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

Abstract

Os 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.