A Survey on FPGA-Based Sensor Systems: Towards Intelligent and Reconfigurable Low-Power Sensors for Computer Vision, Control and Signal Processing

The current trend in the evolution of sensor systems seeks ways to provide more accuracy and resolution, while at the same time decreasing the size and power consumption. The use of Field Programmable Gate Arrays (FPGAs) provides specific reprogrammable hardware technology that can be properly exploited to obtain a reconfigurable sensor system. This adaptation capability enables the implementation of complex applications using the partial reconfigurability at a very low-power consumption. For highly demanding tasks FPGAs have been favored due to the high efficiency provided by their architectural flexibility (parallelism, on-chip memory, etc.), reconfigurability and superb performance in the development of algorithms. FPGAs have improved the performance of sensor systems and have triggered a clear increase in their use in new fields of application. A new generation of smarter, reconfigurable and lower power consumption sensors is being developed in Spain based on FPGAs. In this paper, a review of these developments is presented, describing as well the FPGA technologies employed by the different research groups and providing an overview of future research within this field.The research leading to these results has received funding from the Spanish Government and European FEDER funds (DPI2012-32390), the Valencia Regional Government (PROMETEO/2013/085) and the University of Alicante (GRE12-17)

Control visual dinámico basado en FPGA de un robot manipulador de 6 grados de libertad

[Resumen] En este artículo se describe la formulación, implementación y experimentación de un sistema de control visual dinámico aplicado a un robot de 6 grados de libertad. Se propone una arquitectura hardware basada en FPGAs para la implementación de los controladores. Con el objetivo de limitar la latencia del controlador se ha implementado en la FPGA no sólo el controlador sino también la captura y procesamiento de la información visual. Se hace uso de las capacidades de procesamiento paralelo de la FPGA para optimizar los diferentes componentes del sistema de control visual propuesto. Finaliza el artículo con los resultados experimentales obtenidos en tareas de posicionamiento de un robot Mitsubishi PA10 de 6 grados de libertad.Este trabajo ha sido financiado por el Ministerio de Economía y competitividad mediante el proyecto DPI2015-68087-Rhttps://doi.org/10.17979/spudc.978849749808

Coordinación transversal de asignaturas de control y robótica en asignaturas del Máster Universitario en Automática y Robótica

En la presente memoria se describe la red docente creada con el objetivo de llevar a cabo la coordinación docente entre distintas asignaturas del Máster Universitario en Automática y Robótica de la Universidad de Alicante. Se han creado grupos de trabajo con el propósito de coordinar la docencia teórico/práctica de asignaturas de dicho Máster para dar continuidad en la materia impartida. En concreto, se ha coordinado la docencia de las asignaturas relacionadas con distintos ámbitos de las materias de robótica y sistemas de control automático. Se han diseñado también trabajos prácticos y proyectos coordinados entre las distintas asignaturas empleando laboratorios virtuales desarrollados por el profesorado del Máster. A lo largo de la presente memoria se presentan los principales resultados obtenidos, guías docentes elaboradas, así como el procedimiento para su elaboración y las dificultades encontradas

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

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

FPGA-based architecture for direct visual control robotic systems

This paper describes a whole new framework to quickly develop dynamic visual servoing systems embedded in an FPGA. Parallel design of algorithms increases the precision of this kind of controller, while minimizing the response time. Additionally, a control framework to dynamically visual control robot arms is proposed. The direct image-based visual controllers derived from the framework allow for tracking trajectories obtaining different dynamic behaviors depending on a weighting matrix. A new method to compensate the chaos behavior of this kind of system is also included in the proposed framework. To exemplify the feasibility of the FPGA-based proposed framework, and to demonstrate the effects of the metrics, some of the derived controllers are evaluated during the tracking of image trajectories.This research is supported by the Spanish Ministry of Economy, the European FEDER funds, the Valencia Regional Government and the University of Alicante through the research projects DPI2015- 68087-R, PROMETEO/2013/085 and GRE12-17

FPGA-based visual control system using dynamic perceptibility

This paper presents an embedded architecture based on field programmable gate arrays technology to implement direct visual controllers. These controllers directly generate the joint torques to perform visual servoing tasks taking into account the robot dynamics. Additionally, the concept of dynamic perceptibility, which provides information about the system capability to track objects using direct visual servoing, is defined. This concept is integrated in the proposed controllers and implemented in the embedded architecture for robot and image singularity avoidance. To do this, the paper presents an optimal control framework for direct visual servoing robots which integrates the concept of dynamic perceptibility. This paper presents the formulation of the optimal framework and details the implementation of one of the derived controllers in the FPGA-based architecture. In order to evaluate the proposed architecture, the FPGA architecture is applied to two different robots. The first one is the industrial robot Mitsubishi PA10 with 7 degrees of freedom and the second one is a 4 degrees of freedom robot designed by the authors. Additionally, different experiments are described to show the system behavior when a trajectory close to a singularity is obtained.Research supported by the research projectsDPI2012-32390, DPI2015-68087-R, PROMETEO/2013/085 and GRE12-17

Diseño de un sistema de autoevaluación de la calidad docente aplicado al Máster Universitario en Automática y Robótica

En esta red se trabaja en la aplicación al Máster Universitario en Automática y Robótica del sistema de garantía de calidad de la Escuela Politécnica Superior. Asimismo, se trabaja en la definición de sistemas para la evaluación de la calidad propios del máster y en coordinación con los definidos en la Escuela Politécnica. Estos aspectos se recogieron en el plan de acciones de mejora definidos en el Máster para el presente curso. En dicho plan se apreció una carencia significativa en lo relacionado con la recogida y análisis de información por parte de algunos colectivos involucrados como egresados, profesores y empleadores. Así, la red docente que se describe en la presente memoria trata de solucionar esta carencia definiendo los métodos de recogida y análisis de información relacionada con el Máster, así como establecer nuevas acciones de mejora en base a dicha información