We present formulation and open-source tools to achieve in-material model predictive control of sensor/actuator systems using learned forward kinematics and on-device computation. Microcontroller units (MCUs) that compute the prediction and control task while colocated with the sensors and actuators enable in-material untethered behaviors. In this approach, small parameter size neural network models learn forward kinematics offline. Our open-source compiler, nn4mc, generates code to offload these predictions onto MCUs. A Newton-Raphson solver then computes the control input in real time. We first benchmark this nonlinear control approach against a PID controller on a mass-spring-damper simulation. We then study experimental results on two experimental rigs with different sensing, actuation and computational hardware: a tendon-based platform with embedded LightLace sensors and a HASEL-based platform with magnetic sensors. Experimental results indicate effective high-bandwidth tracking of reference paths (greater than or equal to 120 Hz) with a small memory footprint (less than or equal to 6.4% of flash memory). The measured path following error does not exceed 2mm in the tendon-based platform. The simulated path following error does not exceed 1mm in the HASEL-based platform. The mean power consumption of this approach in an ARM Cortex-M4f device is 45.4 mW. This control approach is also compatible with Tensorflow Lite models and equivalent on-device code. In-material intelligence enables a new class of composites that infuse autonomy into structures and systems with refined artificial proprioception.


翻译:我们展示了配制和开源工具,以便利用已学的远方运动动脉学和机床计算,实现传感器/动能系统在物质模型中的预测控制。微控制器单位(MCUs),在与传感器和导动器合用同一地点的同时,对预测和控制任务进行计算,从而可以使在物质中发生非交错的行为。在这个方法中,小型参数大小神经网络模型可以从线外学习远向运动信息。我们的开源汇编器(nn4mc)生成代码,将这些预测从中卸载到 MCUs。一个牛顿-Raphson 解算器,然后在实时计算控制输入控制输入。我们首先将这种非线性控制法方法与使用PID控制器进行对比,而同时在大spring-amper 模拟中,我们先在两个实验设备上研究实验结果:一个带有嵌入式 LightLace 传感器和基于磁感应器的 HASELL 的平台。实验结果表明,在级流中,在级流中,一个小存储路路路段的流不会超过Slal-rmal 。

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