkenéssel jár! x 1 nem triviális a kvantálási stratégia! csonkítás energianövekedéssel járhat! Még kedvezőbb: x 2 x 1 ortogonális struktúra hullámdigitális struktúra x 1 15

3. Tranziens menedzsment újrakonfigurálható rendszerekben 16

Újrakonfigurálható rendszerek: működés közben átkapcsolható/átkapcsolódó rendszerek, amelyekben elkülöníthető működési módok azonosíthatók Hibrid rendszerek: folytonos és diszkrét komponensek együttműködése, szakaszosan folytonos viselkedés Hibrid dinamikus rendszerek: + folytonos és/vagy diszkrét dinamika Tranziensek: átkapcsolások/átkapcsolódások kísérő jelenségei, jellegzetesen az egyes működési módok eltérő energiaviszonyai miatt Megj.: A tranziens jelenségek és a stabilitás kapcsolata 17

A tranziens viselkedés struktúra függése Mérőcsatorna sávszélességének csökkentése (10-edfokú sávszűrő, fehér-zaj bemenet) y(n) 4000 2000 0-2000 Direkt struktúra Reconfiguration -4000 0 500 1000 1500 2000 Time y(n) 1.5 1 0.5 0-0.5 Rezonátoros struktúra -1 Reconfiguration -1.5 0 500 1000 1500 2000 Time A kimeneti jel időfüggvénye átkapcsolás előtt és után Frequency 0.5 0.4 0.3 0.2 0.1 0 0 500 1000 1500 Time Y(f,n) (db) 50 0-50 -100 Frequency 0.5 0.4 0.3 0.2 0.1 0 0 500 1000 1500 Time Y(f,n) (db) 0-50 -100 A kimeneti jel ampl. spektruma átkapcsolás előtt és után Figyeljük meg a tranziens jel maximális értékeinek arányát! ( > 4000, azaz > 72 db ) 18

Tranziens jelenségek szabályozási körökben Többféle, sokszor egyidejűleg érvényre jutó hatás Gyakori stratégia a kivárás (pl. bekapcsolási tranziensek) Alapjel/ referencia r + - e C v P y Szabályozott jellemző Tranzienst okoz(hat): alapjel/ref. jel megváltozás, ill. mindennemű zavarás a szabályzó adaptálása/újrakonfigurálása a szabályozott szakasz újrakonfigurálása üzemmód váltások/adaptálások meghibásodás/hibás állapotba kerülés hiba megszűnést követő visszakapcsolás Tranziens menedzsment: együttes csökkentés 19

A tranziens menedzsment passzív módszerei Megfelelő szabályzó implementáció Három-időállandós szakasz digitális PID szabályzóval u(n) b 0 b 1 b 2 Z -1 Z -1 a 1 a 2 y(n) u(n) k 0 k 1 k 2 p1 Z -1 p 2 Z -1 y(n) Két lehetséges PID kiszámítási séma 2 1.8 1.6 1.4 Plant output (DST II) 2 1.8 1.6 1.4 Plant output (Scaled Parallel Structure) A szabályozott szakasz két üzemmódja 1.2 1 0.8 0.6 0.4 0.2 0 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 Time (sec) 1.2 1 0.8 0.6 0.4 0.2 0 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 Time (sec) MODE 1 MODE 2 Gain 1 2 T1 10s 5s T2 4s 2s T3 1s 1s Szabályzó átkapcsolás 8.6130-17.1960z + 8.5829z H(z) -1-2 1.0000-1.9885z + 0.9885z MODE 1 MODE 2-1 -2-1 -2 2.3884-4.7601z + 2.3717z -1-2 1.0000-1.9590z + 0.9590 z Az egyes üzemmódokhoz tartozó PID szabályzók 20

Tipikus tranzienssel járó szituációk Bekapcsolás, meghibásodás a szakaszban, új szabályzó beiktatása, a szakasz, majd a szabályzó visszaállítása Az aktív és passzív mószerek együttes alkalmazása egyszerű PID szabályzó esetén T1: bekapcsolás T2: meghibásodás T3: új szabályzó T4: szakasz javítás T5: szabályzó vissza PID átkapcsolás kis tranzienssel 4 3 2 1 0 state zeroing scaled SS direct form Controller output -1 0 50 100 150 200 250 300 Time (sec) 350 400 450 500 Plant output 2 1.5 1 0.5 0 0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 500 Time (sec) T1 T2 T3 T4 T5

Tranziens menedzsment a szakasz gyors, vagy váratlan üzemmód váltásai esetén A szabályzó kibővül tranziens elnyomó képességekkel Szabályzó tervezés szabályzó modell szakasz modell tranziens szabályzó mérések Szakasz identifikáció Mérések megfigyelőkkel v e r e v c v y + szabályzó + szakasz Tranziens menedzsment: Trajektória tervezés valós időben 22

4. Kooperatív jelfeldolgozás 23

Kooperatív jelfeldolgozás... Főbb kutatási irányok: Mérési pontosság elosztott érzékelés és feldolgozás esetén. A komponensek közötti kommunikáció bizonytalanságának csökkentése. Elosztott adaptív jelfeldolgozás. Új eredmények: (1) többprocessoros jelfeldolgozó rendszerek autonóm mechanizmusainak időbeni szinkronizálása, (2) az ütemezési és a jelfeldolgozási feladatok adaptív összehangolása, (3) a klasszikus regressziószámítási feladat szenzorhálózatokra alapozott megoldása. 24

Aktív zajcsökkentés rádiós hálózattal MicaZ mote-ok (ZigBee rádió) f s = 2 khz Mote-mote szinkronizáció: PLL jellegű Master-Slave Mote-DSP szinkronizáció: interpoláció A sávszélesség korlátok durván kvantált adatokkal csökkenthetőek! 25

5. Beágyazott szoftver 26

Ami még közös ügy a BIR-ben: a beágyazott szoftver Univerzális rendszerintegrátor: a valós rendszerek alkotóelemei egyre inkább számítástechnikai kölcsönhatások révén működnek együtt. (Audi 8: ~2000 jel, ~60 elektronikus kontroller (ECU))... Software is Hard and Hardware is Soft... Következmények: 1. A szoftver egyre jobban az alkalmazási terület részévé válik. 2. A szoftvereknek a funkcionális követelmények mellett fizikai követelményeknek is eleget kell tenniük. Kérdés: Hogyan kell ilyen rendszereket tervezni? 27

Főbb technológiai területek és kihívások 1. A beágyazott rendszerek architektúrája: megfelelő keret ahhoz, hogy előzetesen igazoltan helyes működésű részegységekből működőképes rendszer jöjjön létre miközben a komponensek belsejét nem ismerjük... Plug-and-play, valós-idejű & szinkronizált működés, tápáram-felvétel minimalizálás... 2. Rendszer tervezés: (1) rendszer modellezés, (2) automatikus szintézis, (3) fejlesztő eszközök. 3. A fejlesztési eredmény helyességének igazolása: igazolás és bizonylatolás (validation and certification). 4. Szolgáltatásbiztonság: ~ autonóm működésű alrendszerek dinamikus újrakonfigurálása, biztonság, hibatűrés. 28

Főbb technológiai területek és kihívások 5. Mindenütt jelenlevő vezetéknélküli kommunikáció: korlátozott sávszélesség, tápáram-igény, protokollok,... 6. Szilicium-skálázás : bizonyítottan helyes működésű IP blokkok hatékony újrafelhasználásának módszerei,... 7. Érzékelők és beavatkozók: érzékelő hálózatok, MEMS-ek, rádió frekvencia identifikáció (RFID),... 8. Ember-gép interfészek: a tudással kapcsolatos (kognitív) modelleket és a felhasználó viselkedését megragadó módszerek kutatása,... 9. Elosztott számítási platform: elosztott számítási eszközök, kooperativitás és adaptivitás az eszközök működésében,... 10. Önszervező, adaptív rendszerek: kooperativitás és adaptivitás a környezet megváltozásának hatására,... 29

Köszönet... 30