Projeto de um controlador fuzzy PID em hardware embarcado para um exoesqueleto de membro inferior

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Autor(es): dc.contributorMuñoz Arboleda, Daniel Mauricio-
Autor(es): dc.creatorMedeiros, Rodrigo Bonifácio de-
Data de aceite: dc.date.accessioned2024-10-23T15:40:36Z-
Data de disponibilização: dc.date.available2024-10-23T15:40:36Z-
Data de envio: dc.date.issued2024-07-17-
Data de envio: dc.date.issued2024-07-17-
Data de envio: dc.date.issued2024-07-17-
Data de envio: dc.date.issued2023-07-30-
Fonte completa do material: dc.identifierhttp://repositorio2.unb.br/jspui/handle/10482/48996-
Fonte: dc.identifier.urihttp://educapes.capes.gov.br/handle/capes/889048-
Descrição: dc.descriptionDissertação (mestrado) — Universidade de Brasília, Faculdade de Tecnologia, Departamento de Engenharia Mecânica, Programa de Pós-Graduação em Sistemas Mecatrônicos, 2023.-
Descrição: dc.descriptionOs manipuladores robóticos são sistemas de múltiplas entradas e saídas (MIMO) com vários pontos de não-linearidades afetados por inúmeras incertezas e distúrbios. Os controladores Proporcional-Integral-Derivativo (PID) são amplamente utilizados na indústria para controle cinemático e dinâmico, no entanto, quando aplicados a sistemas MIMO, eles não são fáceis de ajustar e requerem melhorias de desempenho. Neste trabalho, é proposto um controlador PID com pré-compensador fuzzy (FP-PID), ajustados pelo algoritmo de otimização por enxame de partículas (PSO), bem como pelos algoritmos de otimização multiobjetivo Non dominated Sorting Genetic Algorithm II (NSGA-II) e Multi-Objective Differential Evolution (MODE), para um manipulador robótico de dois graus de liberdade (2-DOF), que representa um exoesqueleto. Para validar o sistema foram utilizados dois conjuntos de dados reais da marcha humana: caminhada normal e subida de escada, para estimar a trajetória de erro do manipulador. As análises estatísticas dos algoritmos com dezesseis experimentos foram satisfatórias e a adição do pré-compensador fuzzy ao PID convencional resultou em uma redução do erro quadrático médio de uma das juntas do manipulador em até oitenta e três por cento em relação ao PID convencional, além da melhora na suavização do torque com os resultados multiobjetivos. O desenvolvimento de um co-projeto hardware-software para o modelo FP-PID do exoesqueleto também é foco, sendo implementado o sistema em um sistema em chip (SoC) baseado em Field Programmable Gate Array (FPGA), onde a planta e controlador PID são executados em software e o pré-compensador em hardware. O resultado mostra que a malha de controle permite manter o tempo de resposta dentro da faixa esperada da aplicação.-
Descrição: dc.descriptionRobotic manipulators are multiple-input multiple-output (MIMO) systems with several points of nonlinearity affected by numerous uncertainties and disturbances. Proportional Integral-Derivative (PID) controllers are widely used in industry for kinematic and dynamic control, however, when applied to MIMO systems, they are not easy to tune and require per formance improvements. In this work, a PID controller with fuzzy pre-compensator (FP-PID) is proposed, tuned by the particle swarm optimization (PSO) algorithm, as well as the multi objective optimization algorithms Non-dominated Sorting Genetic Algorithm II (NSGA-II) and Multi-Objective Differential Evolution (MODE), for a two-degree-of-freedom (2-DOF) robotic manipulator representing an exoskeleton. To validate the system, two real datasets of human gait were used: normal walking and stair climbing, to estimate the manipulator error trajectory. The statistical analyses of the algorithms with sixteen experiments were satisfactory and the addition of the fuzzy pre-compensator to the conventional PID resulted in a reduction of the mean square error of one of the manipulator joints by up to eighty-three percent compared to the conventional PID, as well as an improvement in torque smoothing with multi-objective results. The development of a hardware-software co-design for the FP-PID model of the exoskeleton is also a focus, with the system being implemented on a Field Programmable Gate Array (FPGA) based system-on-chip (SoC), where the plant and PID controller are executed in software and the pre-compensator in hardware. The result shows that the control loop allows maintaining the response time within the expected range of the application.-
Descrição: dc.descriptionFaculdade de Tecnologia (FT)-
Descrição: dc.descriptionDepartamento de Engenharia Mecânica (FT ENM)-
Descrição: dc.descriptionPrograma de Pós-Graduação em Sistemas Mecatrônicos-
Formato: dc.formatapplication/pdf-
Idioma: dc.languagept_BR-
Direitos: dc.rightsAcesso Aberto-
Palavras-chave: dc.subjectSistemas difusos-
Palavras-chave: dc.subjectSistemas de controle-
Palavras-chave: dc.subjectControladores-
Título: dc.titleProjeto de um controlador fuzzy PID em hardware embarcado para um exoesqueleto de membro inferior-
Tipo de arquivo: dc.typelivro digital-
Aparece nas coleções:Repositório Institucional – UNB

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