Automated code generation for state estimation algorithms

Kaparounakis, Orestis; Soudris, Dimitrios

dc.contributor.author	Kaparounakis, Orestis	en
dc.contributor.author	Soudris, Dimitrios	en
dc.date.accessioned	2020-11-09T12:53:19Z
dc.date.available	2020-11-09T12:53:19Z
dc.identifier.uri	https://dspace.lib.ntua.gr/xmlui/handle/123456789/51832
dc.identifier.uri	http://dx.doi.org/10.26240/heal.ntua.19530
dc.rights	Default License
dc.subject	Kalman filter	en
dc.subject	State estimation	en
dc.subject	Code generation	en
dc.subject	Embedded systems	en
dc.subject	Program synthesis	en
dc.subject	Εκτίμηση κατάστασης	el
dc.subject	Παραγωγή κώδικα	el
dc.subject	Φίλτρα Kalman	el
dc.subject	Ενσωματωμένα συστήματα	el
dc.subject	Σύνθεση προγράμματος	el
dc.title	Automated code generation for state estimation algorithms	en
dc.contributor.department	Εργαστήριο Μικροϋπολογιστών και Ψηφιακών Συστημάτων VLSI	el
heal.type	bachelorThesis
heal.classification	State Estimation	en
heal.classification	Cyber-physical Systems	el
heal.language	el
heal.language	en
heal.access	free
heal.recordProvider	ntua	el
heal.publicationDate	2020-07-21
heal.abstract	We present a new method for automatically generating the implementation of state-estimation algorithms from a machine-readable description of the physical dynamics and signal constraints of sensing platforms. We implement the new state-estimator code generation method as a backend for a physics specification language and we apply the backend to generate complete C code implementations of state estimators for both linear systems (Kalman filters) and non-linear systems (extended Kalman filters). The state estimator code generation from physics specification is completely automated and requires no manual intervention. The generated filters can incorporate an automatic differentiation technique which combines function evaluation and differentiation in a single process. Using the description of physical system of a range of complexities, we generate extended Kalman filters, which we evaluate in terms of prediction accuracy using simulation traces. The results show that our automatically-generated sensor fusion and state estimation implementations provide state estimation within the same error bound as the human-written counterparts. We additionally quantify the code size and dynamic instruction count requirements of the generated state estimator implementations on the RISC-V architecture. The results show that our synthesized state estimation implementation employing automatic differentiation leads to an average improvement in the dynamic instruction count of the generated Kalman filter of 7%-16% compared to the standard differentiation technique. This is improvement comes at the limited cost of an average 4.5% increase in the code size of the generated filters.	en
heal.abstract	Παρουσιάζουμε μια μέθοδο για αυτοματοποιημένη υλοποίηση αλγορίθμων εκτίμησης κατάστασης από περιγραφές αναγνωρίσιμες από υπολογιστή που περιγράφουν τους νόμους που διέπουν κάποιο φυσικό υπολογιστικό σύστημα στόχο όσο αφορά την δυναμική εξέλιξή του καθώς και τους αισθητήρες του. Υλοποιούμε την μέθοδο αυτή σαν οπίσθιο τμήμα μεταγλωττιστή μιας γλώσσας προδιαγραφής φυσικών νόμων και την χρησιμοποιούμε για να παράξουμε ολοκληρωμένες υλοποιήσεις των αλγορίθμων σε C, είτε για γραμμικά (γραμμικά φίλτρα Kalman), είτε για μη γραμμικά συστήματα (εκτεταμένα φίλτρα Kalman). Η παραγωγή του κώδικα των φίλτρων εκτίμησης κατάστασης είναι εντελώς αυτόματη και δεν απαιτεί χειροκίνητες επεμβάσεις. Τα παράγωγα φίλτρα δύναται να συμπεριλαμβάνουν λειτουργικότητα αυτόματης διαφοροποίησης, μεθόδου διαφοροποίησης που συνδυάζει την αποτίμηση μιας συνάρτησης με την αποτίμηση των παραγώγων της, ταυτόχρονα. Χρησιμοποιούμε περιγραφές φυσικών συστημάτων διαφορετικής πολυπλοκότητας για να παράξουμε εκτεταμένα φίλτρα Kalman των οποίων αξιολογούμε την απόδοση χρησιμοποιώντας καταγεγραμμένα ίχνη από προσομοιώσεις. Η αξιολόγηση δείχνει ότι τα, μέσω της μεθόδου μας, αυτομάτως παραχθέντα φίλτρα εκτίμησης κατάστασης επιτυγχάνουν εκτίμηση εντός των ίδιων ορίων σφάλματος σε σχέση με φίλτρα γραμμένα με το χέρι. Επιπλέον, αξιολογούμε το μέγεθος αρχείου και το αριθμό δυναμικών εντολών εκτέλεσης των παραχθέντων υλοποιήσεων σε αρχιτεκτονική RISC-V. Η αξιολόγηση δείχνει ότι τα αυτομάτως παραχθέντα φίλτρα που χρησιμοποιούν την μέθοδο της αυτόματης διαφοροποίησης έχουν κατά μέσο όρο λιγότερες δυναμικές εντολές κατά την εκτέλεση, 7%-16% σε σχέση με την οριακή μέθοδο διαφοροποίησης. Η βελτίωση αυτή έχει ένα μικρό κόστος, κατά μέσο όρο 4.5%, αύξησης του μεγέθους αρχείου των φίλτρων.	el
heal.advisorName	Σούντρης, Δημήτριος	el
heal.committeeMemberName	Σούντρης, Δημήτριος	el
heal.committeeMemberName	Παπασπύρου, Νικόλαος	el
heal.committeeMemberName	Τσανάκας, Παναγιώτης	el
heal.academicPublisher	Εθνικό Μετσόβιο Πολυτεχνείο. Σχολή Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Μηχανικών Υπολογιστών. Τομέας Τεχνολογίας Πληροφορικής και Υπολογιστών. Εργαστήριο Μικροϋπολογιστών και Ψηφιακών Συστημάτων VLSI	el
heal.academicPublisherID	ntua
heal.numberOfPages	115 p.	en
heal.fullTextAvailability	false