Neural network ARMAX model for a Furuta pendulum

Modelo de red neuronal ARMAX para un péndulo de Furuta

El péndulo invertido rotacional o péndulo de Furuta es un sistema mecatrónico usado por los ingenieros de control para explorar una variedad de modelos dinámicos y sistemas de control debido a su naturalezano lineal, inestabilidad en lazo abierto y porque es un sistema que posee mas grados de libertad queactuadores, por lo que es la base para el diseño de vehículos como el segway, la tabla de dos ruedasautoequlibrada, aeropatín o tabla flotante entre otros. Los autores presentan un modelo para el péndulode Furuta usando las ecuaciones de Euler-Lagrange y una metodología para identificar un modelo de cajanegra entrenando una NNARMAX (por sus siglas en inglés, Red Neuronal para un Modelo Autoregresivode Media Movil con Entrada Externa). Los resultados muestran que dos modelos MISO-NNARMAX interconectados estiman de forma precisa predicciones de 10 pasos adelante para los angulos vertical y horizontal.

INTRODUCCIÓN

El objetivo principal de este proyecto es identificar un modelo de red neuronal de un sistema mecatrónico no lineal, el péndulo Furuta; se deben tener en cuenta varios aspectos del mecanismo, aspectos que hacen que este sistema específico sea muy utilizado en investigaciones que tratan sobre modelado y estrategias de control para sistemas mecatrónicos 1 pero no existe información sobre un Modelo Armax de Red Neuronal aplicado a este sistema mecatrónico. Existen varios trabajos sobre el Péndulo Furuta; los autores en 2 estudian controladores anti-oscilación para el sistema nominal y perturbado, proponen una combinación de linealización de realimentación parcial colocada y control jerárquico en modo deslizante dentro de un controlador de dos lazos. Los autores de 3 desarrollaron un control para el péndulo Furuta utilizando propulsores de gas frío tipo on-off como actuadores y un controlador de realimentación de estado basado en un observador. El equilibrado de sistemas robóticos es un tema importante en robótica 4,5.

En este sentido, el más clásico es el problema del péndulo invertido 6 y variaciones como el péndulo Furuta 7,8, y el péndulo de una o dos ruedas de reacción (4,9 donde existe un par de reacción en las ruedas para equilibrar el péndulo. Los autores en 10 también desarrollaron un péndulo invertido cúbico de rueda de reacción en 3-D, conocido como Cubli, previamente trabajado por los autores en 11.

Todo el trabajo desarrollado en el equilibrio de sistemas robóticos, tomando la teoría detrás del péndulo invertido y el péndulo rotatorio invertido, ha permitido su uso en sistemas espaciales y satélites 12,13,14, en la estabilización de sistemas de motocicletas (15, en sistemas de robots bípedos 16, en el famoso medio de transporte conocido como segway (17,18,19 y (20, este es un sistema de auto-equilibrio de dos ruedas.