Ingeniería Electrónica, Automática y Comunicaciones

Hardware design of a video acquisition system based on USB webcam

El diseño de sistemas electrónicos que incluyen procesamiento digital de imágenes, basados en cámaras web USB como elemento de adquisición, se ha visto frenado por la complejidad relacionada con el estándar USB y la diversidad de controladores presentes entre los diferentes fabricantes de cámaras. La tendencia a la estandarización de los controladores, específicamente a través de la clase de video de USB (UVC por sus siglas en inglés) y la posibilidad de diseñar sistemas digitales utilizando hardware reconfigurable, brinda la posibilidad de desarrollar toda una gama de aplicaciones a partir de cámaras web USB. Este artículo presenta el diseño de un sistema de adquisición de imágenes basado en cámaras web USB y hardware reconfigurable. Dicho sistema se encuentra diseñado sobre un FPGA de Xilinx; con un soft-procesador microblaze embebido y las imágenes son capturadas con una cámara web USB con soporte UVC. El diseño basado en software es programado en lenguaje C y se ejecuta sobre el sistema operativo petalinux. Además utiliza el controlador UVC y la interfaz de programación de aplicaciones video4linux2 presentes en petalinux. Se brinda una visión general de la arquitectura del sistema, los resultados de las simulaciones funcionales y detalles relacionados con la implementación.

The design of electronics systems that include digital processing of images, based in USB webcams as element of acquisition, has seen slowed by the complexity associated with USB standards and the diversity of drivers in different camera manufactures. The tendency to standardization of drivers, specifically through the USB Video Class (UVC) and the possibility of design digital systems using reconfigurable hardware, offers the possibility of developing a whole range of applications based on USB webcams. This article presents the design of an image acquisition system based on USB webcam and reconfigurable hardware. This system is designed on Xilinx FPGAs, with an embedded soft-processor like microblaze and the images are captured using a USB webcam with UVC driver support. The software solution has been developed on C language and runs over an operating system like petalinux. Also uses features of petalinux like UVC driver and video4linux2 application program interface. An overview of the system architecture, the results of functional simulations and details related to implementation are provided.

Statistical Distributions for Sea Clutter Modeling: A Survey

El clutter marino es una señal aleatoria interferente que aparece en lecturas de radar producto de la reflexión que experimenta la emisión sobre la superficie del mar. Luego de una intensa revisión sobre la literatura relacionada, se concluyó que existen 23 distribuciones estadísticas o modelos que pueden usarse para representar el clutter. Los autores clasificaron los modelos en cinco grupos diferentes atendiendo a la frecuencia de utilización y la relevancia de cada uno. La revisión realizada tiene dos logros fundamentales. Primeramente, se reunieron y unificaron las expresiones matemáticas de las distribuciones, lo que contribuye a la homogenización de los estudios. En segundo lugar, se ofreció un conjunto amplio de distribuciones candidatas para nuevas investigaciones relacionadas al ajuste de datos de lecturas de radar con modelos estadísticos. La investigación recomienda el empleo de 15 distribuciones, mientras que los estudios comunes rara vez utilizan más de cuatro.

The sea clutter is a random interfering signal that appears in radar readings caused by the reflection experienced by the emission over the sea surface. After a deep review on the related literature, 23 statistical distributions or models were found for representing sea clutter. The authors classified these models into five groups taking into account the frequency of use and the importance of each distribution. The performed review has two main achievements. Firstly, the mathematical expressions for the distributions were gathered and unified, which contributes to the homogenization of the studies. Secondly, a wide set of candidate distributions were offered enabling the execution of new investigations related to the fit of statistical distributions to empirical clutter data. The investigation strongly recommends the use of 15 distributions, while common studies rarely used more than four.

Modeling cooperative communications using game theory: applications for cognitive radios

In this paper, cooperative communications are presented to improve efficiency toward the use of telecommunication systems resources. In the special case of cognitive radio networks, main benefits and costs regarding cooperation are analyzed, as well as security issues that might rise in such a scenario. From a game theory model, the implementation of a coalitional game is described, where cognitive users pursue individual benefits as well as benefits for the coalition they belong. Simulation results confirm the gains achievable by means of cooperative communications, and reveal weakening performance in presence of security threats. This paper may help readers to have a more comprehensive understanding of cooperative communications based on game theory, as well as the main research trends and challenges in this area.

En el presente trabajo se introducen las comunicaciones cooperativas con el objetivo de mejorar la eficiencia hacia el uso de los recursos en los sistemas de telecomunicaciones. En el caso especial de las redes de radio cognitivas, se analizan los principales beneficios y costos así como las cuestiones de seguridad que podrían surgir en tal escenario. Desde un modelo de teoría de juegos, se describe la implementación de coaliciones, donde los usuarios cognitivos persiguen beneficios individuales y para la coalición a la que pertenecen. Los resultados de la simulación confirman las ganancias alcanzables por medio de comunicaciones cooperativas y revelan las debilidades de desempeño ante la presencia de amenazas de seguridad. Este documento puede ayudar a los lectores a tener una comprensión mayor de las comunicaciones cooperativas basadas en la teoría de juegos, así como las principales tendencias y desafíos de investigación en esta área.

Comparative study in multivariable systems with time delay: Smith Predictor Modifications and Predictive Control

En este trabajo se presenta la compensación del retardo de tiempo a través del diseño de las estrategias de control Predictor de Smith Filtrado, Predictor de Smith Modificado (MSP) y Control Predictivo, para procesos multivariables estables, inestables y de fase no mínima. Se emplean tres casos de estudio, donde se muestra mediante simulación el comportamiento de cada estrategia según las características dinámicas del proceso. Los resultados de simulación se obtienen mediante el Matlab® y la comparación de las estrategias de control empleadas se realiza a partir del desempeño temporal del sistema controlado, del rechazo a perturbaciones, seguimiento de referencias y el manejo de incertidumbres. Además, se presenta una modificación al MSP para el caso de perturbación en la carga. Los resultados de simulación evidencian que las prestaciones de la propuesta son superiores a la versión original MSP.

In this paper we present the time delay compensation through the design of control strategies like Filtered Smith Predictor, Modified Smith Predictor (MSP) and Predictive Control, for stable, unstable and non-minimal phase multivariable processes. Three case studies are used, where the behavior of each strategy is shown by simulation, according to the dynamic characteristics of the process. The simulation results are obtained by Matlab® and the comparison of the control strategies used is performed by the time performance of the controlled system, rejection of disturbances, monitoring of references and handling of uncertainties. In addition, a modification to the MSP is presented for the case of disturbance in the load. The simulation results show that the performance of the proposal is higher than the original MSP version.

Storage System Variants for a Radar Detector in the Moments Space

Los detectores de radar con toma de la decisión en el espacio de los momentos (método DRACEC), requieren muestrear los parámetros de las señales provenientes de la región explorada y almacenar estas muestras teniendo en cuenta la célula resolutiva que les dio origen. El presente artículo propone la implementación en FPGA de dos variantes de sistema de almacenamiento, cada una de la cuales garantiza la identificación precisa de la célula que corresponde a un determinado conjunto de muestras. La primera variante está basada en sistemas digitales secuenciales que controlan una memoria RAM estática, mientras que la segunda utiliza un microprocesador en conjunto con memorias RAM internas al FPGA. Los sistemas desarrollados permiten el almacenamiento ordenado de las muestras como se requiere para las etapas posteriores de los detectores de radar que empleen el método DRACEC.

Radar detectors with decision making in the moments space (DRACEC method), require sampling the signals parameters from the scanned region and storing these samples taking into account the resolution cell that originated them. The present article proposes an FPGA implementation of two variants for the storage system, each one of this guarantees precise identification of the cell that corresponds to a certain set of samples. The first variant is based on sequential digital system that control a static RAM, while the second uses a microprocessor in conjunction with internal RAM in the FPGA. The developed systems allow orderly samples storage as required for later stages of radar detectors using the DRACEC method.

Tracking task space control of 2DOF parallel robot using vectorial kinematic model

En este artículo, se implementa un esquema de control en espacio de tareas para un robot paralelo neumático de dos grados de libertad en aplicación industrial de simulador de movimiento con el objetivo de resolver el problema de seguimiento de trayectoria. El sistema de control considera dos lazos en cascada; mediante un lazo interno desacoplado se resuelve el control de posición articular, mientras que un lazo externo implementado en el espacio cartesiano, brinda la solución al problema de seguimiento de trayectoria. La entrada deseada cartesiana es pre alimentada de acuerdo a las condiciones especificadas en la implementación digital del control cinemático en espacio de tareas. Se emplea el modelo cinemático vectorial sin necesidad del uso del modelo dinámico del robot. Para demostrar el desempeño del esquema de control propuesto, se presentan los resultados experimentales obtenidos a través de varios experimentos realizados con el robot paralelo de dos grados de libertad accionado neumáticamente. Estos resultados confirman la respuesta esperada ante seguimiento de trayectoria demostrando un buen desempeño del sistema.

In this paper, the kinematic task space control scheme of 2DOF pneumatic parallel robot is developed in order to solve the trajectory tracking problem in industrial application of motion simulator. The control system take into account a two loops cascade, an internal loop that solves the decoupled joint control and the external loop implemented in the task space control in order to solve de trajectory tracking specifications. The kinematic model by vectorial formulation is used without the need of a dynamic model of a robot. In order to solve the trajectory tracking problem, the desired input is feed-forwarded according to the specific condition of the digital implementation in the kinematic task space control scheme. To illustrate the performance of the proposed control scheme, experimental results obtained through several test with the parallel robot of 2 DOF are presented. Experimental results confirm the expected tracking response in the task space, showing adequate performance.

An approach to the numerical solution of one-dimensional heat equation on SoC FPGA

A common kernel used in scientific computing is the stencil computation. FPGA based heterogeneous systems has been used to overcome stencil algorithm performance limitations due to the memory bandwidth on CPU and GPU based systems. Performance improvement is achieved through the combination of several data flow optimization techniques, taking advantage of the FPGA inherent parallelism. However, array architectures used for some two-dimensional problems involves the need of considerable number of FPGAs, for mesh sizes that can be treated by a CPU or GPU based system with a suitable performance at a lower cost. With the development of high level synthesis tools, the implementation of algorithms over FPGA is performed with a better design flow than traditional logic design. In this case, optimization techniques are performed at software level. In this document is presented a system designed to evaluate the performance of a stencil computation algorithm over a SoC FPGA at hardware level. The data-path is designed to perform the stencil computation algorithm using a one-dimensional array of processing elements and registers. System performance is evaluated for the approach to the numerical solution of a heat transfer problem modeled with the heat equation for the one-dimensional case. The proposed architectures are implemented in a ZedBoard Zynq Evaluation and Development Kit using Vivado Design Suite and Xilinx SDK.

La computación con esténcil es un esquema muy usado en la computación científica. Se han desarrollado sistemas heterogéneos basados en FPGA para superar las limitaciones debidas al ancho de banda de memoria en los sistemas computacionales basados en CPU o GPU. El mejoramiento del desempeño es logrado mediante el uso de varias técnicas de optimización del flujo de datos, tomando ventaja del paralelismo inherente de los FPGA. Sin embargo, las arquitecturas usadas en problemas bidimensionales involucran el uso de una cantidad considerable de FPGA, para tamaños de malla que pueden ser procesados en sistemas basados en CPU o GPU con un desempeño aceptable a menor costo. Con el desarrollo de herramientas de diseño de alto nivel, la implementación de algoritmos sobre FPGA es realizada con un mejor flujo de diseño que con el diseño lógico tradicional. En este caso las técnicas de optimización se desarrollan a nivel de software. En este documento se presenta un sistema diseñado para evaluar el desempeño de la computación con esténcil sobre una FPGA a nivel de hardware. El camino de datos es diseñado para el empleo de un arreglo unidimensional de elementos de proceso y registros para reducir el número de operaciones de transferencia de datos de memoria. El desempeño del sistema es evaluado para la aproximación a la solución numérica de un problema de transferencia de calor, modelado con la ecuación de calor para el caso unidimensional. Las arquitecturas propuestas son implementadas sobre una ZedBoard empleando Vivado y el Xilinx SDK.

Characterization of the Optical Channel for the Planning of Li-Fi Networks in Enriched Virtual Environments

Entre las tecnologías más innovadoras de la actualidad aparece sin lugar a dudas Li-Fi (Light-Fidelity por sus siglas en inglés), una tecnología basada en la transmisión de datos a alta velocidad empleando la luz visible o infrarroja, la cual se presenta como un complemento a las soluciones basadas en Wi-Fi para accesos de banda ancha en entornos interiores o ad-hoc diversos. La estimación de los parámetros del canal óptico inalámbrico en dichos entornos es de gran importancia para la predicción del comportamiento y optimización de sistemas de este tipo. Tradicionalmente los esfuerzos en este sentido se han encaminado al análisis simplificado sobre escenarios vacíos, desprovistos de mobiliario u obstáculos de cualquier tipo típicamente presentes en oficinas y entornos de trabajo donde serían desplegados por excelencia sistemas de acceso Li-Fi. El presente trabajo propone la aplicación de un modelo general de simulación de la propagación de señales ópticas en el canal inalámbrico, desarrollado previamente por los autores y basado en el trazado de rayos de Monte Carlo modificado y el uso de funciones de reflectancia bidireccional (modelo TRM-B), sobre entornos virtuales enriquecidos, o sea, entornos tridimensionales sintetizados digitalmente que recrean con mayor precisión las características de los escenarios reales de despliegue, lo cual permite estimar con mayor exactitud los parámetros del canal y su rendimiento para sistemas Li-Fi.

Among the most innovative and promising technologies at present time appears without place to doubts Li-Fi (Light-Fidelity), a technology based on high-speed data transmission using visible or infrared light, a complement to Wi-Fi based solutions for broadband access in diverse indoor or ad-hoc environments. The estimation of wireless optical channel parameters in such environments is of great importance for the prediction and optimization of such systems. Traditionally efforts have been made in this direction: the simplified analysis of empty scenarios, that is, devoid of furniture or obstacles of any kind typically present in offices and working environments where Li-Fi access systems would be deployed. The present work proposes the application of a general model of simulation of the propagation of optical signals in the wireless channel, developed previously by the authors and based on Monte Carlo ray-tracing and the use of bidirectional reflectance functions (TRM-B model), applied to enriched virtual environments, that is to say, digitally synthesized 3D environments that recreate with more precision the characteristics of real deployment scenarios, which allows a more accurate estimation of the channel parameters and its performance for Li-Fi systems.