Síntesis automática de controladores difusos empotrados sobe fpgas

Résumé

La capacidad de la lógica fuzzy para modelar el comportamiento de sistemas complejos, así como para describir estrategias de control basadas en reglas similares a las empleadas en el lenguaje natural, ha motivado su empleo en numerosas aplicaciones relacionadas con la automatización industrial, la robótica y otros campos de la ingeniería [1]. Las primeras realizaciones de sistemas de inferencia difusos se realizaron mediante software ejecutado en procesadores de propósito general. Posteriormente, en la década de los 90, se desarrollaron una serie de `coprocesadores difusos¿ cuyo objetivo era acelerar las operaciones necesarias para llevar a cabo el proceso de inferencia. Sin embargo, las restricciones de velocidad, tamaño y consumo de potencia impuestas por muchas aplicaciones exigen la implementación hardware de los sistemas difusos mediante ASIC o FPGAs [2]. Junto a los métodos convencionales basados en lenguajes de descripción de hardware, para abordar el diseño de estos sistemas recientemente han surgido diferentes alternativas que aprovechan las herramientas incluidas en el entorno Matlab/Simulink para aplicar metodologías de diseño basada en modelos. Sin embargo, actualmente siguen existiendo muy pocos entornos de diseño que sean capaces de automatizar la implementación hardware eficiente de un sistema de inferencia difuso a partir de su descripción a alto nivel. La disponibilidad de este tipo de herramientas resulta sin embargo clave, tanto para manejar los niveles de complejidad que demandan las actuales aplicaciones de controladores difusos, como para garantizar los tiempos de desarrollo impuestos por el mercado microelectrónico. De acuerdo con las consideraciones anteriores, el objetivo de esta Tesis se centra en el desarrollo de elementos de circuito, técnicas de diseño y herramientas de CAD para facilitar la síntesis hardware de sistemas de control difusos sobre FPGAs. Para la consecución de este objetivo se han desarrollado dos estrategias de diseño que comparten una arquitectura eficiente para la implementación hardware de sistemas difusos mediante técnicas de diseño digitales y cuyos elementos funcionales básicos han sido incluidos en librerías de bloques parametrizados que contemplan diferentes opciones de implementación. La primera de estas estrategias facilita la síntesis de sistemas difusos mediante la generación de código VHDL estándar que puede ser implementado sobre FPGAs o ASICs [3]. La segunda se apoya en el entorno Matlab/Simulink y las herramientas de desarrollo de sistemas de procesado digital de señal sobre FPGAs de Xilinx [4]. Con el objetivo de automatizar los flujos de diseño correspondientes a ambas estrategias se han incorporado dos nuevas herramientas de síntesis hardware al entorno de desarrollo de sistemas difusos Xfuzzy [5]. Las ventajas de las herramientas y técnicas de diseño propuestas han quedado demostradas mediante su aplicación a diversos casos prácticos de control [6], [7]. Los resultados obtenidos en esta Tesis ponen de manifiesto que el tiempo de desarrollo de un sistema difuso es altamente reducido mediante el uso de potentes herramientas de CAD que aceleren las distintas etapas de diseño a nivel de comportamiento, y el empleo de lenguajes de descripción de hardware, como VHDL, y herramientas de diseño, como SysGen, que actúen como enlace con las herramientas de síntesis e implementación de FPGAs. [1] Precup, R.E., and Helledoorn, H., ¿A survey on industrial applications of fuzzy control¿, Computers in Industry, vol.62, n.3, pp.213-226, 2011 [2] Zavala, A.H., and Nieto, O.C., ¿Fuzzy hardware: A retrospective and analysis¿, IEEE Transactions on Fuzzy Systems, vol.20, n.4, pp.623-635, 2012 [3] Brox, M., Sánchez-Solano, S., Delgado, L., ¿XFVHDL4: A hardware synthesis tool for fuzzy systems¿, Proceedings of 11th International Conference on Intelligent Systems and Applications, pp.985-390, 2011 [4] Sánchez-Solano, S., del Toro, E., Brox, M., Baturone, I., Barriga, A., ¿A design environment for synthesis of embedded fuzzy controllers on FPGAs¿, Proceedings of 2010 IEEE International Conference on Fuzzy Systems, pp.1-8, 2010 [5] Brox, M., Sánchez-Solano, S., del Toro, E., Brox, P., and Moreno-Velo, F.J., ¿CAD Tools for Hardware of Embedded Fuzzy Systems on FPGAs¿, IEEE Transactions on Industrial Informatics, vol.9, n.3., pp.1635-1644, 2013 [6] Sánchez-Solano, S., Cabrera, A.J., Baturone, I., Moreno-Velo, F.J., and Brox, M., ¿FPGA Implementation of Embedded Fuzzy Controllers for Robotic Applications¿, IEEE Transactions on Industrial Electronics, vol. 54, n. 4, pp. 1937¿1945, 2007 [7] Sánchez-Solano, S., Brox, M., del Toro, E., Brox, P., and Baturone, I., ¿Model-Based Design Methodology for Rapid Development of Fuzzy Controllers on FPGAs¿, IEEE Transactions on Industrial Informatics, vol.9, n.3., pp.1361-1370, 2013