Control of a 6-DOF parallel manipulator through a mechatronic approach

This paper shows that a hierarchical architecture, distributing several control actions in growing levels of complexity and using resources of reconfigurable computing, enables one to take into account the ease of future modifications, updates and improvements in robotic applications. An experimental example of a Stewart—Gough platform control (a platform applied as the solution to countless practical problems) is presented using reconfigurable computing. The software and hardware developed are structured in independent blocks. This open architecture implementation allows easy expansion of the system and better adaptation of the platform to its related tasks.

A self-healing real-time system based on run-time self-reconfiguration

The new generations of SRAM-based FPGA (field programmable gate array) devices are the preferred choice for the implementation of reconfigurable computing platforms intended to accelerate processing in real-time systems. However, FPGA's vulnerability to hard and soft errors is a major weakness to robust configurable system design. In this paper, a novel built-in self-healing (BISH) methodology, based on run-time self-reconfiguration, is proposed. A soft microprocessor core implemented in the FPGA is responsible for the management and execution of all the BISH procedures. Fault detection and diagnosis is followed by repairing actions, taking advantage of the dynamic reconfiguration features offered by new FPGA families. Meanwhile, modular redundancy assures that the system still works correctly

Towards Active Course Marks for Autonomous Sailing Competitions

This paper describes the environmental monitoring / regatta beacon buoy under development at the Laboratory of Autonomous Systems (LSA) of the Polytechnic Institute of Porto. On the one hand, environmentalmonitoring of open water bodies in real or deferred time is essential to assess and make sensible decisions and, on the other hand, the broadcast in real time of position, water and wind related parameters allows autonomous boats to optimise their regatta performance. This proposal, rather than restraining the boats autonomy, fosters the development of intelligent behaviour by allowing the boats to focus on regatta strategy and tactics. The Nautical and Telemetric Application (NAUTA) buoy is a dual mode reconfigurable system that includes communications, control, data logging, sensing, storage and power subsystems. In environmental monitoring mode, the buoy gathers and stores data from several underwater and above water sensors and, in regatta mode, the buoy becomes an active course mark for the autonomous sailing boats in the vicinity. During a race, the buoy broadcasts its position, together with the wind and the water current local conditions, allowing autonomous boats to navigate towards and round the mark successfully. This project started with the specification of the requirements of the dual mode operation, followed by the design and building of the buoy structure. The research is currently focussed on the development of the modular, reconfigurable, open source-based control system. The NAUTA buoy is innovative, extensible and optimises the on board platform resources.

Uma aplicação Web para apoio a laboratórios remotos reconfiguráveis baseados na norma IEEE 1451.0

Nos últimos anos, o processo de ensino e aprendizagem tem sofrido significativas alterações graças ao aparecimento da Internet. Novas ferramentas para apoio ao ensino têm surgido, nas quais se destacam os laboratórios remotos. Atualmente, muitas instituições de ensino disponibilizam laboratórios remotos nos seus cursos, que permitem, a professores e alunos, a realização de experiências reais através da Internet. Estes são implementados por diferentes arquiteturas e infraestruturas, suportados por vários módulos de laboratório acessíveis remotamente (e.g. instrumentos de medição). No entanto, a sua inclusão no ensino é ainda deficitária, devido: i) à falta de meios e competências técnicas das instituições de ensino para os desenvolverem, ii) à dificuldade na partilha dos módulos de laboratório por diferentes infraestruturas e, iii) à reduzida capacidade de os reconfigurar com esses módulos. Para ultrapassar estas limitações, foi idealizado e desenvolvido no âmbito de um trabalho de doutoramento [1] um protótipo, cuja arquitetura é baseada na norma IEEE 1451.0 e na tecnologia de FPGAs. Para além de garantir o desenvolvimento e o acesso de forma normalizada a um laboratório remoto, este protótipo promove ainda a partilha de módulos de laboratório por diferentes infraestruturas. Nesse trabalho explorou-se a capacidade de reconfiguração de FPGAs para embutir na infraestrutura do laboratório vários módulos, todos descritos em ficheiros, utilizando linguagens de descrição de hardware estruturados de acordo com a norma IEEE 1451.0. A definição desses módulos obriga à criação de estruturas de dados binárias (Transducer Electronic Data Sheets, TEDSs), bem como de outros ficheiros que possibilitam a sua interligação com a infraestrutura do laboratório. No entanto, a criação destes ficheiros é bastante complexa, uma vez que exige a realização de vários cálculos e conversões. Tendo em consideração essa mesma complexidade, esta dissertação descreve o desenvolvimento de uma aplicação Web para leitura e escrita dos TEDSs. Para além de um estudo sobre os laboratórios remotos, é efetuada uma descrição da norma IEEE 1451.0, com particular atenção para a sua arquitetura e para a estrutura dos diferentes TEDSs. Com o objetivo de enquadrar a aplicação desenvolvida, efetua-se ainda uma breve apresentação de um protótipo de um laboratório remoto reconfigurável, cuja reconfiguração é apoiada por esta aplicação. Por fim, é descrita a verificação da aplicação Web, de forma a tirar conclusões sobre o seu contributo para a simplificação dessa reconfiguração.

Projecto e implementação de osciloscópio digital baseado na norma IEEE1451.0

Os osciloscópios digitais são utilizados em diversas áreas do conhecimento, assumindo-se no âmbito da engenharia electrónica, como instrumentos indispensáveis. Graças ao advento das Field Programmable Gate Arrays (FPGAs), os instrumentos de medição reconfiguráveis, dadas as suas vantagens, i.e., altos desempenhos, baixos custos e elevada flexibilidade, são cada vez mais uma alternativa aos instrumentos tradicionalmente usados nos laboratórios. Tendo como objectivo a normalização no acesso e no controlo deste tipo de instrumentos, esta tese descreve o projecto e implementação de um osciloscópio digital reconfigurável baseado na norma IEEE 1451.0. Definido de acordo com uma arquitectura baseada nesta norma, as características do osciloscópio são descritas numa estrutura de dados denominada Transducer Electronic Data Sheet (TEDS), e o seu controlo é efectuado utilizando um conjunto de comandos normalizados. O osciloscópio implementa um conjunto de características e funcionalidades básicas, todas verificadas experimentalmente. Destas, destaca-se uma largura de banda de 575kHz, um intervalo de medição de 0.4V a 2.9V, a possibilidade de se definir um conjunto de escalas horizontais, o nível e declive de sincronismo e o modo de acoplamento com o circuito sob análise. Arquitecturalmente, o osciloscópio é constituído por um módulo especificado com a linguagem de descrição de hardware (HDL, Hardware Description Language) Verilog e por uma interface desenvolvida na linguagem de programação Java®. O módulo é embutido numa FPGA, definindo todo o processamento do osciloscópio. A interface permite o seu controlo e a representação do sinal medido. Durante o projecto foi utilizado um conversor Analógico/Digital (A/D) com uma frequência máxima de amostragem de 1.5MHz e 14 bits de resolução que, devido às suas limitações, obrigaram à implementação de um sistema de interpolação multi-estágio com filtros digitais.

Environmental/Regatta Buoy: Sensing System

Um dos principais objetivos da ciência é perceber a natureza, i.e., descobrir e explicar o funcionamento do mundo que nos rodeia. Para tal, os cientistas precisam de coligir dados e monitorar o meio ambiente. Em particular, considerando que cerca de 70% da Terra é coberta por água, a coleta de parâmetros de caracterização da água de grandes superfícies é uma prioridade. A monitorização das condições da água é feita principalmente através de bóias. No entanto, as bóias disponíveis no mercado não satisfazem as necessidades existentes. Esta é uma das principais razões que levaram o Laboratório de Sistemas Autónomos (LSA) do Instituto Superior de Engenharia do Porto a lançarem um projeto para o desenvolvimento de uma bóia reconfigurável e com dois modos de funcionamento: monitorização ambiental e baliza ativa de regata. O segundo modo é destinado a regatas de veleiros autónomos. O projeto começou há um ano com um projeto do European Project Project [1] (EPS), realizado por quatro estudantes internacionais, destinado à construção da estrutura da bóia e à selecção dos componentes mais adequados para o sistema de medição e controlo. A arquitetura que foi definida para este sistema é do tipo mestre-escravo e é composta por uma unidade de controlo mestre para a telemetria e configuração e uma unidade de controlo escrava para a medição e armazenamento de dados. O desenvolvimento do projeto continuou com dois estudantes belgas que trabalharam na comunicação e no armazenamento de dados. Este projeto, que prossegue com o desenvolvimento da medição e do armazenamento de dados do lado da unidade de controlo escrava, tem os seguintes objetivos: (i ) implementar o protocolo de comunicação na unidade de controlo escrava; (ii ) coligir e armazenar os dados dos sensores no cartão SD em tempo real; (iii ) fornecer dados em tempo útil; e (iv) recuperar dados do cartão SD em tempo diferido. As contribuições anteriores foram estudadas e foi feito um levantamento dos projetos congéneres existentes. O desenvolvimento do projeto atual começou com o protocolo de comunicação. Este protocolo, que foi projetado pelos alunos anteriores, foi um bom ponto de partida. No entanto, o protocolo foi atualizado e melhorado com novas funcionalidades. Esta última componente foi um trabalho conjunto com Laurens Allart, que esteve a trabalhar no subsistema de telemetria e de configuração durante este semestre. O protocolo foi implementado do lado da unidade de controlo escrava através de uma estrutura de múltiplas actividades paralelas (multithreaded). Esta estrutura recebe as mensagens da unidade mestre, executa as ações solicitadas e envia de volta o resultado. A bóia é um dispositivo reconfigurável multimodo que pode ser expandido com novos modos de operação no futuro. Infelizmente, sofre de algumas limitações: suporta uma carga máxima de 40 kg e tem uma área de implantação limitada pela distância máxima à estacão base.

Redes de terras associadas a estações de telecomunicações

As redes de terras são algo que atormenta muitas operadoras de telecomunicações. Quando o comum civil pensa que apenas existem antenas e que é importante a transmissão de dados porque naturalmente não lhes faz falta saber mais nada, as pessoas envolventes na construção de uma estação de telecomunicações têm preocupações não só com a parte de rádio e antenas, mas fundamentalmente com a parte de energia e de infra-estruturas. No desenvolvimento deste projecto, torna-se então importante perceber como as redes de terras são implementadas, como atingir valores satisfatórios para as operadoras, como realizar melhoria da rede de terras já existentes, implementar furos artesianos/valas e sobretudo como melhorar no futuro. Os materiais utilizados e o estudo prévio das condições do terreno onde a estação rádio-base é implementada nem sempre coincidem com os resultados desejados e que pensamos que seriam facilmente atingidos após implementação da torre. Neste projecto, vamos então acompanhar todos os processos, desde a legalização, construção, testes e finalmente a medição da resistência de terras final. Se os valores foram aceitáveis, óptimo para a operadora de telecomunicações e para a empresa responsável pela implementação. Caso os resultados estejam aquém das expectativas, é altura de selecionar os melhores e recorrendo a um conjunto de técnicas que garantam resultados e o menos dispêndio de dinheiro possível, vamos avançar para as melhorias. Os regimes de protecção das pessoas e da estação são bastante importantes. É importante também perceber as condições dos solos e saber simular com o programa ERICO que será fundamental para se efetuar uma comparação entre o teórico e o implementado praticamente. No fim, parte fulcral serão as medições finais, a relação preço-qualidade das melhorias implementadas, a análise dos resultados com argumentos válidos e o bom senso da operadora para aceitar ou rejeitar os trabalhos. Contrato é contrato, fazer mais e melhor é uma exigência constante.

TEA: Timing and Energy Aware compression architecture for Efficient Configuration in CGRAs

Coarse Grained Reconfigurable Architectures (CGRAs) are emerging as enabling platforms to meet the high performance demanded by modern applications (e.g. 4G, CDMA, etc.). Recently proposed CGRAs offer time-multiplexing and dynamic applications parallelism to enhance device utilization and reduce energy consumption at the cost of additional memory (up to 50% area of the overall platform). To reduce the memory overheads, novel CGRAs employ either statistical compression, intermediate compact representation, or multicasting. Each compaction technique has different properties (i.e. compression ratio, decompression time and decompression energy) and is best suited for a particular class of applications. However, existing research only deals with these methods separately. Moreover, they only analyze the compaction ratio and do not evaluate the associated energy overheads. To tackle these issues, we propose a polymorphic compression architecture that interleaves these techniques in a unique platform. The proposed architecture allows each application to take advantage of a separate compression/decompression hierarchy (consisting of various types and implementations of hardware/software decoders) tailored to its needs. Simulation results, using different applications (FFT, Matrix multiplication, and WLAN), reveal that the choice of compression hierarchy has a significant impact on compression ratio (up to 52%), decompression energy (up to 4 orders of magnitude), and configuration time (from 33 n to 1.5 s) for the tested applications. Synthesis results reveal that introducing adaptivity incurs negligible additional overheads (1%) compared to the overall platform area.

A Random Access Protocol incorporating Multi-Packet Reception, Retransmission Diversity and Successive Interference Cancellation

8th International Workshop on Multiple Access Communications (MACOM2015), Helsinki, Finland.

Distributed Linear Precoding and User Selection in Coordinated Multicell Systems

In this manuscript we tackle the problem of semidistributed user selection with distributed linear precoding for sum rate maximization in multiuser multicell systems. A set of adjacent base stations (BS) form a cluster in order to perform coordinated transmission to cell-edge users, and coordination is carried out through a central processing unit (CU). However, the message exchange between BSs and the CU is limited to scheduling control signaling and no user data or channel state information (CSI) exchange is allowed. In the considered multicell coordinated approach, each BS has its own set of cell-edge users and transmits only to one intended user while interference to non-intended users at other BSs is suppressed by signal steering (precoding). We use two distributed linear precoding schemes, Distributed Zero Forcing (DZF) and Distributed Virtual Signalto-Interference-plus-Noise Ratio (DVSINR). Considering multiple users per cell and the backhaul limitations, the BSs rely on local CSI to solve the user selection problem. First we investigate how the signal-to-noise-ratio (SNR) regime and the number of antennas at the BSs impact the effective channel gain (the magnitude of the channels after precoding) and its relationship with multiuser diversity. Considering that user selection must be based on the type of implemented precoding, we develop metrics of compatibility (estimations of the effective channel gains) that can be computed from local CSI at each BS and reported to the CU for scheduling decisions. Based on such metrics, we design user selection algorithms that can find a set of users that potentially maximizes the sum rate. Numerical results show the effectiveness of the proposed metrics and algorithms for different configurations of users and antennas at the base stations.

Performance Model for MRC Receivers with Adaptive Modulation and Coding in Rayleigh Fading Correlated Channels with Imperfect CSIT

RTUWO Advances in Wireless and Optical Communications 2015 (RTUWO 2015). 5-6 Nov Riga, Latvia.