Rendering stiffer walls: a hybrid haptic system using continuous and discrete time feedback

Instability in conventional haptic rendering destroys the perception of rigid objects in virtual environments. Inherent limitations in the conventional haptic loop restrict the maximum stiffness that can be rendered. In this paper we present a method to render virtual walls that are much stiffer than those achieved by conventional techniques. By removing the conventional digital haptic loop and replacing it with a part-continuous and part-discrete time hybrid haptic loop, we were able to render stiffer walls. The control loop is implemented as a combinational logic circuit on an field-programmable gate array. We compared the performance of the conventional haptic loop and our hybrid haptic loop on the same haptic device, and present mathematical analysis to show the limit of stability of our device. Our hybrid method removes the computer-intensive haptic loop from the CPU-this can free a significant amount of resources that can be used for other purposes such as graphical rendering and physics modeling. It is our hope that, in the future, similar designs will lead to a haptics processing unit (HPU).

An Inexpensive Digital Network Analyzer

Frequency response analysis is critical in understanding the steady and transient state behavior of any electrical network. Network analyzeror frequency response analyzer is used to determine the frequency response of an electrical network. This paper deals with the design of an inexpensive digitally controlled Network Analyzer. The frequency range of the network analyzer is from 10Hz to 50kHz (suitable range for system studies on most power electronics apparatus). It is composed of a microcontroller (as central processing unit) and a personal computer (as analyzer and display). The communication between the microcontroller and personal computer is established through one of the USB ports. The testing and evaluation of the analyzer is done with RC, RLC and multi-resonant circuits. The design steps, basis of analysis, experimental results, limitation in bandwidth and possible techniques for improvement in performances are presented.

Micro-satellite angular rate estimation using second-order sliding mode observer

Development of computationally efficient and accurate attitude rate estimation algorithm using low-cost commercially available star sensor arrays and processing unit for micro-satellite mission is presented. Our design reduces the computational load of least square (LS)-based rate estimation method while maintaining the same accuracy compared to other rate estimation approaches. Furthermore, rate estimation accuracy is improved by using recently developed fast and accurate second-order sliding mode observer (SOSMO) scheme. It also gives robust estimation in the presence of modeling uncertainties, unknown disturbances, and measurement noise. Simulation study shows that rate estimation accuracy achieved by our LS-based method is comparable with other methods for a typical commercially available star sensor array. The robustness analysis of SOSMO with respect to measurement noise is also presented in this paper. Simulation test bench for a practical scenario of satellite rate estimation uses moment-of-inertia variation and environmental disturbances affecting a typical micro-satellite at 500km circular orbit. Comparison studies of SOSMO with 1-SMO and pseudo-linear Kalman filter show that satisfactory estimation accuracy is achieved by SOSMO.

Resolução numérica de escoamentos compressíveis empregando um método de partículas livre de malhas e o processamento em paralelo (CUDA)

Os métodos numéricos convencionais, baseados em malhas, têm sido amplamente aplicados na resolução de problemas da Dinâmica dos Fluidos Computacional. Entretanto, em problemas de escoamento de fluidos que envolvem superfícies livres, grandes explosões, grandes deformações, descontinuidades, ondas de choque etc., estes métodos podem apresentar algumas dificuldades práticas quando da resolução destes problemas. Como uma alternativa viável, existem os métodos de partículas livre de malhas. Neste trabalho é feita uma introdução ao método Lagrangeano de partículas, livre de malhas, Smoothed Particle Hydrodynamics (SPH) voltado para a simulação numérica de escoamentos de fluidos newtonianos compressíveis e quase-incompressíveis. Dois códigos numéricos foram desenvolvidos, uma versão serial e outra em paralelo, empregando a linguagem de programação C/C++ e a Compute Unified Device Architecture (CUDA), que possibilita o processamento em paralelo empregando os núcleos das Graphics Processing Units (GPUs) das placas de vídeo da NVIDIA Corporation. Os resultados numéricos foram validados e a eficiência computacional avaliada considerandose a resolução dos problemas unidimensionais Shock Tube e Blast Wave e bidimensional da Cavidade (Shear Driven Cavity Problem).

Avaliação do impacto radiológico atmosférico de uma unidade de mineração e beneficiamento de urânio

Este trabalho teve como objetivo avaliar o impacto radiológico atmosférico da Unidade de Concentrado de Urânio URA, Caetité, BA, através da modelagem da dispersão de radionuclídeos e a estimativa da dose efetiva anual (em mSv.ano-1). Para tal, utilizou-se o programa MILDOS-AREA que foi desenvolvido pelo Argonne National Laboratory (ANL) em conjunto com a U.S. Nuclear Regulatory Commission (USNRC), para avaliar impacto radiológico ambiental atmosférico nas instalações de mineração e beneficiamento de urânio. O incremento de dose efetiva anual para três grupos críticos hipotéticos e oito grupos populacionais reais foi estimado com base na medida de fluxos de radônio e na estimativa das concentrações de radionuclídeos em particulados no ar dos principais termos fontes da URA (cava da mina, depósito de estéril e britador). Paralelamente, as medidas de concentração de radônio e taxa de kerma no ar, reportadas nos relatórios dos programas de monitoração ambiental pré-operacional (PMAPO) e operacional (PMAO) da URA, foram avaliadas. Os valores de dose efetiva anual estimados para os grupos críticos hipotéticos variaram de 1,78E-02 a 2,10E-02 mSv.ano-1, enquanto que para os grupos populacionais, variaram de 7,49E-05 a 1,56E-02 mSv.ano-1. A maior contribuição para o incremento da dose foi devida a inalação do radônio, sendo responsável por quase a totalidade da dose efetiva anual estimada. A média da concentração de atividade de radônio no entorno da URA foi 137,21 Bq m-3 e não sendo observada diferenças significativas entre as concentrações de radônio reportadas nos programas de monitoramento ambiental pré-operacional (valores de background) e operacional. Os valores médios de taxa de kerma no ar no entorno da URA foram de 0,136 μGy h-1. No entanto, em todos os pontos de monitoramento, os valores reportados no programa operacional foram inferiores aos valores reportados no programa pré-operacional (background), o que sugere problemas de medidas ou de coleta de dados durante a realização deste programa. O operador da URA utilizou para avaliação de impacto radiológico atmosférico, resultados apresentados em seus relatórios finais de análise de segurança (RFAS), um modelo próprio de simulação de dispersão, denominado Impacto Ambiental Radiológico (IAR7). Uma comparação entre o MILDOS-AREA e o IAR7, utilizando os mesmos parâmetros de entrada reportados no RFAS sugere que o IAR7 subestimou as concentrações de radônio no ar para os grupos críticos hipotéticos. Os resultados de simulação com o MILDOS-AREA mostram que as doses efetivas estimadas para os grupos críticos hipotéticos são inferiores a 0,3 mSv.ano-1 que é a restrição de dose estabelecida pela Comissão Nacional de Energia Nuclear. Recomenda-se que o código MILDOS-AREA seja utilizado no Brasil, para fins de licenciamento e controle, tendo em vista que o mesmo é um código validado e já utilizado em outros países para avaliar impacto radiológico ambiental atmosférico em instalações de mineração e beneficiamento de urânio

Biofiltração de compostos orgânicos voláteis e gás sulfídrico em estações de despejos industriais de processamento de hidrocarbonetos.

Neste trabalho foi estudado o tratamento simultâneo por biofiltração de emissões de compostos orgânicos voláteis, COV e gás sulfídrico, H2S, em estações de tratamento de despejos industriais, de refinaria de petróleo, ETDI. A biofiltração dos gases emanados da EDTI mostrou ser uma técnica de alta eficiência, atingindo valores de 95 a 99 % para tratamento simultâneo de COV e H2S em concentrações de 1000 e 100 ppmv, respectivamente. Foram realizados testes em 95 dias consecutivos de operação, em uma planta piloto instalada na Superintendência da Industrialização do Xisto, SIX, em São Mateus do Sul, Paraná, de março a agosto de 2006. O biofiltro foi do tipo fluxo ascendente, com 3,77 m3 de leito orgânico, composto de turfa, carvão ativado, lascas de madeira, serragem brita fina além de outros componentes menores. Foi realizada inoculação biológica com lodo filtrado de estação de tratamento de esgoto sanitário. As vazões de gás aplicadas variaram de 85 a 407 m3/h, resultando em taxas de carga de massa de 11,86 a 193,03 g de COV/h.m3 de leito e tempos de residência de 24 segundos a 6,5 minutos, com tempo ótimo de 1,6 minutos. A capacidade máxima de remoção do sistema encontrada, nas condições testadas, foi de 15 g de COV/h. m3, compatível com os valores encontrados na literatura para depuração biológica de COV na escala praticada. Também foi verificada a redução de componentes específicos de BTX, demonstrando boa degradabilidade dos compostos orgânicos. Finalmente o biofiltro demonstrou boa robustez biológica diante dos desvios operacionais intencionalmente provocados, tais como falta de umidade do leito, baixa temperatura, alta vazão, falta de carga de COV e baixo pH do leito. Depois de retomada a condição de operação estável, a biofiltração rapidamente atingiu o estado de equilíbrio, assegurando o uso eficiente e confiável da técnica no tratamento de gases de EDTI na indústria do hidrocarbonetos ou em refinarias de petróleo.

A closely integrated digital image capture device for embedded applications

A modular image capture system with close integration to CCD cameras has been developed. The aim is to produce a system capable of integrating CCD sensor, image capture and image processing into a single compact unit. This close integration provides a direct mapping between CCD pixels and digital image pixels. The system has been interfaced to a digital signal processor board for the development and control of image processing tasks. These have included characterization and enhancement of noisy images from an intensified camera and measurement to subpixel resolutions. A highly compact form of the image capture system is in an advanced stage of development. This consists of a single FPGA device and a single VRAM providing a two chip image capturing system capable of being integrated into a CCD camera. A miniature compact PC has been developed using a novel modular interconnection technique, providing a processing unit in a three dimensional format highly suited to integration into a CCD camera unit. Work is under way to interface the compact capture system to the PC using this interconnection technique, combining CCD sensor, image capture and image processing into a single compact unit. ©2005 Copyright SPIE - The International Society for Optical Engineering.

Accelerating Multiple Sequence Alignment with the Cell BE Processor

The Cell Broadband Engine (BE) Architecture is a new heterogeneous multi-core architecture targeted at compute-intensive workloads. The architecture of the Cell BE has several features that are unique in high-performance general-purpose processors, most notably the extensive support for vectorization, scratch pad memories and explicit programming of direct memory accesses (DMAs) and mailbox communication. While these features strongly increase programming complexity, it is generally claimed that significant speedups can be obtained by using Cell BE processors. This paper presents our experiences with using the Cell BE architecture to accelerate Clustal W, a bio-informatics program for multiple sequence alignment. We report on how we apply the unique features of the Cell BE to Clustal W and how important each is in obtaining high performance. By making extensive use of vectorization and by parallelizing the application across all cores, we demonstrate a speedup of 24.4 times when using 16 synergistic processor units on a QS21 Cell Blade compared to single-thread execution on the power processing unit. As the Cell BE exploits a large number of slim cores, our highly optimized implementation is just 3.8 times faster than a 3-thread version running on an Intel Core2 Duo, as the latter processor exploits a small number of fat cores.

Practical homomorphic encryption: A survey

Cloud computing technology has rapidly evolved over the last decade, offering an alternative way to store and work with large amounts of data. However data security remains an important issue particularly when using a public cloud service provider. The recent area of homomorphic cryptography allows computation on encrypted data, which would allow users to ensure data privacy on the cloud and increase the potential market for cloud computing. A significant amount of research on homomorphic cryptography appeared in the literature over the last few years; yet the performance of existing implementations of encryption schemes remains unsuitable for real time applications. One way this limitation is being addressed is through the use of graphics processing units (GPUs) and field programmable gate arrays (FPGAs) for implementations of homomorphic encryption schemes. This review presents the current state of the art in this promising new area of research and highlights the interesting remaining open problems.

Precoding techniques for coordinated multicell systems

Coordenação Multicélula é um tópico de investigação em rápido crescimento e uma solução promissora para controlar a interferência entre células em sistemas celulares, melhorando a equidade do sistema e aumentando a sua capacidade. Esta tecnologia já está em estudo no LTEAdvanced sob o conceito de coordenação multiponto (COMP). Existem várias abordagens sobre coordenação multicélula, dependendo da quantidade e do tipo de informação partilhada pelas estações base, através da rede de suporte (backhaul network), e do local onde essa informação é processada, i.e., numa unidade de processamento central ou de uma forma distribuída em cada estação base. Nesta tese, são propostas técnicas de pré-codificação e alocação de potência considerando várias estratégias: centralizada, todo o processamento é feito na unidade de processamento central; semidistribuída, neste caso apenas parte do processamento é executado na unidade de processamento central, nomeadamente a potência alocada a cada utilizador servido por cada estação base; e distribuída em que o processamento é feito localmente em cada estação base. Os esquemas propostos são projectados em duas fases: primeiro são propostas soluções de pré-codificação para mitigar ou eliminar a interferência entre células, de seguida o sistema é melhorado através do desenvolvimento de vários esquemas de alocação de potência. São propostas três esquemas de alocação de potência centralizada condicionada a cada estação base e com diferentes relações entre desempenho e complexidade. São também derivados esquemas de alocação distribuídos, assumindo que um sistema multicelular pode ser visto como a sobreposição de vários sistemas com uma única célula. Com base neste conceito foi definido uma taxa de erro média virtual para cada um desses sistemas de célula única que compõem o sistema multicelular, permitindo assim projectar esquemas de alocação de potência completamente distribuídos. Todos os esquemas propostos foram avaliados em cenários realistas, bastante próximos dos considerados no LTE. Os resultados mostram que os esquemas propostos são eficientes a remover a interferência entre células e que o desempenho das técnicas de alocação de potência propostas é claramente superior ao caso de não alocação de potência. O desempenho dos sistemas completamente distribuídos é inferior aos baseados num processamento centralizado, mas em contrapartida podem ser usados em sistemas em que a rede de suporte não permita a troca de grandes quantidades de informação.

A scalable and open source linear positioning system controller

This paper is on the implementation of a dual axis positioning system controller. The system was designed to be used for space-dependent ultrasound signal acquisition problems, such as pressure field mapping. The work developed can be grouped in two main subjects: hardware and software. Each axis includes one stepper motor connected to a driver circuit, which is then connected to a processing unit. The graphical user interface is simple and clear for the user. The system resolution was computed as 127 mu m with an accuracy of 2.44 mu m. Although the target application is ultrasound signal acquisition, the controller can be applied to other devices that has up to four stepper motors. The application was developed as an open source software, thus it can be used or changed to fit different purposes.

Análise de Desempenho e Recomendação para Soluções IVR

Mestrado em Engenharia Informática, Área de Especialização em Tecnologias do Conhecimento e da Decisão

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.

Scalable and Efficient Configuration of TimeDivision Multiplexed Resources

Consumer-electronics systems are becoming increasingly complex as the number of integrated applications is growing. Some of these applications have real-time requirements, while other non-real-time applications only require good average performance. For cost-efficient design, contemporary platforms feature an increasing number of cores that share resources, such as memories and interconnects. However, resource sharing causes contention that must be resolved by a resource arbiter, such as Time-Division Multiplexing. A key challenge is to configure this arbiter to satisfy the bandwidth and latency requirements of the real-time applications, while maximizing the slack capacity to improve performance of their non-real-time counterparts. As this configuration problem is NP-hard, a sophisticated automated configuration method is required to avoid negatively impacting design time. The main contributions of this article are: 1) An optimal approach that takes an existing integer linear programming (ILP) model addressing the problem and wraps it in a branch-and-price framework to improve scalability. 2) A faster heuristic algorithm that typically provides near-optimal solutions. 3) An experimental evaluation that quantitatively compares the branch-and-price approach to the previously formulated ILP model and the proposed heuristic. 4) A case study of an HD video and graphics processing system that demonstrates the practical applicability of the approach.

Scaling In-Memory databases on multicores

Current computer systems have evolved from featuring only a single processing unit and limited RAM, in the order of kilobytes or few megabytes, to include several multicore processors, o↵ering in the order of several tens of concurrent execution contexts, and have main memory in the order of several tens to hundreds of gigabytes. This allows to keep all data of many applications in the main memory, leading to the development of inmemory databases. Compared to disk-backed databases, in-memory databases (IMDBs) are expected to provide better performance by incurring in less I/O overhead. In this dissertation, we present a scalability study of two general purpose IMDBs on multicore systems. The results show that current general purpose IMDBs do not scale on multicores, due to contention among threads running concurrent transactions. In this work, we explore di↵erent direction to overcome the scalability issues of IMDBs in multicores, while enforcing strong isolation semantics. First, we present a solution that requires no modification to either database systems or to the applications, called MacroDB. MacroDB replicates the database among several engines, using a master-slave replication scheme, where update transactions execute on the master, while read-only transactions execute on slaves. This reduces contention, allowing MacroDB to o↵er scalable performance under read-only workloads, while updateintensive workloads su↵er from performance loss, when compared to the standalone engine. Second, we delve into the database engine and identify the concurrency control mechanism used by the storage sub-component as a scalability bottleneck. We then propose a new locking scheme that allows the removal of such mechanisms from the storage sub-component. This modification o↵ers performance improvement under all workloads, when compared to the standalone engine, while scalability is limited to read-only workloads. Next we addressed the scalability limitations for update-intensive workloads, and propose the reduction of locking granularity from the table level to the attribute level. This further improved performance for intensive and moderate update workloads, at a slight cost for read-only workloads. Scalability is limited to intensive-read and read-only workloads. Finally, we investigate the impact applications have on the performance of database systems, by studying how operation order inside transactions influences the database performance. We then propose a Read before Write (RbW) interaction pattern, under which transaction perform all read operations before executing write operations. The RbW pattern allowed TPC-C to achieve scalable performance on our modified engine for all workloads. Additionally, the RbW pattern allowed our modified engine to achieve scalable performance on multicores, almost up to the total number of cores, while enforcing strong isolation.