Diseño y evaluación de sistemas de control y procesamiento de señales basados en modelos neuronales pulsantes

Laburpena

La naturaleza, gracias a la evolución de las especies, ha ido resolviendo de una manera eficiente los problemas de adaptación que se encuentran los seres vivos en su entorno, El "computador" de los seres vivos es el sistema nervioso o cerebro, el cual realiza un procesamiento de la información de una forma asombrosamente eficiente en diversos aspectos, como por ejemplo son: paralelismo, adaptación, potencia, etc. La ingeniería neuromórfica busca mecanismos de sensado, actuación motora, procesamiento de la información, aprendizaje, etc., imitando la manera en que funcionan las neuronas, dando lugar a los denominados sistemas neuro-inspirados. Las neuronas se comunican mediante estrechos pulsos electrónicos, los potenciales de acción. Existen diversas hipótesis de como se codifica la información, varias de ellas proponen que en ciertas áreas del sistema nervioso la información viaja en la frecuencia de los pulsos, siguiendo un esquema similar a la modulación por frecuencia de pulsos o PFM. Según la modulación PFM, la representación pulsante de una señal será una serie de estrechos pulsos, denominados spikes, cuya frecuencia será proporcional a la amplitud de la señal. Desde otro punto de vista, la información está contenida en el tiempo entre pulsos o Inter-Spikes-Interval (ISI), siendo ésta una medida analógica, usando niveles binarios, no existiendo ni el muestreo ni la cuantificación. Este mecanismo se puede considerar además extremadamente eficiente en diversos aspectos, como es la tolerancia al ruido, aprovechamiento al máximo de la conectividad y la simplicidad de los modelos de procesamiento, permitiendo así mecanismos de procesamiento masivamente paralelos. En este trabajo de investigación se proponen, implementan y analizan, mecanismos para realizar operaciones primitivas sobre señales pulsantes equivalentes a las analógicas, procesando los pulsos de manera continua, sin discretización de la información, pero usando circuitos digitales como son las FPGAs. Obteniendo así una nueva forma de procesamiento de la información, la cual no es ni analógica ni digital, aprovechándonos de las ventajas de la representación pulsante. De forma cualitativa es fácil entender la simplicidad de los circuitos y sistemas resultantes; ya que, por ejemplo, un filtro para señales con representación pulsante lo único que hace es quitar o añadir pulsos al flujo de los mismos, aunque no resulte a priori evidente qué pulsos son los afectados por esta manipulación. Para mostrar la validez y eficacia de los mecanismos de procesamiento propuestos se han implementado y adaptado para diversas aplicaciones, como es el control de actuadores robóticos, desarrollando controladores PID en lazo cerrado pulsantes, así como para el procesamiento con carácter general de señales, diseñando filtros de pulsos equivalentes a los analógicos. Además para comprobar la viabilidad de los sistemas desarrollados, se ha estudiado e implementado un robot móvil diferencial, y se ha propuesto la arquitectura de una cóclea sintética basada en la representación Address-Event (AER). Todas estas aplicaciones están basadas en una aritmética pulsante desarrollada en este trabajo. Estos nuevos sistemas de procesamiento pulsante presentan un gran paralelismo con los computadores analógicos, pudiendo realizar las mismas tareas pero usando circuitos digitales. Podríamos considerar el tipo de computación que en este trabajo se presenta como sistemas de procesamiento a medio camino entre la computación analógica y la digital.