3.6 ケーススタディ：三層制御によるPoC実装例

Case Study: PoC Implementation of Triple-Layered Control (FSM × PID × LLM)

🎯 本節の目的｜Objective of This Section

本章で解説した三層制御構造（FSM・PID・LLM）を実際に組み合わせて実装し、
SoC上での動作検証や制御特性の評価を行います。

This section demonstrates the practical implementation of the FSM × PID × LLM control structure,
and evaluates their behavior and performance on an actual SoC.

🧪 ケース①：倒立振子の安定化制御｜Case 1: Stabilization of an Inverted Pendulum

📌 構成概要｜System Configuration

層 Layer	実装内容｜Function
FSM	起動・停止・落下状態の遷移管理 Manages states like start, stop, fall
PID	角度センサに基づいてトルクを出力 Generates torque from angle sensor
LLM	「止まって」などの命令をFSMへ指示 Issues commands such as “stop” to FSM

🌀 状態遷移例｜State Transitions

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📎 GitHubでMermaidフローチャートを見る

stateDiagram-v2
    [*] --> IDLE
    IDLE --> INIT_BALANCE : 起動命令\nStart
    INIT_BALANCE --> STABILIZING : センサ安定\nSensor OK
    STABILIZING --> FALLEN : バランス喪失\nFall
    FALLEN --> [*]

    %% ノード色・枠・文字色などをカスタマイズ（スタイル定義のみ）
    style IDLE           fill:#fdf6e3,stroke:#666,stroke-width:1px
    style INIT_BALANCE   fill:#d6f5ff,stroke:#3399cc,stroke-width:2px
    style STABILIZING    fill:#d6f5ff,stroke:#3399cc,stroke-width:2px
    style FALLEN         fill:#ffe6e6,stroke:#cc0000,stroke-width:2px,color:#990000

🔁 制御ループ｜Control Loop

FSMが「起動」状態へ遷移
PIDがリアルタイムに角度を補正
LLMが「停止」命令 → FSMがSTOP状態に移行

🤖 ケース②：人型ロボットの旋回・立ち上がり制御

Case 2: Standing and Turning Control of Humanoid Robot

📌 構成概要｜System Configuration

層 Layer	実装内容｜Function
FSM	立ち上がり・旋回・停止の行動管理 Handles standing up, turning, and stopping
PID	サーボ制御（角度・速度） Servo control (angle/velocity)
LLM	自然言語命令をFSMコマンドに変換 Maps natural language to FSM commands

💡 設計のポイント｜Design Highlights

LLMが「方向転換して」などを解釈しFSMへ伝達
FSMは行動遷移（例：旋回開始→停止）を実行
PIDは各行動ごとのパラメータで補正制御

🧭 評価指標｜Evaluation Metrics

評価項目｜Item	内容｜Description
安定性 Stability	PID応答の収束性・発振抑制
応答性 Responsiveness	FSMの状態遷移スピード、LLM介入の遅延
柔軟性 Flexibility	LLMによる指令変更への対応力
拡張性 Extensibility	状態数や命令種別の追加の容易さ

📝 実装・評価のヒント｜Implementation Notes

🧾 トレースログ出力を活用し、状態・出力・命令を時系列で可視化
⏱ LLM命令のタイミングと粒度が制御の質に影響
⚙ FSMとPIDはLLMが停止しても単独で動作可能な設計が望ましい

📦 関連PoC構成｜Related PoC Repositories

🔗 AITL-H/PoC/
　FSM / PID / LLMの接続例を含むPoC全体構成
🔗 AITL-H/implementary/
　各層のRTL設計・ソフト制御コードを収録

✅ まとめと次の展開｜Summary & Future Steps

FSM × PID × LLM の三層制御は、反応・安定・判断の統合アーキテクチャ
モジュール化設計により、多様なPoC/ロボット/制御装置に応用可能
次章では、OpenLaneなどを活用した物理設計や自動化設計の応用展開に進みます

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🔙 3.5 SoC統合とバス構造・通信設計

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