Control de un péndulo invertido mediante FPGA

Mate Castro, Óscar (2017). Control de un péndulo invertido mediante FPGA. Proyecto Fin de Carrera / Trabajo Fin de Grado, E.T.S.I. Industriales (UPM), Madrid.

Descripción

Título: Control de un péndulo invertido mediante FPGA
Autor/es:
  • Mate Castro, Óscar
Director/es:
  • Torre Arnanz, Eduardo de la
  • Otero Marnotes, José Andrés
Tipo de Documento: Proyecto Fin de Carrera/Grado
Grado: Grado en Ingeniería en Tecnologías Industriales
Fecha: Septiembre 2017
Materias:
Palabras Clave Informales: Péndulo invertido, FPGA, bloque IP, Hardware
Escuela: E.T.S.I. Industriales (UPM)
Departamento: Automática, Ingeniería Eléctrica y Electrónica e Informática Industrial
Licencias Creative Commons: Reconocimiento - Sin obra derivada - No comercial

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Resumen

El presente Trabajo Fin de Grado (TFG) aborda el diseño y construcción de un péndulo invertido lineal sobre carro guiado, así como el desarrollo del sistema de control correspondiente basado en hardware (HW). Este proyecto surge en un contexto de gran desarrollo de los sistemas basados en HW como respuesta a la demanda de plataformas más rápidas y robustas a la vez que más económicas, características cada vez más difíciles de satisfacer con sistemas basados en software (SW) debido al impedimento de aumentar la frecuencia y a su incapacidad de realizar varios procesos en paralelo. A dicho desarrollo contribuye en gran parte el grupo de sistemas reconfigurables y FPGAs (“Field Programmable Gate Arrays”) del Centro de Electrónica Industrial (CEI) de la Escuela Técnica Superior de Ingenieros Industriales (ETSII) de la Universidad Politécnica de Madrid (UPM) con líneas de investigación como procesamiento de imágenes y cómputo algorítmico en sistemas basados en HW. Es dentro de este grupo donde se ha realizado este TFG con el objetivo de desarrollar un sistema compuesto de HW y SW para el control de un sistema físico de características avanzadas como es un péndulo invertido lineal sobre carro guiado. Un péndulo invertido es un sistema mecánico compuesto por un brazo rígido orientado hacia arriba con una rótula en uno de sus extremos que le permite rotar libremente. Se trata, por tanto, de un sistema subactuado intrínsecamente inestable ampliamente utilizado para poner a prueba distintos algoritmos de control. Las aplicaciones de este dispositivo son muy variadas, abarcando desde el ámbito aeroespacial en la fase de lanzamiento de los cohetes hasta el ámbito comercial con el control de los vehículos de dos ruedas con autobalanceo comúnmente conocidos como “Segways”. La plataforma HW utilizada es la PYNQ-Z1 de Digilent Inc., basada en la FPGA ZYNQ Zx7Z020-1CLG400C de Xilinx®. Con una arquitectura APSoc (“All Programmable Systems on Chip”), este dispositivo combina la escalabilidad de los sistemas HW con el rendimiento y la facilidad de uso de los sistemas SW. Para la configuración del mismo se ha utilizado la herramienta de diseño HW de alto nivel Vivado 2016.3 de la misma compañía Xilinx®, junto con el entorno de programación SW llamado SDK (“Software Development Kit”). Para la construcción del péndulo invertido lineal sobre carro guiado se llevó a cabo una fase previa de diseño del sistema físico mediante la herramienta CAD (“Computer Aided Design”) Solid Edge ST8 de Siemens AG. El sistema físico resultante está compuesto por un conjunto de nueve componentes distintos presentes en el mercado y un total de diez elementos diferentes de diseño propio fabricados en plástico PLA en la impresora 3D BQ Witbox del Centro de Electrónica Industrial (CEI) de la ETSII con ayuda del software de impresión 3D Cura. En cuanto a la parte HW del sistema de control se ha realizado un diseño por bloques o IPs (“Intellectual Properties”) tanto de diseño propio como del propio catálogo de Xilinx®. Entre las de diseño propio se encuentran los de acondicionamiento de las señales de salida de los distintos sensores del sistema físico, así como los de generación de las señales necesarias para el control del sistema motriz a través de una tarjeta controladora. Por otro lado, los del catálogo de Xilinx® permiten la comunicación entre la parte basada en HW y la basada en SW de la plataforma utilizada mediante el protocolo AXI (“Advanced eXtensible Interface”) de la empresa ARM® y la monitorización de las distintas señales presentes en el diseño, así como la generación de una base de tiempos. En el algoritmo software se han incluido distintas funcionalidades, entre las que destacan la generación de una rampa para la secuencia de arranque del sistema motriz o la implementación de un regulador PID (“Proportional-Integral-Derivative”) para el control de la posición angular del péndulo invertido mediante el desplazamiento de la plataforma móvil sobre las guías del sistema físico haciendo uso de la base de tiempos generada en el correspondiente IP del diseño HW. Este TFG continúa con la línea investigadora de sistemas basados en HW del CEI, en este caso aplicándolos al control de un sistema físico funcional, y contribuye al desarrollo de sistemas basados en HW, actualmente en auge por sus ventajas de procesamiento paralelo, altas frecuencias de reloj y la posibilidad de implementar arquitecturas dinámicamente reconfigurables. Tras la finalización del presente proyecto se concluye que se han alcanzado satisfactoriamente los objetivos previamente establecidos, entre los que destacan la utilización de una herramienta de diseño HW de alto nivel, el diseño y la construcción de un sistema físico funcional, el acondicionamiento y generación de señales físicas vía HW y la implementación de un regulador PID vía SW. Todos estos logros han contribuido al objetivo principal de control de un péndulo invertido lineal sobre carro guiado. En cuanto a los trabajos futuros se plantean entre otros la implementación y análisis de otro tipo de reguladores o un estudio de la robustez de distintos sistemas de control, así como la implementación de una solución basada en la reconfiguración dinámica de los sistemas HW.

Más información

ID de Registro: 48056
Identificador DC: http://oa.upm.es/48056/
Identificador OAI: oai:oa.upm.es:48056
Depositado por: Biblioteca ETSI Industriales
Depositado el: 10 Oct 2017 06:30
Ultima Modificación: 10 Oct 2017 06:30
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