Arquitectura embebida en FPGA para control visual dinámico basado en imagen de robots manipuladores

Resumen

En esta Tesis Doctoral se presenta una arquitectura para el control visual de robots manipuladores embebida en FPGA. El objetivo fundamental de esta arquitectura es obtener una plataforma hardware y software en la que implementar controladores visuales dinámicos. Además, en la Tesis se presentan distintas contribuciones entre las que se encuentra tanto la propia arquitectura como los distintos controladores implementados y las optimizaciones de los mismos. La mayoría de los sistemas de control visual basados en imagen implementados hasta la actualidad son controladores visuales indirectos en los que la acción de control está formada por las velocidades articulares o en el espacio de la tarea a aplicar al robot para conseguir su posicionado respecto a un objeto observado. El control directo de los motores de cada articulación del robot se deja en este caso en manos del controlador interno del robot, que traducirá esas velocidades en pares articulares. En esta Tesis se trata fundamentalmente el caso de sistemas de control visual directo basados en imagen para el seguimiento de trayectorias. En este caso, la acción de control es ya directamente un vector de pares articulares, con el propósito de seguir una trayectoria previamente especificada en el espacio de la imagen. Un aspecto fundamental a la hora de mejorar el desempeño de este tipo de controladores es reducir su latencia y, para abordar este objetivo, se ha realizado el diseño, construcción, implementación y programación de la arquitectura hardware y software necesaria para dar soporte a los controladores propuestos. En la Tesis se describe en detalle una arquitectura embebida reconfigurable para el control visual dinámico de robots manipuladores basada en FPGA. Esta arquitectura puede ser fácilmente adaptada para el control de cualquier robot articular sin más que modificar ciertos módulos dependientes del hardware. La arquitectura propuesta es modular y flexible para poder adaptarse a posibles cambios que puedan producirse como consecuencia de la incorporación o modificación del driver de control, o incluso a cambios en la configuración del sistema de adquisición de datos o su control. Se ha prestado especial atención a la optimización e implementación paralela en la FPGA tanto de los controladores como los sistemas de visión artificial utilizados en la realimentación del bucle de control. Se ha optimizado cada uno de los cálculos necesarios para implementar un sistema de control visual directo basado en imagen. Se ha estudiado su paralelización y su implementación basada en FPGA Además, respecto a los sistemas de visión artificial, se propone el diseño de un cauce segmentado, que permite ejecutar en tiempo real el flujo de datos proporcionado por el digitalizador. De esta manera, la FPGA realiza el procesamiento tal como van llegando los píxeles para segmentar la imagen y etiquetar los objetos de la escena para posteriormente obtener su centroide que constituirán las características visuales empleadas por los controladores visuales directos propuestos. En estos grandes rasgos se encuadra la Tesis Doctoral, sin embargo, no sólo se ha pretendido aportar nuevos algoritmos para evitar las limitaciones de los existentes, sino que se ha evaluado el impacto de los mismos para su implantación en entornos reales. Así, se ha realizado la implementación de los distintos controladores empleando la arquitectura software y hardware propuesta para el control de dos robots. Un robot industrial comercial de 7 grados de libertad: Mitsubishi PA10, y otro robot de 3 grados de libertad cuyo diseño e implementación se ha realizado en el grupo de investigación en el que se ha desarrollado la Tesis.