In recent years, the number of applications of model predictive control (MPC) is rapidly increasing due to the better control performance that it provides in comparison to traditional control methods. However, the main limitation of MPC is the computational e ort required for the online solution of an optimization problem. This shortcoming restricts the use of MPC for real-time control of dynamic systems with high sampling rates. This thesis aims to overcome this limitation by implementing high-performance MPC solvers for real-time control of fast systems. Hence, one of the objectives of this work is to take the advantage of the particular mathematical structures that MPC schemes exhibit and use parallel computing to improve the computational e ciency. Firstly, this thesis focuses on implementing e cient parallel solvers for linear MPC (LMPC) problems, which are described by block-structured quadratic programming (QP) problems. Speci cally, three parallel solvers are implemented: a primal-dual interior-point method with Schur-complement decomposition, a quasi-Newton method for solving the dual problem, and the operator splitting method based on the alternating direction method of multipliers (ADMM). The implementation of all these solvers is based on C++. The software package Eigen is used to implement the linear algebra operations. The Open Message Passing Interface (Open MPI) library is used for the communication between processors. Four case-studies are presented to demonstrate the potential of the implementation. Hence, the implemented solvers have shown high performance for tackling large-scale LMPC problems by providing the solutions in computation times below milliseconds. Secondly, the thesis addresses the solution of nonlinear MPC (NMPC) problems, which are described by general optimal control problems (OCPs). More precisely, implementations are done for the combined multiple-shooting and collocation (CMSC) method using a parallelization scheme. The CMSC method transforms the OCP into a nonlinear optimization problem (NLP) and de nes a set of underlying sub-problems for computing the sensitivities and discretized state values within the NLP solver. These underlying sub-problems are decoupled on the variables and thus, are solved in parallel. For the implementation, the software package IPOPT is used to solve the resulting NLP problems. The parallel solution of the sub-problems is performed based on MPI and Eigen. The computational performance of the parallel CMSC solver is tested using case studies for both OCPs and NMPC showing very promising results. Finally, applications to autonomous navigation for the SUMMIT robot are presented. Specially, reference tracking and obstacle avoidance problems are addressed using an NMPC approach. Both simulation and experimental results are presented and compared to a previous work on the SUMMIT, showing a much better computational e ciency and control performance. / Tesis

This thesis describes the integration of the end-to-end flow real-time model, which is defined in the MARTE (Modeling and Analysis of Real-Time and Embedded Systems) standard, into distribution middleware, as it can facilitate the development process of distributed real-time systems based on the Model-Driven Engineering (MDE) paradigm. The study focuses on how distribution standards and their implementations guarantee the real-time behaviour of these kinds of applications, thus providing a set of features required to develop analyzable distributed real-time systems. The standards studied are RT-CORBA (Real-Time Common Object Request Broker Architecture), the DSA (Distributed Systems Annex) of Ada, and DDS (Data Distribution Service for real-time systems). The features analysed will contribute to the definition of the endpoints pattern, a new proposal that, when integrated with distribution middleware, enables the use of MDE and schedulability analysis techniques more easily. This thesis also presents a distributed real-time platform supporting different distribution standards, and scheduling policies, and several examples or case studies to validate the features and usability of the endpoints pattern. In addition, this thesis deals with the use of the end-to-end flow model in high-integrity systems by adapting the endpoints pattern to the Ravenscar profile, and also explores the integration of the proposal into a toolset for MDE to enable the automatic generation of Ravenscar-compliant distribution code. Finally, specific implementations of the endpoints pattern are presented for full and restricted Ada.

Los sistemas de tiempo real fueron, en un principio, concebi-dos para ser utilizados en aplicaciones críticas tales como sistemas espaciales, aviación, control de centrales, plantas industriales. En este tipo de aplicaciones, las decisiones que provienen de estos algoritmos de control deben ser aplicadas antes de un determinado instante de tiempo denominado vencimiento. Debido a que estas aplicaciones son conside-radas críticas, las primeras investigaciones definieron a estos sistemas como de tiempo real duro, en los cuales ningún ven-cimiento puede ser perdido. Generalmente, las condiciones para garantizar tiempo real duro son pesimistas y los sistemas resultan en consecuencia sobredimensionados. Esta capa-cidad de procesamiento ociosa fue utilizada para la ejecución de tareas denominadas blandas. Estas tareas son atendidas por el sistema una vez que las condiciones temporales duras están garantizadas. Una de las mayores áreas de utilización de sistemas de tiempo real son las aplicaciones de control. Sin embargo, y debido a las discrepancias existentes entre la teoría de control y la de tiempo real, existen perturbaciones que los sistemas de tiempo real producen en las aplicaciones de control. Estas perturbaciones son debido a que en un sistema de tiempo real, las estrategias de control pueden ser relegadas del uso del procesador produciendo retardos cuando existen tareas de mayor prioridad que requieren su utilización. Como estos retardos no son constantes de invocación a invocación de la tarea de control, se produce un jitter que no es tenido en cuenta por la teoría de control y que puede provocar efectos indeseables sobre la aplicación. Por consiguiente, el modelo de tareas considerado por la teoría clásica de tiempo real no es enteramente adecuado para su utilización en sistemas de control.Esto se debe a que en ellos, no resulta suficiente observar el cumplimiento de los vencimientos ya que aparecen nuevos requerimientos temporales no contemplados por dichos modelos como son las fluctuaciones en los tiempos de actualización de parámetros de control y de las señales de comando, que provocan per-turbaciones indeseadas en el sistema a controlar. En este contexto, esta tesis propone la utilización de técnicas que admiten una violación acotada de los requerimientos en pos de garantizar su aplicabilidad a sistemas de control intole-rantes a variaciones en los tiempos de activación y respues-ta de tareas críticas aprovechando tanto los tiempos ociosos del sistema como produciendo pérdidas controladas de venci-mientos que no comprometan la integridad del sistema. El objetivo principal de esta tesis consiste en el análisis y de-sarrollo de disciplinas de planificación en tiempo real de bajo jitter para aplicaciones de propósito dedicado en sistemas de control.

Las labores de organizaciones especializadas como ITU-T Video Coding Experts Group e ISO/IEC Moving Picture Experts Group han permitido el desarrollo de la codificación de video a lo largo de estos años. Durante la primera década de este siglo, el trabajo de estas organizaciones estuvo centrado en el estándar H.264/AVC; sin embargo, el incremento de servicios como transmisión de video por Internet y redes móviles así como el surgimiento de mayores resoluciones como 4k u 8k llevó al desarrollo de un nuevo estándar de codificación denominado HEVC o H.265, el cual busca representar los cuadros de video con menor información sin afectar la calidad de la imagen. El presente trabajo de tesis está centrado en el módulo de Estimación de Movimiento Fraccional el cual forma parte del codificador HEVC y presenta una elevada complejidad computacional. En este trabajo, se han tomado en cuenta las mejoras incluidas por el estándar HEVC las cuales radican en los filtros de interpolación empleados para calcular las muestras fraccionales. Para verificar el algoritmo, se realizó la implementación del mismo utilizando el entorno de programación MATLAB®. Este programa también ha permitido contrastar los resultados obtenidos por medio de la simulación de la arquitectura. Posteriormente, se diseñó la arquitectura teniendo como criterios principales la frecuencia de procesamiento así como optimizar la cantidad de recursos lógicos requeridos. La arquitectura fue descrita utilizando el lenguaje de descripción de hardware VHDL y fue sintetizada para los dispositivos FPGA de la familia Virtex los cuales pertenecen a la compañía Xilinx®. La verificación funcional fue realizada por medio de la herramienta ModelSim empleando Testbenchs. Los resultados de máxima frecuencia de operación fueron obtenidos por medio de la síntesis de la arquitectura; adicionalmente, por medio de las simulaciones se verificó la cantidad de ciclos de reloj para realizar el algoritmo. Con estos datos se puede fundamentar que la arquitectura diseñada es capaz de procesar secuencias de video HDTV (1920x1080 píxeles) a una tasa de procesamiento mayor o igual a 30 cuadros por segundo. / Tesis

El estándar HEVC (High Efficiency Video Coding por sus siglas en inglés) introduce nuevos elementos y técnicas en las diferentes etapas del codificador/decodificador, con el objetivo de conseguir mejoras significativas en la eficiencia de compresión. En relación a la fase de predicción de vectores de movimiento (MV del inglés Motion Vector), el estándar ha propuesto una técnica referida como AMVP (Advanced Motion Vector Prediction por sus siglas en inglés) que supone una mayor complejidad computacional que la fase de predicción implementada en el estándar previo (H.264/AVC), a costa de un ahorro considerable en términos de bit-rate y tiempo de ejecución. Por otro lado, algoritmos y técnicas independientes que consiguen mejoras en el software de referencia del presente estándar se han venido proponiendo en el campo de estudio; siendo uno de estos el algoritmo DSR (del inglés Dynamic Search Range) el cual responde a la determinación del rango de búsqueda y consigue una notable reducción en el tiempo de ejecución del proceso de estimación de movimiento (ME del inglés Motion Estimation). Consecuentemente, la presente propuesta plantea el desarrollo de una arquitectura en hardware (HW) de la etapa inicial del proceso ME del codificador HEVC, con la finalidad de reducir la carga computacional del mismo. Este primer paso engloba la determinación de los MVs predictores y el cálculo del rango de búsqueda. En base a ello, se ha conseguido diseñar una arquitectura que atiende a dichos procesos fundado en los algoritmos AMVP y DSR, respectivamente. Asimismo, la arquitectura propuesta resuelve problemas de dependencia presentes en la etapa inicial del ME con la etapa ME propiamente dicha, lo cual permite potenciar el desempeño general. Los resultados de síntesis demuestran que la arquitectura alcanza procesar secuencias de video con calidad ultra alta definición, referido también como UHD (siglas del término en inglés Ultra High Definition) superando los recuadros por segundo requeridos para operar en tiempo real. Específicamente, el diseño logra una tasa de procesamiento de 72 recuadros por segundo para secuencias 8K (7680x4320) con espacio de color YCbCr, en un FPGA de la familia Kintex 7. / Tesis

Los sistemas distribuidos han evolucionado a lo largo de los años a través de distintas vertientes. Dentro de ellas, uno de los paradigmas que más se desarrolló en el último tiempo es el Internet de las Cosas, que puede definirse como la conexión a Internet de objetos físicos, con el fin de interactuar con los mismos de manera remota e integrarlos a otros procesos informáticos. Son varios y multidisciplinarios los desafíos que esto implica: desde la gestión de energía de los dispositivos, hasta la lectura de los datos por parte de usuarios finales. Dentro del amplio rango de objetos de estudio que involucra este paradigma, esta tesis intenta contribuir con soluciones concretas a problemas específicos, haciendo énfasis principalmente en cuestiones relacionadas con las capas lógicas de las redes de comunicación. En los diferentes capítulos que componen este trabajo, se presentan, entre otras cosas, arquitecturas, diseños, modelos formales, extensiones de protocolos de comunicación exis tentes e implementaciones en escenarios reales. Todas las propuestas tienen como principal motivación aportar al desarrollo del Internet de las Cosas en casos de uso reales que buscan el bienestar social. / Distributed systems have evolved over the years in different ways. Among them, one of the most developed paradigms in recent times is the Internet of Things, which can be defined as connecting physical objects to the Internet, in order to interact with them remotely and integrate them with other computer processes. The challenges that this implies are several and multidisciplinary: from energy management, to data consumption by end users. Within the wide range of study subjects involved in this paradigm, this thesis attempts to contribute with concrete solutions to specific problems, focusing mainly on issues related to the logical layers that compose communication networks. The different chapters that compose this work present architectures, designs, formal mo dels, extensions of existing communication protocols and implementations in real scenarios, among other things. The main motivation of all these proposals is to contribute to the development of the Internet of Things in real use cases that aim social wellfar.

Los sistemas embebidos se han convertido en una parte importante de la vida cotidiana. Desde pequenos dispositivos de entretenimiento como reproductores de MP3, a enormes plantas industriales o satélites están aprovechando la continua investigacion en este campo. Los sistemas de tiempo real son sistemas que tienen estrictas restricciones de tiempo en su especificación. En particular, el software para sistemas embebidos suele estar sujeto a restricciones de tiempo que se derivan de la definición misma del problema. A partir de lo anterior, en esta tesis, se plantean los siguien-tes aportes: 1) la elaboración de una política de planificación dinámica que contemple, al momento de establecer las prio-ridades de las tareas, el comportamiento de éstas, lo cual implica ampliar el modelo clásico de las mismas; 2) la cons-trucción de una política de manejo de recursos compartidos segura y de eficiente implementacion, que pueda adaptarse y coexistir junto con la formulada como objetivo en el punto anterior, y que además sea utilizable durante todo el proceso de desarrollo de la aplicación; y finalmente 3) el desarrollo de un marco de software que brinde las bases para una correcta y rápida implementación de las polıticas propuestas en los puntos anteriores, junto con todas aquellas entidades participantes en el sistema. / Embedded systems have become an important part of everyday life. From small entertainment devices like MP3 players to huge industrial plants or satellites, are taking advantage of the ongoing research in this field. Real-time systems are systems that have strict time constraints in their specifications. In particular, the software for embedded systems is often subject to time constraints arising from the very definition of the problem. From the above, in this thesis, the following contributions are made: 1) the development of a dynamic scheduling policy that takes into account the behavior of the tasks, when setting their priorities. This involves extending the classic model of tasks. 2) The construction of a policy for the management of shared resources which is safe and efficient. This policy can also adapt and coexist with the objective formulated in the previous point. In addition, the proposed policy can be used throughout the development process of an application. And finally 3) the development of a software framework that provides the foundation for a correct and rapid implemen-tation of the policies proposed in the above, along with all entities participating in the system.

En el Perú de acuerdo a lo señalado por la Constitución Política del Estado y el Código Civil los juegos de azar no están prohibidos, salvo aquellos que por mandato expreso de la Ley se prohíban, tal es el caso de las máquinas tragamonedas dirigidas a menores de edad y las peleas de perros galgos. Es así que se cuenta con regulación específica de los siguientes juegos de azar: i) las loterías a cargo del Ministerio de la Mujer y en convenios con diferentes Beneficencias Públicas; ii) la hípica a cargo de las Municipalidades Provinciales; iii) los juegos de casino y máquinas tragamonedas a cargo del Ministerio de Comercio Exterior y Turismo - MINCETUR, siendo el área competente para su regulación la Dirección General de Juegos de Casino y Máquinas Tragamonedas - DGJCMT. La actividad de juegos de casino y máquinas tragamonedas en el Perú se encuentra regulada desde el 11 de julio del año 1990. El sector de juegos de casino y máquinas tragamonedas en el Perú ha cambiado de manera considerable desde el año 2006 hasta el año 2012. Las razones del cambio es gracias a una autoridad que ha generado normas legales pertinentes durante este periodo, la estrategia de trabajo, basada en responsabilidad, transparencia y trato abierto al diálogo entre autoridad y administrados, frente aún escenario consolidado de operadores locales y de inversión extranjera. La actividad de salas de juego tragamonedas llegó a su punto más crítico a finales del año 2006, cuando la industria del juego se desenvolvía bajo un escenario de incertidumbre, caos y desorden, que se tradujo en que menos del 4 por ciento de las salas de juegos de tragamonedas a nivel nacional operaban de manera informal, el 96 por ciento restante operaban bajo protecciones de acciones de amparo obtenidas de manera dudosa a nivel nacional, las mismas que se convirtieron en “seudo autorizaciones otorgadas por algunos jueces del Poder Judicial”. Las consecuencias de este periodo fueron nefastas; pues estas acciones de amparo permitían la operación y explotación de las salas de juegos de tragamonedas sin fiscalización y sin control por parte del estado, importación de máquinas tragamonedas que no cumplían con los requisitos técnicos y legales, adicionalmente que las acciones de amparo permitían a los operadores al no pago del impuesto que corresponde de acuerdo a Ley; situación que provocó una irreal recaudación del impuesto y sobre todo una evasión del mismo.

El presente proyecto de fin de carrera tiene como fin la implementación de las reglas y la lógica de control de un videojuego que permite contar una historia a través de sus personajes. Se exploran características de juego de rol (RPG), centrándose en el control y la evolución de un personaje a través del tiempo en un contexto narrativo; y características de un juego de estrategia real (RTS), presentando un entorno donde se enfatizan desafíos estratégicos, tácticos y logísticos. En el primer capítulo se presenta la problemática y el contexto que sugiere la implementación de la lógica de control de un videojuego de las características señaladas en el primer párrafo. Además se propone una solución luego de presentar los conceptos principales que faciliten la comprensión del presente documento y un análisis cronológico de la evolución de los elementos de juego de rol y estrategia en tiempo real a través de los juegos más representativos de ambos géneros según el autor. En el segundo capítulo se realiza un análisis de viabilidad del proyecto y se identifican los requerimientos de la solución propuesta, según la metodología seleccionada, que sirven para presentar en el tercer capítulo el diseño de la solución. El diseño comprende la arquitectura de software y la exploración de cada una de las componentes que la integran y finalmente, el diseño del sistema de directorios y eventos que configuran el videojuego. En el cuarto capítulo se presentan las herramientas, tecnología y estándares de programación usadas para la construcción de la solución. Además se proponen las pruebas automatizadas y las pruebas de regresión para la verificación de las exigencias del producto. Finalmente en el quinto capítulo se presentan las observaciones del proyecto donde se evalúa la escalabilidad de la solución y las recomendaciones para la implementación de nuevas funcionalidades en trabajos futuros. Las conclusiones finales son expuestas en el contexto de los resultados esperados y los objetivos planteados al inicio del proyecto. / Tesis

En la actualidad, el desarrollo de sistemas que permitan la interacción ser humano - computador es un tema que es ampliamente abordado en diversas campos. Dispositivos tales como el Iphone, Ipad, la Samsung Galaxy Tab, entre otros, poseen aplicaciones de uso sencillo e intuitivo, brindando al usuario una experiencia de mayor realismo. Algunas de las aplicaciones más exitosas se dan en el sector del entretenimiento: El XBox 360, Nintendo Wii, Play Station 3 y 4 con sus diversos accesorios (cámaras, controladores, etc.) ofrecen juegos que interactuan con el ser humano en tiempo real. En medio de este contexto y conociendo del interés que existe por la investigación y desarrollo de sistemas en visión por computador, en la presente tesis se muestra el desarrollo de un sistema que permite la interacción ser humano - computador. Este sistema permite la detección y seguimiento de un objeto esférico en tiempo real, esto a través de una interfaz en la cual el usuario puede percibir el seguimiento de una esfera y cuyos movimientos son captados por una cámara de video. El planteamiento de la solución está inspirado en el sistema Play Station Move, el cual permite el seguimiento de una esfera ubicada en un controlador de movimiento, brindando al usuario una mayor sensación de realismo y control de las acciones realizadas. No obstante, y a diferencia del sistema desarrollado por Play Station, el presente estudio no hace uso de acelerómetros para el seguimiento planteado. El sistema a desarrollar opera bajo condiciones de precisión y tiempo de procesamiento que permite una interacción aceptable con el usuario, y se centra en el desarrollo e implementación de algoritmos matemáticos (en lenguaje C) en tiempo real que permiten la detección y seguimiento del objeto esférico. Para la interfaz computador - cámara de video se utiliza una librería ya existente, previamente desarrollada en el laboratorio de DSP, la cual a su vez está basada en la librería ffmpeg. / Tesis