CAREER: Data-Driven Control of High-Rate Dynamic Systems
职业:高速动态系统的数据驱动控制
基本信息
- 批准号:2237696
- 负责人:
- 金额:$ 55.19万
- 依托单位:
- 依托单位国家:美国
- 项目类别:Continuing Grant
- 财政年份:2023
- 资助国家:美国
- 起止时间:2023-02-01 至 2028-01-31
- 项目状态:未结题
- 来源:
- 关键词:
项目摘要
This NSF CPS CAREER project studies the hardware/software co-design of sub-millisecond machine learning control for high-rate dynamic systems with non-stationary inputs that change the system’s state (i.e., damage). Such systems include combustion processes in jet engines, vehicle structures during crashes, and active blast mitigation structures. The novelty of the approach taken in this project is to co-design the control systems with the computing hardware they will run on to constrain system latency to within 1 millisecond. The developed solutions will be able to learn a system’s dynamics at the data rates required by high-rate dynamic systems. Machine learning models will learn the dynamics of the non-linear system online, which will then be used to model the dynamics of the system to the appropriate prediction horizon. The project is developing an automated programming methodology that enables the deployment of these real-time controllers onto compact and power-efficient computing devices. It follows that this research will impact society and the mission of the NSF by enabling a better understanding of dynamic systems operating in high-rate environments while enabling intelligent decision-making capabilities at speeds never before reached. The project will leverage existing and valuable resources at the University of South Carolina to involve several high school and undergraduate students in the project; with emphasis on providing research experiences to underrepresented, first-generation, and low-income students. This project will also train Ph.D. students in real-time machine learning and control.More specifically, this research is addressing the fundamental question of how programmable hardware can be used to enable machine learning and control for systems that demand ultra-low latency. This is being done by formulating a framework for real-time machine learning control that co-designs hardware and software and provides a path to deployment on field programmable gate arrays (FPGAs). The project is: 1) Training a novel long short-term memory (LSTM) model on-chip with a custom online trainer that maps sensor signal and actuator input for a high-rate system to system state in real-time. 2) Developing approaches to share FPGA signal processing and memory resource for the parallel utilization of multiple LSTM forward-pass cores while maintaining deterministic timing. 3) Studying trade-offs between accuracy, performance, and resource requirements for real-time machine learning control at the microsecond timescale. Validation of the developed approach is being performed using a hardware-in-the-loop testing methodology with fast-acting actuators to control the outer mold line of a structural panel in simulated hypersonic flight.This award reflects NSF's statutory mission and has been deemed worthy of support through evaluation using the Foundation's intellectual merit and broader impacts review criteria.
这个NSF CPS CAREER项目研究了亚毫秒机器学习控制的硬件/软件协同设计,用于具有改变系统状态的非平稳输入的高速率动态系统(即,损坏)。这些系统包括喷气发动机中的燃烧过程、碰撞期间的车辆结构以及主动爆炸缓解结构。该项目中采用的方法的新奇在于,将控制系统与它们将运行的计算硬件共同设计,以将系统延迟限制在1毫秒以内。开发的解决方案将能够以高速率动态系统所需的数据速率学习系统的动态。机器学习模型将在线学习非线性系统的动态特性,然后将其用于对系统的动态特性进行建模,以达到适当的预测范围。该项目正在开发一种自动编程方法,使这些实时控制器部署到紧凑和节能的计算设备。因此,这项研究将影响社会和NSF的使命,使人们能够更好地了解在高速率环境中运行的动态系统,同时以前所未有的速度实现智能决策能力。该项目将利用南卡罗来纳州大学现有的宝贵资源,让几名高中和本科生参与该项目;重点是为代表性不足的第一代和低收入学生提供研究经验。 该项目还将培养博士。更具体地说,这项研究正在解决如何使用可编程硬件来实现机器学习和控制要求超低延迟的系统的基本问题。这是通过制定一个实时机器学习控制框架来实现的,该框架共同设计硬件和软件,并为现场可编程门阵列(FPGA)的部署提供了一条途径。 该项目是:1)使用自定义在线训练器在片上训练新型长短期记忆(LSTM)模型,该训练器将高速率系统的传感器信号和致动器输入实时映射到系统状态。2)开发共享FPGA信号处理和存储器资源的方法,以并行利用多个LSTM前向传递核,同时保持确定性时序。3)研究微秒级实时机器学习控制的准确性、性能和资源需求之间的权衡。正在使用硬件在环测试方法对所开发的方法进行验证,该方法使用快速作用致动器在模拟高超音速飞行中控制结构板的外模线。该奖项反映了NSF的法定使命,并通过使用基金会的知识价值和更广泛的影响审查标准进行评估,被认为值得支持。
项目成果
期刊论文数量(3)
专著数量(0)
科研奖励数量(0)
会议论文数量(0)
专利数量(0)
Optimal Sampling Methodologies for High-rate Structural Twinning
- DOI:10.23919/fusion52260.2023.10224187
- 发表时间:2023-06
- 期刊:
- 影响因子:0
- 作者:A. Vereen;Emmanuel A. Ogunniyi;Austin Downey;Erik Blasch;Jason D. Bakos;J. Dodson
- 通讯作者:A. Vereen;Emmanuel A. Ogunniyi;Austin Downey;Erik Blasch;Jason D. Bakos;J. Dodson
Extending Battery Life via Load SExtending Battery Life via Load Sharing in Electric Aircraft
通过负载延长电池寿命通过电动飞机的负载共享延长电池寿命
- DOI:10.2514/6.2024-2154
- 发表时间:2024
- 期刊:
- 影响因子:0
- 作者:Anthony, George;Peskar, Jarrett;Downey, Austin R.J.;Booth, Kristen
- 通讯作者:Booth, Kristen
Biased Electropermanent Magnetic Docking Design for Neutral Buoyancy UAV Deployment
用于中性浮力无人机部署的偏置电永磁对接设计
- DOI:10.2514/6.2024-1694
- 发表时间:2024
- 期刊:
- 影响因子:0
- 作者:Martin, Jacob;Satme, Joud;Downey, Austin R.
- 通讯作者:Downey, Austin R.
{{
item.title }}
{{ item.translation_title }}
- DOI:
{{ item.doi }} - 发表时间:
{{ item.publish_year }} - 期刊:
- 影响因子:{{ item.factor }}
- 作者:
{{ item.authors }} - 通讯作者:
{{ item.author }}
数据更新时间:{{ journalArticles.updateTime }}
{{ item.title }}
- 作者:
{{ item.author }}
数据更新时间:{{ monograph.updateTime }}
{{ item.title }}
- 作者:
{{ item.author }}
数据更新时间:{{ sciAawards.updateTime }}
{{ item.title }}
- 作者:
{{ item.author }}
数据更新时间:{{ conferencePapers.updateTime }}
{{ item.title }}
- 作者:
{{ item.author }}
数据更新时间:{{ patent.updateTime }}
Austin Downey其他文献
Subsecond Model Updating for High-Rate Structural Health Monitoring
用于高速结构健康监测的亚秒级模型更新
- DOI:
- 发表时间:
2020 - 期刊:
- 影响因子:0
- 作者:
M. Carroll;Austin Downey;J. Dodson;Jonathan Hong;James Scheppegrell - 通讯作者:
James Scheppegrell
Fusion of sensor geometry into additive strain fields measured with sensing skin
将传感器几何形状融合到使用传感皮肤测量的附加应变场中
- DOI:
10.1088/1361-665x/aac4cd - 发表时间:
2018 - 期刊:
- 影响因子:4.1
- 作者:
Austin Downey;Mohammadkazem Sadoughi;S. Laflamme;Chao Hu - 通讯作者:
Chao Hu
Generated datasets from dynamic reproduction of projectiles in ballistic environments for advanced research (DROPBEAR) testbed
从弹道环境中弹丸的动态再现生成的数据集,用于高级研究 (DROPBEAR) 测试台
- DOI:
10.1088/2633-1357/aca0d2 - 发表时间:
2022 - 期刊:
- 影响因子:0
- 作者:
Matthew Nelson;S. Laflamme;Chao Hu;A. Moura;Jonathan Hong;Austin Downey;P. Lander;Yang Wang;Erik Blasch;J. Dodson - 通讯作者:
J. Dodson
Real-time splatter tracking in laser powder bed fusion additive manufacturing
激光粉末床熔融增材制造中的实时飞溅跟踪
- DOI:
- 发表时间:
2023 - 期刊:
- 影响因子:0
- 作者:
Yanzhou Fu;Braden Priddy;Austin Downey;L. Yuan - 通讯作者:
L. Yuan
Measurement of Magnetic Particle Concentrations in Wildfire Ash via Compact NMR
通过紧凑型 NMR 测量野火灰烬中的磁性粒子浓度
- DOI:
10.1109/sensors52175.2022.9967041 - 发表时间:
2022 - 期刊:
- 影响因子:0
- 作者:
Jacob Martin;Austin Downey;Mohammed Baalousha;S. Won - 通讯作者:
S. Won
Austin Downey的其他文献
{{
item.title }}
{{ item.translation_title }}
- DOI:
{{ item.doi }} - 发表时间:
{{ item.publish_year }} - 期刊:
- 影响因子:{{ item.factor }}
- 作者:
{{ item.authors }} - 通讯作者:
{{ item.author }}
{{ truncateString('Austin Downey', 18)}}的其他基金
Collaborative Research: SHF: Small: Sub-millisecond Topological Feature Extractor for High-Rate Machine Learning
合作研究:SHF:小型:用于高速机器学习的亚毫秒拓扑特征提取器
- 批准号:
2234921 - 财政年份:2023
- 资助金额:
$ 55.19万 - 项目类别:
Standard Grant
CRII: Algorithms and Methodologies for Real-Time Decision-Making of Mission-Critical Structures Experiencing High-Rate Dynamics
CRII:经历高速动态的任务关键结构实时决策的算法和方法
- 批准号:
1850012 - 财政年份:2019
- 资助金额:
$ 55.19万 - 项目类别:
Standard Grant
RTML: Small: Collaborative: A Programming Model and Platform Architecture for Real-time Machine Learning for Sub-second Systems
RTML:小型:协作:亚秒级系统实时机器学习的编程模型和平台架构
- 批准号:
1937535 - 财政年份:2019
- 资助金额:
$ 55.19万 - 项目类别:
Standard Grant
相似国自然基金
多源数据融合的内外激励耦合下电驱动系统非平稳非高斯服役载荷谱高保
- 批准号:
- 批准年份:2025
- 资助金额:0.0 万元
- 项目类别:省市级项目
数据驱动的航行体构型/润湿性协同调控入水动力学研究
- 批准号:
- 批准年份:2025
- 资助金额:0.0 万元
- 项目类别:省市级项目
成渝交通一体化背景下的高速公路智慧管控系统:大数据驱动、AI预警与数智决策
- 批准号:
- 批准年份:2025
- 资助金额:0.0 万元
- 项目类别:省市级项目
面向电力系统复杂数据的深度变分推断方法
- 批准号:
- 批准年份:2025
- 资助金额:0.0 万元
- 项目类别:省市级项目
数据驱动的随机交通网络均衡研究
- 批准号:
- 批准年份:2025
- 资助金额:0.0 万元
- 项目类别:省市级项目
融合动态图神经网络与大模型的区域科技安全态势分析方法研究
- 批准号:
- 批准年份:2025
- 资助金额:0.0 万元
- 项目类别:省市级项目
数据驱动下区域水资源配置多元均衡优化研究
- 批准号:JCZRYB202500594
- 批准年份:2025
- 资助金额:0.0 万元
- 项目类别:省市级项目
基于多源数据驱动的电力设备运行状态全息感知及智能诊断技术研究
- 批准号:
- 批准年份:2025
- 资助金额:0.0 万元
- 项目类别:省市级项目
数字化转型推进共同富裕的影响效果与机制研究
- 批准号:QN25G030014
- 批准年份:2025
- 资助金额:0.0 万元
- 项目类别:省市级项目
多模态数据驱动的儿童特应性皮炎严重程度评估模型研究与应用
- 批准号:
- 批准年份:2025
- 资助金额:0.0 万元
- 项目类别:省市级项目
相似海外基金
CAREER: Data-Driven Hardware and Software Techniques to Enable Sustainable Data Center Services
职业:数据驱动的硬件和软件技术,以实现可持续的数据中心服务
- 批准号:
2340042 - 财政年份:2024
- 资助金额:
$ 55.19万 - 项目类别:
Continuing Grant
CAREER: A Universal Framework for Safety-Aware Data-Driven Control and Estimation
职业:安全意识数据驱动控制和估计的通用框架
- 批准号:
2340089 - 财政年份:2024
- 资助金额:
$ 55.19万 - 项目类别:
Standard Grant
CAREER: Design of Cellular Mechanical Metamaterials under Uncertainty with Physics-Informed and Data-Driven Machine Learning
职业:利用物理信息和数据驱动的机器学习在不确定性下设计细胞机械超材料
- 批准号:
2236947 - 财政年份:2023
- 资助金额:
$ 55.19万 - 项目类别:
Standard Grant
CAREER: Data-driven Multiscale Modeling of Complex Traffic Systems Utilizing Networked Driving Simulators
职业:利用网络驾驶模拟器对复杂交通系统进行数据驱动的多尺度建模
- 批准号:
2238359 - 财政年份:2023
- 资助金额:
$ 55.19万 - 项目类别:
Standard Grant
CAREER: Data-driven design of graphene oxide for environmental applications enabled by natural language processing and machine learning techniques
职业:通过自然语言处理和机器学习技术实现氧化石墨烯环境应用的数据驱动设计
- 批准号:
2238415 - 财政年份:2023
- 资助金额:
$ 55.19万 - 项目类别:
Continuing Grant
CAREER: Machine Learning for Data-Driven Fault-Tolerant Control of Complex Systems
职业:用于复杂系统数据驱动容错控制的机器学习
- 批准号:
2426614 - 财政年份:2023
- 资助金额:
$ 55.19万 - 项目类别:
Standard Grant
CAREER: A Holistic Developer-Centered Approach to Enhance Privacy for Data-Driven Applications
职业:以开发人员为中心的整体方法来增强数据驱动应用程序的隐私
- 批准号:
2238047 - 财政年份:2023
- 资助金额:
$ 55.19万 - 项目类别:
Continuing Grant
CAREER: Data-Driven Systematic Hierarchical Modeling
职业:数据驱动的系统分层建模
- 批准号:
2410514 - 财政年份:2023
- 资助金额:
$ 55.19万 - 项目类别:
Standard Grant
CAREER: Building long-term climate resilience in 21st-century regional urban land systems through integrated data-driven research and education
职业:通过综合数据驱动的研究和教育,在 21 世纪区域城市土地系统中建立长期的气候适应能力
- 批准号:
2239859 - 财政年份:2023
- 资助金额:
$ 55.19万 - 项目类别:
Continuing Grant
CAREER: Data-driven dynamic adaptive optimization for next generation power system operation
职业:数据驱动的下一代电力系统运行的动态自适应优化
- 批准号:
2316675 - 财政年份:2023
- 资助金额:
$ 55.19万 - 项目类别:
Standard Grant