We present a suite of algorithms and tools for model-predictive control of sensor/actuator systems with embedded microcontroller units (MCU). These MCUs can be colocated with sensors and actuators, thereby enabling a new class of smart composites capable of autonomous behavior that does not require an external computer. In this approach, kinematics are learned using a neural network model from offline data and compiled into MCU code using nn4mc, an open-source tool. Online Newton-Raphson optimization solves for the control input. Shallow neural network models applied to 1D sensor signals allow for reduced model sizes and increased control loop frequencies. We validate this approach on a simulated mass-spring-damper system and two experimental setups with different sensing, actuation, and computational hardware: a tendon-based platform with embedded optical lace sensors and a HASEL-based platform with magnetic sensors. Experimental results indicate effective high-bandwidth tracking of reference paths (120 Hz and higher) with a small memory footprint (less than or equal to 6.4% of available flash). The measured path following error does not exceed 2 mm in the tendon-based platform, and the predicted path following error does not exceed 1 mm in the HASEL-based platform. This controller code's mean power consumption in an ARM Cortex-M4 computer is 45.4 mW. This control approach is also compatible with Tensorflow Lite models and equivalent compilers. Embedded intelligence in composite materials enables a new class of composites that infuse intelligence into structures and systems, making them capable of responding to environmental stimuli using their proprioception.


翻译:我们展示了一组算法和工具,用于对内嵌微控制器(MCU)的传感器/触动器系统进行模型预测性控制。这些 MCTU可以与传感器和导动器合用同一地点,从而能够产生新一代智能合成,能够自主行为,不需要外部计算机。在这种方法中,通过使用离线数据的神经网络模型来学习运动数学,并使用开放源工具,即 nn4mc(开放源码),将一个基于神经网络的模型汇编成 MCU 代码。在线牛顿-拉夫森优化解决方案用于控制输入。对1D传感器信号应用的浅线性神经网络模型可以降低模型的模型尺寸,并增加控制循环频率。我们验证了这一方法,在模拟的大规模喷气放大装置系统中,以及两个实验性设置了不同的感测、感知和计算硬件:一个带有内嵌光带式光谱带传感器的圆柱形平台,一个基于磁感传感器的HOSEL平台。实验结果显示,对参考路径(120 Hz 和以上)的有效高频跟踪(120 Hz ) 和高频跟踪,其小内存储的内存储记录(低于或等于4.4%的等等等等等等等量的模型,在1级智能流的智能智能流,在1级的智能智能智能智能中,在1号轨道上运行轨道中,在1号轨道中,在可测路路路路路中,在1号) 。测量不到。测量路路中,在1号轨道中,在可测路路中,在1号。

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