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空中客車使用MATLAB設計基于FPGA的機載深度學習處理器

MATLAB ? 來源:MATLAB ? 2024-03-28 10:21 ? 次閱讀

現代空間飛行器必須持續監控遙測數據,并檢測或預測傳感器數據中的任何異常行為。由于從機載傳感器接收到的數據維度高且數據量大,基于閾值的監控等傳統方法顯得捉襟見肘。軌道衛星的環境具有高度動態性,這也使得識別異常指標充滿挑戰性。

為了克服這些挑戰,空中客車防務與航天公司 Airbus 決定開發用于故障檢測、隔離和還原 (FDIR) 的機載系統,以實現異常檢測深度學習模型。 空中客車發現,FPGA 以其高性能、長壽命成為機載航天器系統的理想平臺。FPGA 可重新編程,能夠耐受空間輻射,并可設計成低功耗器件。

然而,對于此級別的時間關鍵型任務,使用資源有限的 FPGA 實現深度學習模型,可能是一項巨大的挑戰。 空中客車的設計團隊選擇使用 Deep Learning HDL Toolbox 來生成 MATLAB 深度學習處理器 IP 核作為人工智能加速器。該工作流支持使用 FreeRTOS 作為操作系統。

為了進行測試,空中客車使用了 AMD Zynq UltraScale+ MPSoC ZCU102 板以及長短期記憶 (LSTM) 模型,該模型是基于一組相關的遙測參數訓練的。

此外,更新 LSTM 模型不需要對 FPGA 重新編程,因為只需重新編譯更新后的模型并將其下載到深度學習處理器中。

“從本質上講,MATLAB 深度學習處理器 IP 核與平臺無關。這使其能夠被集成到可通過太空認證的實時操作系統中。我們面臨的一大挑戰是開發與之交互的應用,而在這一方面,MathWorks 提供了很多支持?!?/strong>

—— Andreas C. Koch,空中客車機載軟件工程師

TensorFlow 中訓練的 LSTM 模型導入 MATLAB 中?;谶@些模型,該團隊針對性能和資源使用情況,對深度學習處理器配置進行了優化。此后,他們使用 HDL Coder 將深度學習處理器 IP 核生成為獨立于目標的可綜合 HDL 代碼,并通過 AXI 接口將其集成到空中客車的參考設計中。

然后,工程師使用基于 Python 的工作流對深度學習處理器進行編程,并從 AMD Zynq MPSoC 上的 Arm 處理器觸發它。

硬件板上針對運行衛星上檢測到的異常來測試 FDIR 系統時,深度學習處理器能夠在可靠工作的同時,滿足吞吐量和功耗的要求??罩锌蛙囉媱澰趯淼暮教炱魃喜渴鸹?FPGA 的 FDIR 系統。

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基于 FPGA 的深度學習網絡檢測到的真實異常。

空客Airbus 取得的關鍵成果

開發了基于 MATLAB 的工作流,用于在 FPGA 上進行深度神經網絡的快速原型構建和驗證,從而實現硬件、系統和深度學習工程師之間的協作

與基于閾值的傳統方法相比,更早地檢測到潛在的衛星故障模式

生成了深度學習處理器,可供任何采用 FreeRTOS 或其他操作系統的 FPGA 供應商使用和部署

可以在板上更新深度學習模型,而不需要對 FPGA 重新編程

空客 Airbus 使用到的產品

MATLAB

Deep Learning HDL Toolbox

Deep Learning Toolbox

HDL Coder




審核編輯:劉清

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原文標題:異常檢測 | 空中客車使用 MATLAB 設計基于 FPGA 的機載深度學習處理器

文章出處:【微信號:MATLAB,微信公眾號:MATLAB】歡迎添加關注!文章轉載請注明出處。

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