IMPLEMENTACIÓN DE UNA MEMORIA ASOCIATIVA EN FPGA PARA EL
CONTROL DE UN ROBOT MÓVIL
J. C. Vanegas
*, O. D. Molina
*, A. Delgado
+Departamento de Ingenierías Eléctrica y Electrónica
Universidad Nacional de Colombia, sede Bogotá
*
Estudiantes Ing. Electrónica,
+Profesor Asociado
(jcvanegasa, odmolinag, adelgado)@ieee.org
RESUMEN
En aplicaciones que requieren la comparación de un gran número de variables respecto a ciertos patrones, resulta de gran ayuda la utilización de sistemas con procesamiento paralelo. En este artículo se ha utilizado una arquitectura en paralelo, chip de ADN y memoria asociativa, aplicada a un sistema digital implementada en una FPGA para la validación de un conjunto de instrucciones que controlan un robot móvil con capacidad de evitar obstáculos.
1. INTRODUCCIÓN
La tendencia por aplicar conceptos propios de la biología a la solución de problemas en ingeniería utilizando herramientas de software y hardware ha permitido la creación y desarrollo de técnicas novedosas [1]. Una de estas técnicas es la hibridación propia de la cadena de ADN y la identificación de bloques comparados de igual estructura entre una muestra patrón y un conjunto de muestras analizables. La emulación de este concepto biológico en un sistema digital permite implementar lo que se conoce como memorias asociativas que intenta aproximarse al comportamiento cerebral en términos de la identificación de un agente externo. La apropiación de la técnica de análisis y la característica de funcionamiento en paralelo propia de las cadenas de ADN, sumado a la identificación por contenido de las memorias asociativas ha permitido el diseño e implementación de una arquitectura digital enfocada al control de un robot móvil. El presente documento se divide en tres secciones. La primera propone un acercamiento sencillo y discreto al funcionamiento de las cadenas de ADN y su emulación digital como chip de ADN para explorar someramente la arquitectura de las memorias asociativas y su lectura por contenido. En la segunda sección se presenta el diseño mecánico y eléctrico de la arquitectura y control propuestos para un robot móvil de baja escala. La tercera sección ilustra las simulaciones hechas a la síntesis
programada, el resultado final obtenido y algunas conclusiones.
2. CHIP DE ADN Y MEMORIAS ASOCIATIVAS
El concepto de chip de ADN proviene de la apropiación del estudio que en biología se hace a las cadenas de ADN, las cuales se encuentran al interior de las células en los seres vivos y se componen por la unión de dos cadenas sencillas que se complementan entre sí y forman una estructura helicoidal. Cada cadena sencilla se forma a partir de la concatenación de pequeñas estructuras denominadas nucleótidos, formadas a su vez por tres componentes, azúcar, fosfato y base. Los nucleótidos reciben nombres particulares de acuerdo a la base que los compone. Existen dos tipos de bases, purinas y pirinidinas. Las primeras se conocen como adenina (a) y timina (t), mientras que las segundas se denominan guanina (g) y citosina (c). De acuerdo a un criterio conocido como
principio de Watson y Crick, existen dos formas
complementarias en las cuales se presentan estas bases y que dan lugar a la helicoidal de ADN, a saber: adenina-timina y guanina-citosina, ver figura 1. Cuando dos cadenas sencillas complementarias de ADN se encuentran, forman de manera natural una hélice. Este proceso se denomina hibridación y es el principio que se explota en los chips de ADN.
Un chip de ADN es una lámina de vidrio donde se adhieren cadenas sencillas de ADN con distintas secuencias o cadenas de prueba, ver figura 2. Aparte, y sobre otras cadenas sencillas llamadas cadenas objetivo se realizan marcas fluorescentes. El procedimiento es hacer pasar cada cadena objetivo por el chip y luego de algunos minutos lavarlo. Con esto quedan visibles puntos fluorescentes donde ocurrió la hibridación y de esta forma se conocen las secuencias presentes en las cadenas objetivo. La hibridación es un proceso paralelo y se pueden examinar miles de cadenas en un sólo ensayo.
Fig 1. Cadena doble de ADN formada por dos cadenas sencillas complementarias.
Fig. 2. Chip de ADN, note la marca realizada a la cadena objetivo
Fig 3. Esquema básico del chip de ADN.
Realizando una emulación del comportamiento de las cadenas de ADN se ha logrado utilizar la técnica de chip de ADN en aplicaciones electrónicas. En términos de un sistema digital, la comparación entre una palabra binaria de entrada y una palabra binaria de referencia o patrón se puede realizar a través de la función lógica XOR, como muestra la figura 3.
Cuando la entrada y el patrón son complementarios la palabra de salida no es otra cosa que una sucesión de unos lógicos. Evaluando cada uno de los bits que forman la palabra de salida en una función lógica AND se obtiene finalmente una bandera lógica que determina la existencia o no de complemento, esto es, hibridación entre la palabra de entrada y la palabra de referencia [2].
Además de esta técnica de diseño, existen las llamadas memorias asociativas, aplicación digital basada en el concepto cognoscitivo de asociación propio del cerebro humano. En una memoria digital convencional, el contenido es almacenado y posteriormente recuperado a través de una posición o dirección de entrada. A diferencia de este procedimiento, las memorias asociativas utilizan contenidos; esto es, dada una palabra de entrada, la salida de la memoria será un contenido asociado a ésta independiente de la posición que ocupe [3]. Claramente, disponer a la salida de un contenido relacionado con la entrada supone la comparación de rasgos de identidad entre la entrada y todas las posiciones de la memoria mediante la aplicación, por ejemplo, de la técnica paralela de comparación del chip de ADN. La apropiación de este modelo por asociación permite restringir el rango de posiciones de la memoria, a diferencia de las memorias convencionales donde el direccionamiento se realiza de acuerdo al número de posiciones posibles que se pueden codificar en el rango de la entrada.
3. ROBOT MÓVIL CONTROLADO POR FPGA
De acuerdo con los conceptos de chip de ADN y memoria asociativa, se propone una arquitectura en paralelo para el control de un robot móvil autónomo capaz de evitar obstáculos a partir de la validación de un conjunto de instrucciones.
En términos generales la máquina consta de un par de servomotores y dos sensores de proximidad. Las lecturas análogas provenientes de los sensores son acondicionadas y convertidas a lógica digital para ser procesadas por el control dispuesto en una FPGA, capaz a su vez de proporcionar las señales de operación PWM para cada uno de los servomotores. El diseño e implementación del control de movimiento a través de una memoria asociativa permite evaluar cada una de las mediciones registradas por los sensores, haciendo posible que la máquina opere de forma autónoma evitando choques.
3. 1. Diseño Mecánico
El chasis del robot lo constituyen un juego de cuatro piezas definidas como fondo, soportes de motor y techo, junto con algunos soportes adicionales como se observa en las figuras 4 - 6. Los actuadores son dos servomotores estándar operados utilizando señales tipo PWM, unidos
Fig. 4. Vista frontal superior.
Fig. 5. Vista lateral. No se incluye la rueda libre.
Fig. 6. Vista posterior superior, note las celdas para los servomotores.
directamente a las ruedas. Se ha preferido utilizar una plataforma de baja escala y bajo costo con las dimensiones apropiadas para acoger los sensores, tarjetas de control, servomotores y batería, además una arquitectura diferencial donde la tercera rueda o rueda libre ha sido fabricada con el único fin de proporcionar soporte y pivote, fuera de toda tracción, junto con una forma semi - ovalada que permite mejor visual a los sensores.
3.2. Diseño Eléctrico
Fig. 7. Esquema eléctrico del robot móvil
La figura 7 simplifica el esquema eléctrico diseñado para la operación del robot móvil. Las señales análogas de dos sensores de proximidad son acondicionadas y convertidas a señales digitales de 8 bits cada una, obteniéndose un total de 16 bits con la información de entrada para la FPGA. En el caso particular, cada sensor posee su propio módulo de acondicionamiento y conversión A/D con niveles de voltaje inferiores a 5V DC. En la FPGA se han programado los bloques correspondientes a la memoria asociativa y al control PWM de cada uno de los servomotores; de acuerdo a las entradas y a la validación de las asociaciones programadas se obtiene un ancho de pulso que acciona los motores hacia delante o hacia atrás, según sea el caso.
La FPGA escogida es XC2S50 perteneciente a la familia Spartan 2 de Xilinx, que requiere la utilización de una tarjeta de desarrollo como la mostrada en la figura 8, diseñada y elaborada en nuestro Departamento de IEE. Esta tarjeta provee alimentación de 3.3V DC para la FPGA, oscilador de 4MHz, programación vía puerto paralelo a través del protocolo de programación JTAG, acceso a microcontrolador y matriz de diodos emisores, junto con otras funciones adicionales.
Fig. 9: Estructura de bloques del control cargado en la FPGA
La programación de la FPGA consta de un bloque fundamental constituido por las entradas digitales de los sensores (8 bits cada una), una señal de reset asincrónico, la señal de reloj proveniente del oscilador incluido en la tarjeta y las dos salidas PWM para los servomotores, ver figura 9.
Dos bloques funcionales internos describen la arquitectura de la máquina, el primero de ellos corresponde a una emulación del comportamiento del chip de ADN no para complementariedad sino para definir intervalos de pertenencia de las entradas provenientes de los sensores. Cada entrada de 8 bits se evalúa respecto a cuatro intervalos que dividen las 256 combinaciones posibles en rangos de proximidad, denominados muy
lejano (ML), lejano (L), próximo (P) y muy próximo (MP).
A su vez, cada intervalo tiene asignada una bandera, de manera que la evaluación de la pertenencia del valor de entrada a uno de los cuatro intervalos de proximidad o estados determina la activación de dos banderas, una por cada sensor, con lo que una palabra de 8 bits (resultado) formada por la concatenación de todas las banderas del esquema deberá tener dos bits en alto y los demás en bajo. El segundo bloque corresponde a una memoria asociativa que relaciona la palabra producto de la activación de las banderas con el ancho del pulso PWM que opera los motores; es decir, se asocia el estado de la entrada de los sensores con el movimiento de los motores a partir de las características asociativas almacenadas en la palabra resultado. La Tabla 1 muestra los 16 posibles estados de la entrada asociados con 10 movimientos asignados al robot. Por ejemplo, cuando las entradas son ambas evaluadas dentro del intervalo correspondiente a Muy Próximo (MP) el control genera las señales PWM adecuadas para que el robot avance hacia atrás.
Tabla 1: Relación de los estados a la entrada con los movimientos del robot.
BANDERAS
Sensor 1 Sensor 2 COMPORTAMIENTO
ML ML Adelante
ML L Giro Suave a la Derecha ML P Giro a la Derecha ML MP Atrás a la Izquierda
L ML Giro Suave a la Izquierda L L Giro a la Izquierda L P Rotar a la Derecha L MP Atrás a la Izquierda P ML Giro a la Izquierda P L Rotar a la Izquierda P P Rotar P MP Atrás a la Izquierda MP ML Atrás a la Derecha MP L Atrás a la Derecha MP P Atrás a la Derecha MP MP Atrás 4. SIMULACIONES Y RESULTADOS
La figura 10 muestra el aspecto del robot móvil terminado. Se puede verificar el diseño mecánico previo y la presencia de dos sensores en la parte frontal, dos servomotores en la parte posterior directamente acoplados a las ruedas, todo controlado por una tarjeta de acondicionamiento de sensores y la FPGA. La alimentación corre por cuenta de una batería de 6V a 1A ubicada entre los dos servomotores.
Simulaciones realizadas a la síntesis de los algoritmos desarrollados arrojaron los resultados mostrados en las figuras 11 - 13. El PWM del motor derecho del robot es la señal PWM1 mientras que el motor izquierdo tiene su correspondiente PWM en la señal PWM2.
La figura 11 muestra la simulación de la memoria asociativa implementada. Las entradas son los valores decimales de la señal digital proveniente de los sensores. Se puede verificar cómo los anchos de pulso a la salida de los motores cambian respecto a la combinación de entrada. La figura 12 muestra el resultado de la simulación hecha para el estado adelante, es decir, ambos sensores dentro del intervalo muy lejos. Se observa que el ancho de pulso NO es igual para los dos motores, como podría suponerse.
Fig. 10: Aspecto Final del Robot Móvil.
Los servomotores utilizan una señal interna de referencia contra la cual comparan el valor de la señal de entrada PWM. Si el PWM de entrada tiene un ancho de pulso más largo o más corto que esa referencia el motor girará para uno u otro lado. Sin embargo, la geometría de los motores usados obliga que, al colocarlos uno al lado
del otro en la disposición típica para un vehículo, el avance hacia adelante de éste se obtenga cuando un motor gira en un sentido y el otro en el opuesto. Es por esta razón que en la figura 12 se observa el pulso del motor 1 de más duración que el del motor 2. Se verifica entonces que el motor 1 gira hacia la derecha en tanto que el motor 2 gira hacia la izquierda logrando que el vehículo se mueva hacia adelante.
La figura 13 muestra el resultado obtenido para el estado de entrada giro suave a la derecha donde el motor izquierdo gira un poco más rápido que el derecho aunque ambos lo hagan hacia adelante. Se observa el cambio del ancho de pulso cuando la entrada de los sensores cambia, en este caso al estado giro a la izquierda. El cambio en el ancho de pulso del PWM2 obliga que el motor izquierdo cambie su sentido de giro de una posición de avance a reversa (desde el punto de vista del robot). Aumento en el ancho de pulso de PWM1 sugiere un aumento de la velocidad en el motor derecho del robot. Esta condición, en efecto, corresponde a un giro diferencial hacia la izquierda.
Fig. 11. Simulación de la memoria asociativa implementada.
Se observan los cambios en los ancho de pulso PWM de acuerdo a las señales de los sensores.
Fig. 12. Simulación del estado “Adelante” (3,1).
Los anchos de pulso son diferentes debido a la construcción del robot.
5. CONCLUSIONES
Una característica intrínseca al funcionamiento de los servomotores utilizados es su alto grado de precisión en el giro, razón por la cual son altamente utilizados en aplicaciones de control; esta misma facultad hace que el movimiento rotacional esté restringido a 180º. Una adaptación al interior del mecanismo de control propio de los servomotores permitió liberar la rotación para poder utilizarlos en el desplazamiento del vehículo construido.
Pruebas realizadas a la plataforma aseguran el funcionamiento de la lógica implementada, en parte garantizado por la respuesta análoga de los sensores ante obstáculos. Esta salida presenta un comportamiento decreciente respecto a la distancia entre el sensor y un objeto; para distancias cortas (Muy Próximo) la salida es máxima mientras que para distancias largas (Muy Lejos) la salida es aproximadamente cero, lográndose que todos y cada uno de los intervalos de proximidad definidos para la validación de movimientos sean en algún momento evaluados. En la mayoría de las pruebas se registró con éxito la evaluación de los 10 comportamientos establecidos, siendo necesario realizar algunas iteraciones para determinar los intervalos de proximidad más adecuados de forma que todos los comportamientos fuesen ejecutados. Así mismo, parte del éxito logrado corresponde a la velocidad de procesamiento garantizada por la implementación en paralelo propia del chip de ADN y la memoria asociativa; una aplicación secuencial obligaría la revisión de todos los intervalos serialmente, corriéndose el riesgo de no poder ejecutar una maniobra de evasión consecuente con la presencia fortuita de un obstáculo en las cercanías del vehículo. Esta misma característica permite aumentar el número de intervalos de proximidad y el grado de complejidad de los movimientos del robot junto con la memoria asociativa que los ejecuta sin perder la eficiencia del tiempo de respuesta; en parte
gracias a la lógica combinacional que compone tanto la memoria asociativa como la evaluación por intervalos del chip de ADN.
6. AGRADECIMIENTOS
Gran parte del éxito alcanzado es producto del trabajo interdisciplinario adelantado entre los Departamentos de Ingeniería Eléctrica y Electrónica e Ingeniería Mecánica y Mecatrónica de la Universidad Nacional de Colombia sede Bogotá.
Agradecemos al profesor Máximo Roa del Departamento de Ing. Mecánica y Mecatrónica, y al estudiante de Ingeniería Mecánica Anderson Benito, por su gran colaboración en el diseño mecánico y construcción de la plataforma.
7. REFERENCIAS
[1] Delgado, A.: “DNA chips as lookup tables for rule based systems”, IEE Computing and Control Engineering Journal, Vol. 13, No. 3, pp. 113 - 119, 2002.
[2] Delgado, A.: “Robot Controller Using Electronic DNA Chip”. Memorias II Congreso Internacional de Ingenierías Eléctrica y Electrónica. Bogotá, Colombia. Marzo de 2003.
[3] Spitzer, M.: The mind within the net. The MIT Press, Cambridge, Massachusetts, 1999.
[4] Camargo, C.; Delgado A.; Sepúlveda, J. “Implementación de Chip de ADN en FPGA”. Memorias X Iberchip Workshop. Cartagena, Colombia. Marzo 2.004.
