CC BY
40
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. SchumacherB. Quantum coding // Phys. Rev. - 1995. - Vol. A51, № 4. - P. 2738-2747.
2. Monroe C., Meekhof D.M., King B.E., Wineland D.J.. A “Schrödinger Cat” Superposition State of an Atom // Science. - 1996. - Vol. 272. - P. 1131-1135.
3. Barenco A., Bennett C.H., Cleve C., DiVincenzo D.P., Margolus N., Shor P., Sleater T., Smolin J.A., Weinfurter H. Elementary gates for Quantum Computation // Phys. Rev. - 1995. - Vol. A52, № 5. - P. 3457-3467.
4. Viamontes G.F., Markov I.L., Hayes J.P. Graph-based Simulation of Quantum Computation in the Density Matrix Representation // Quantum Information and Computation. - 2005. - Vol. 5, № 2. - P. 113-130.
5. Grover L.K. Quntum Mechanics Help in Searching for a Needle in a Haystack // Phys. Rev. Lett. - 1997. - Vol. 78, № 2. - P. 325-328.
6. Вал пев KA., Кокин A.A. Квантовые компьютеры: надежды и реальность // Регулярная и хаотическая динамика. - Ижевск, 2001. - C. 92-95.
Статью рекомендовал к опубликованию д.т.н., профессор Л.П. Фельдман.
Гузик Вячеслав Филиппович - Технологический институт ф едерального государственного автономного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Южный федеральный университет» в г. Таганроге; e-mail: [email protected]; 347928, г. Таганрог, ул. Энгельса, 1, ГСП-17А; тел.: 88634371737; кафедра вычислительной техни-; . ; . . .; ,
Гушанекий Сергей Михайлович - кафедра вычислительной техники; к.т.н.; доцент.
Кубраков Евгений Сергеевич - кафедра вычислительной техники; магистрант.
Guzik Vyacheslav Filippovich - Taganrog Institute of Technology - Federal State-Owned Autonomy Educational Establishment of Higher Vocational Education “Southern Federal University”; e-mail: [email protected]; GSP-17A, 1, E’ngel’sa street, Taganrog, 347928, Russia; phone: 88634371737; the department of computer engineering; head the department; dr. of eng. sc.; professor.
Gushnsky Sergey Michailovich - the department of computer engineering; cand. of eng. sc.; associate professor.
Kubrakov Evgeny Sergeevich - the department of computer engineering; postgraduate student.
УДК 004.4'42
Ю.В. Чернухин, М.Ю. Поленов, Д.В. Булгаков
ОСОБЕННОСТИ ГЕНЕРАЦИИ МОДЕЛЕЙ НЕЙРОСЕТЕВЫХ СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ ПРИ ИСПОЛЬЗОВАНИИ МУЛЬТИТРАНСЛЯЦИИ
Описывается подход к трансляции моделей устройств с языков описания аппаратуры на примере генерации моделей компонент нейропроцессорной сети управления мобиль-
. ,
(Мультитрансляторе), позволяет при помощи создаваемых трансляционных модулей переводить модели с различных языков описания аппаратуры в SimuLink-модели, что существенно расширяет возможности исследования и моделирования различных систем управления объектами за счет использования в цикле проектирования функционала среды виртуального моделирования MATLAB. Рассмотренный подход к использованию многоязыковой трансляции для решения задач перевода моделей особенно эффективен на этапе логического синтеза компонент нейросетевых систем управления и получения структурного описа-mdl- .
Нейропроцессорная сеть; языки описания аппаратуры; многоязыковая трансляция;
; ; SimuLink- .
Yu.V. Chernukhin, M.Yu. Polenov, D.V. Bulgakov
PECULIARITIES OF NEURAL NETWORK CONTROL SYSTEMS’ MODELS GENERATION WITH MULTITRANSLATION USAGE
The approach to translation of entities models from hardware description languages is described on an example of models generation for neuroprocessor network's components of the mobile robot control. This approach is realized on the basis of multilanguage translation tools (Multitranslator) and allows to translate models from various hardware description languages into SimuLink-models using the created translating modules. That essentially expands possibilities of research and simulation of various objects control systems at the expense of usage in a designing cycle the functional of MATLAB virtual modeling environment. The considered approach to use the multilanguage translation for the decision of models’ transfer problems is especially effective at a components logic synthesis stage for the neuronetwork control systems and acquisition of the structural description in mdl-format from the project’s description on the hardware description languages.
Neuroprocessor network; hardware description languages; multilanguage translation; multitranslator; translation module; SimuLink-models.
Введение. Управление интеллектуальными мобильными роботами - одно из актуальных направлений развития современной робототехники. Одной из наиболее значимых задач в этой области является оперативное формирование оптимальных траекторий перемещения робота к целевому объекту в некоторой динамически изменяющейся среде. Решение этой задачи требует высокого быстродействия управляющей системы, которое может быть достигнуто путем аппаратной реализации алгоритмов, например, алгоритмов нейросетевого типа.
, -нический подход [1], реализация которого осуществляется с помощью нейропро-, , роботом перед каждым шагом перемещения. Такие нейропроцессорные сети могут быть реализованы с использованием ПЛИС-технологии. Разработка устройств на базе ПЛИС традиционно осуществляется с помощью специализированных средств , , , компонентов и всей архитектуры системы языки описания аппаратуры (Ж) А).
Языки описания аппаратуры и системотехнические САПР удобны на завершающих этапах разработки прототипов ПЛИС для систем управления, саму же разработку таких систем и их моделирование удобно осуществлять с использованием средств моделирования. Одним из таких общепризнанных, универсальных средств является подсистема SimuLink программной среды виртуального моделирования MATLAB. Эта среда позволяет описать нейропроцессор ную сеть в виде набора логических элементов, промоделировать ее работу и получить временные диаграммы ее функционирования с произвольных выходов элементов схемы.
MATLAB ,
сравнению с другими средствами проектирования (например, Altera Quartus и др.), предоставляет большой выбор возможных компонентов для проектирования систем ( ). , -данная в этой среде, может быть в дальнейшем преобразована стандартными средствами в модель на ЯОА (например, VHDL) и использована для реализации на базе ПЛИС. С другой стороны, необходимо обеспечить перенос уже существующих моделей на ЯОА в формат среды MATLAB (файлы *.mdl). Это позволит разработчи-MATLAB .
Для реализации трансляции программных моделей с языков описания аппаратуры, таких как VHDL, Verilog, System C в формат среды MATLAB предлагается использовать среду многоязыковой трансляции - Мультитранслятор (МТ) [2], разработанную на кафедре вычислительной техники ТТИ ЮФУ.
Таким образом, целью данной работы является создание трансляционного модуля для реализации мультитрансляции моделей вычислительных устройств, описанных на VHDL и ориентированных на нейросетевые вычисления, в формат описания моделей подсистемы SimuLink среды MATLAB.
Описание данных моделей. Поскольку подсистема SimuLink позволяет задавать описание моделей на структурном уровне, а модели на языке VHDL включают в себя описание как структуры, так и поведения (адгоритмы функционирования устройства), то необходимо реализовать и исследовать логический синтез описаний моделей и выполнить генерацию выходных моделей с учетом особенностей формата SimuLink. Возможность логического синтеза описаний моделей с языка VHDL [3] с использованием МТ уже была исследована ранее [4, 5]. Таким образом, результаты работы синтезирующего трансляционного модуля на RTL-языке могут быть взяты в качестве исходных данных для генерации моделей в mdl.
Описание модели в mdl-формате среды MATLAB представляет собой множество блоков и соединений между ними. Соединения портов осуществляется бло-. , RTL- , -
, ,
, -
жение блоков на рабочем поле.
Реализация трансляционного модуля. Общий алгоритм мультитрансляции RTL-описания на ЯОА в mdl-формат можно разбить на несколько этапов:
1) разбор конструкций входного языка и построение списка блоков выходного описания, формирование списка соединений блоков;
2) обработка списка соединений блоков и формирование конструкций меж-блоковых соединений выходной модели;
3) замена блоков соединений шин на линии mdl-представления;
4) генерация блоков mdl-представления;
5) -темой SimuLink конструкций.
На первом этапе производится разбор входного описания с учетом особенно. , для всех соединительных шин строится список, в котором каждый элемент описывает параметры шины и содержит список объектов, каждый из которых представляет собой ссылку на порт объекта, к которому подключена данная шина.
На втором этапе запускается алгоритм формирования выходных соединительных линий для блоков на основании данных списка шин с первого этапа. В отличие
от RTL-описания, каждая соединительная линия L mdl-представления может иметь определенную разрядность п, от которой невозможно сделать отвод другой линии L0, имеющей разрядность т, где n>m. В этом случае для каждой шины необходимо сформировать некоторый набор элементов схемы, позволяющий выделить те или иные разряды шины и подключить их к соответствующим объектам.
Для формирования соединительных линий предлагается следующий подход. Все срезы шины A, подключенные к выходным портам объектов, конкатенируются в одну линию в порядке следования разрядов шины (формируется блок конкатена-). , , -ется блок выделения интервала бит (объект подсистемы SimuLink ExtractBits). На вход такого блока подается линия, размерность п которой равна полной размерности п шины A, выход блока с размерностью т (т < п) подается на вход объ-.
На третьем этапе общего алгоритма происходит замена операторов типа CONNECT (соединение двух шин) на соединительные линии.
На четвертом этапе формируется выходной шШ-файл на основании списка всех объектов выходной схемы. Вывод данных осуществляется с учетом формата блоков БішиЬіпк - названия объектов заменяются соответствующими названиями блоков БішиЬіпк, если для ИТЬ-операторов существуют аналоги. Иначе блоки могут транслироваться в составные блоки (подсистемы), включающие необходимый набор компонентов БішиЬіпк для реализации конкретного ИТЬ-оператора. Здесь также производится генерация координат расположения блоков выходной схемы.
На пятом этапе формируются машины состояния, которые необходимы для реализации нестандартных подсистем шШ-представления. Блок, реализующий конкатенацию, может быть сгенерирован с использованием языка МАТЬАБ. Для этого создается блок МАТЬАБ-функции, в котором на специальном языке описывается алгоритм работы. В шШ-описании такой блок представляет собой подсис-, , , описанный на языке среды МАТЬЛБ. После формирования машины состояний, алгоритм завершает свою работу.
Экспериментальная проверка трансляционного модуля. После реализации трансляционного модуля, он был протестирован на наборе входных моделей, используемых при построении нейросетевой системы управления мобильного робота. Были разработаны исходные модели системы на языке УИБЬ, которые транслировались при помощи трансляционных модулей в ИТЬ-описания, а затем в шШ-представления и подключались к среде МАТЬЛБ.
Сгенерированная в подсистеме БішиЬіпк на основе полученных в шШ-формате выходных моделей нейросетевая схема многостабильного триггера, осуществляющего принятие решений о направлениях перемещения робота, изображена на рис. 1.
Рис. 1. Схема многостабильного триггера в подсистеме 81тыЫик
Временная диаграмма работы многостабильного триггера, полученная в подсистеме БішиЬіпк, продемонстрировала работоспособность схемы и корректность проведенных при мультитрансляции преобразований моделей.
.
трансляции для решения задач перевода моделей при моделировании систем управления мобильными роботами эффективен на этапе логического синтеза компонент нейросетевых систем управления и получения структурного описания для среды моделирования MATLAB из описания системы на языке VHDL. Он может быть использован также для перевода моделей других систем, реализованных на Ж)А. Кроме того, при изменении параметров генерации и типов блоков выходно-mdl-
работы систем с применением ПЛИС-технологии.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Чернухин Ю.В. Нейропроцессорные сети. - Таганрог: Изд-во ТРТУ, 1999. - 439 с.
2. Чернухин Ю.В., Гузик В.Ф., Поленов ММ. Многоязыковая трансляция средств виртуального моделирования. - Ростов-на-Дону: Изд-во ЮНЦ РАН, 2009. - 368 с.
3. VHDL Synthesis Reference. Altium Ltd, 2005. [Электронный ресурс]. Режим доступа: http://www.aItium.com/files/learningguides/TR15%20VHDL%20Synthesis 20Reference.pdf.
4. Чернухин Ю.В., Поленов ММ., Булгаков Д.В. Использование многоязыковой трансляции
RTL- // .
науки. - 2010. - № 7 (108). - С. 220-226.
5. . ., . ., . .
// -
лект. - Донецк, Украина: Наука i осви-а, 2010. - № 4. - С. 623-632.
Статью рекомендовал к опубликованию д.т.н., профессор В.В. Тютиков.
Чернухин Юрий Викггорович - Технологический институт федерального государственного автономного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Южный федеральный университет» в г. Таганроге; e-mail: [email protected]; 347928, г. Таганрог, пер. Некрасовский, 44, ГСП-17А; тел.: 88634371656; кафедра вычислительной ; . . .; .
Поленов Максим Юрьевич - e-mail: [email protected]; кафедра вычислительной техники; к.т.н.; доцент.
Булгаков Данил Вячеславович - e-mail: budathegod @mail.ru; кафедра вычислительной техники; аспирант.
Chernukhin Yuri Victorovich - Taganrog Institute of Technology - Federal State-Owned Autonomy Educational Establishment of Higher Vocational Education “Southern Federal University”; e-mail: [email protected], GSP-17A, 44, Nekrasovskiy, Taganrog, 347928, Russia; phone: +78634371656; the department of computer engineering; dr. of eng. sc.; professor.
Polenov Maxim Yuryevich - e-mail: [email protected]; the department of computer engineering; cand of eng. sc.; associate professor.
Bulgakov Danil Vyacheslavovich - e-mail: [email protected]; the department of computer engineering; postgraduate student.
