Implementação em FPGA de estratégias de controle preditivo para um quadrirrotor

Detalhes bibliográficos
Autor(a) principal: Farias, Alceu Bernardes Castanheira de
Data de Publicação: 2019
Tipo de documento: Dissertação
Idioma: por
Título da fonte: Repositório Institucional da UnB
Texto Completo: http://repositorio.unb.br/handle/10482/35581
Resumo: Dissertação (mestrado)—Universidade de Brasília, Faculdade de Tecnologia, Departamento de Engenharia Mecânica, 2019.
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spelling Implementação em FPGA de estratégias de controle preditivo para um quadrirrotorSistema de controleControle preditivo baseado em modelo (MPC)Veículos aéreos não tripulados (VANTs)Arquitetura de hardwareDissertação (mestrado)—Universidade de Brasília, Faculdade de Tecnologia, Departamento de Engenharia Mecânica, 2019.Uma das técnicas de controle que mais impactou tanto a indústria quanto a academia nos últimos anos foi a estratégia de controle conhecida como Controle Preditivo baseado em Modelo (MPC). A principal razão para o interesse nesse tipo de controlador é o fato de o mesmo ser capaz de controlar um sistema respeitando as restrições que são impostas ao mesmo, independente da natureza delas (normas de segurança, faixa de operação dos atuadores, normas de qualidade de um produto, etc.), ao mesmo tempo que encontra uma solução ótima que satisfaz os objetivos de controle desejados. Entretanto, o MPC possui uma grande desvantagem: seu elevado custo computacional. Isso limita a implementação do MPC a sistemas de dinâmicas mais lentas, o que tem levado a um aumento no estudo de técnicas de otimização e no desenvolvimento de sistemas mais rápidos e com mais recursos, capazes de acelerar o MPC para aplicá-lo a sistemas de dinâmicas mais rápidas. Neste cenário, este trabalho apresenta o desenvolvimento de uma arquitetura em hardware do MPC, utilizando FPGA (do inglês, Field Programmable Gate Array) para sua implementação. Este tipo de dispositivo reconfigurável tem ganho notoriedade na literatura por permitir a aceleração de algoritmos, por meio da paralelização dos mesmos ao implementá-los diretamente em hardware. A aplicação escolhida para este trabalho consiste em um Veículo Aéreo Não Tripulado (VANT) quadrirrotor, um tipo de sistema amplamente utilizado em diversas áreas e muito estudado na atualidade, já que é considerado um problema de controle desafiador para a aplicação do controlador MPC, devido às dimensões do seu modelo e suas dinâmicas rápidas, que também são acopladas e inerentemente instáveis. Neste trabalho, são apresentados resultados referentes à implementação do MPC sem aplicação de restrições e com aplicação de restrições implementados em FPGA, com o objetivo de rastrear trajetórias pré-definidas para o quadrirrotor. Todos os algoritmos são desenvolvidos manualmente e implementados utilizando artimética em ponto flutuante. Os resultados mostram que o MPC sem restrições consome menos recursos de hardware do que a solução com restrições, mas não é capaz de lidar com cenários nos quais restrições não podem ser violadas. Por outro lado, O MPC com restrições respeita essas restrições, ao custo de um consumo de hardware maior. Por conta da sua complexidade, o MPC com restrições também exige maior precisão em ponto flutuante, de forma que os melhores resultados foram alcançados utilizando tamanho de dados de 32 bits em ponto flutuante.Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES).One of the most impactful control techniques both in industry and academia through the last years is the control strategy known as Model Predictive Control (MPC). The main reason for such interest on this type of controller is due to the fact that it is capable of controlling a system while handling constraints imposed to it, regardless of the nature of such constraints (security, operation range of the actuators, quality norms of a product, etc.), while still finding an optimal solution that satisfies the desired control objectives. However, MPC has a major drawback: its elevated computational cost. This limits MPC implementation to systems with slower dynamics, which has lead to an increase of studies regarding new optimization techniques and the development of faster and more resourceful systems, capable of accelerating MPC in order to apply it to systems with faster dynamics. Regarding this scenario, this work presents the development of a hardware architecture for MPC, using FPGA (Field Programmable Gate Array) for its implementation. This type of reconfigurable device has gained notoriety in literature for allowing the speedup of embedded algorithms, by parallelising and implementing them directly in hardware. The chosen application for this work consists of a quadrotor Unmanned Aerial Vehicle (UAV), a type of system that has been widely used today in many fields of application and vastly studied, as it is considered a challenging control problem for MPC, due to the dimensions of its model and fast dynamics, which are also coupled and inherently unstable. In this work, results regarding both unconstrained MPC and constrained MPC implemented using FPGA are presented, with the goal of tracking predefined trajectories for the quadrotor. All control algorithms were developed manually and using floating point arithmetic. The results obtained show that unconstrained MPC consumes less hardware resources than the constrained solution, but it is not capable of handling scenarios in which constraints must not be violated. On the other hand, constrained MPC is capable of handling these constraints, at the cost of a higher hardware consumption. Due to its complexity, constrained MPC also demands a higher floating point precision, so that the best results were obtained using a 32 bits data width in floating point.Pinto, André Murilo de AlmeidaLopes, Renato VilelaFarias, Alceu Bernardes Castanheira de2019-10-16T19:06:35Z2019-10-16T19:06:35Z2019-10-162019-03-29info:eu-repo/semantics/publishedVersioninfo:eu-repo/semantics/masterThesisapplication/pdfFARIAS, Alceu Bernardes Castanheira de. Implementação em FPGA de estratégias de controle preditivo para um quadrirrotor. 2019. 120 f., il. Dissertação (Mestrado em Sistemas Mecatrônicos)—Universidade de Brasília, Brasília, 2019.http://repositorio.unb.br/handle/10482/35581A concessão da licença deste item refere-se ao termo de autorização impresso assinado pelo autor com as seguintes condições: Na qualidade de titular dos direitos de autor da publicação, autorizo a Universidade de Brasília e o IBICT a disponibilizar por meio dos sites www.bce.unb.br, www.ibict.br, http://hercules.vtls.com/cgi-bin/ndltd/chameleon?lng=pt&skin=ndltd sem ressarcimento dos direitos autorais, de acordo com a Lei nº 9610/98, o texto integral da obra disponibilizada, conforme permissões assinaladas, para fins de leitura, impressão e/ou download, a título de divulgação da produção científica brasileira, a partir desta data.info:eu-repo/semantics/openAccessporreponame:Repositório Institucional da UnBinstname:Universidade de Brasília (UnB)instacron:UNB2023-07-13T20:17:24Zoai:repositorio.unb.br:10482/35581Repositório InstitucionalPUBhttps://repositorio.unb.br/oai/requestrepositorio@unb.bropendoar:2023-07-13T20:17:24Repositório Institucional da UnB - Universidade de Brasília (UnB)false
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