Hardware/Software codesign of particle filter for real time localization of mobile robots

Sofisticadas técnicas para estimação de modelos baseadas em simulação, os filtros de partículas ou métodos de Monte Carlo Seqüenciais, foram empregadas recentemente para solucionar diversos problemas difícieis no campo da robótica móvel. No entanto, o sucesso dos fitros de partículas limitou-se à computação de parâmetros em espaços de baixa dimensionalidade. Os atuais esforços de pesquisa em robótica móvel têm comecado a explorar certas propriedades estruturais de seus domnios de aplicação que envolvem a utilização de filtros de partculas em espacos de maior dimensão, aumentando consideravelmente a complexidade da simulação envolvida. Simulações estatsticas dessa natureza requerem uma grande quantidade de numeros pseudo-aleatorios que possam ser gerados eficientemente e atendam a certos criterios de qualidade. O processo de geração de numeros pseudo-aleatorios torna-se o ponto crtico de tais aplicações em termos de desempenho. Neste contexto, a computação reconguravel insere-se como uma tecnologia capaz de satisfazer a demanda por alto desempenho das grandes simulações estatsticas pois sistemas baseados em arquiteturas reconguraveis possuem o potencial de mapear computação em hardware visando aumento de eficiência sem comprometer seriamente sua exibilidade. Tecnologias reconguraveis também possui o atrativo de um baixo consumo de energia, uma caracterstica essencial para os futuros robôs moveis embarcados. Esta dissertação apresenta a implementação um sistema embarcado baseado em FPGA e projetado para solucionar o problema de localização de robôs por meio de tecnicas probabilsticas. A parte fundamental de todo este sistema e um veloz gerador de numeros aleatorios mapeado ao hardware reconguravel que foi capaz de atender rígidos criterios estatsticos de qualidadeSophisticated techniques for estimation of models based on simulation, particle filters or Sequential Monte Carlo Methods, were recently used to solve many difficult problems in the field of mobile robotics. However, the success of particle filters was limited to the computation of parameters in low dimensionality spaces. The current research efforts in mobile robotics have begun to explore some structural properties of their application\'s domain involving the use of particle filters in spaces of a higher dimension, greatly increasing the complexity of the involved simulation. Statistical simulations of this nature require a lot of pseudorandom numbers that can be generated efficiently and meet certain quality criteria. The process of generating pseudorandom number becomes the critical point of such applications in terms of performance. In this context, reconfigurable computing is a technology capable of meeting the demand for high performance of large statistical simulations because systems based on reconfigurable architectures have the potential to map computation to hardware aiming to increase eficiency without a serious drawback in exibility. Reconfigurable technologies are also attractive because of their low energy consume, a essential feature for the future mobile robots. This dissertation presents an implementation of a FPGA based embedded system designed to solve the robot localization problem by the means of probabilistic technics. The fundamental part from the whole system is a fast random number generator mapped to reconfigurable hardware wich atends a rigid quality criteri