Model predictive flight control systems for rotorcraft UAS

Constraints are widely present in the flight control problems: actuators saturations or flight envelope limitations are only some examples of that. The ability of Model Predictive Control (MPC) of dealing with the constraints joined with the increased computational power of modern calculators makes this approach attractive also for fast dynamics systems such as agile air vehicles. This PhD thesis presents the results, achieved at the Aerospace Engineering Department of the University of Bologna in collaboration with the Dutch National Aerospace Laboratories (NLR), concerning the development of a model predictive control system for small scale rotorcraft UAS. Several different predictive architectures have been evaluated and tested by means of simulation, as a result of this analysis the most promising one has been used to implement three different control systems: a Stability and Control Augmentation System, a trajectory tracking and a path following system. The systems have been compared with a corresponding baseline controller and showed several advantages in terms of performance, stability and robustness.

Complex higher spins, Weyl invariance and tractors

In this thesis work I analyze higher spin field theories from a first quantized perspective, finding in particular new equations describing complex higher spin fields on Kaehler manifolds. They are studied by means of worldline path integrals and canonical quantization, in the framework of supersymmetric spinning particle theories, in order to investigate their quantum properties both in flat and curved backgrounds. For instance, by quantizing a spinning particle with one complex extended supersymmetry, I describe quantum massless (p,0)-forms and find a worldline representation for their effective action on a Kaehler background, as well as exact duality relations. Interesting results are found also in the definition of the functional integral for the so called O(N) spinning particles, that will allow to study real higher spins on curved spaces. In the second part, I study Weyl invariant field theories by using a particular mathematical framework known as tractor calculus, that enable to maintain at each step manifest Weyl covariance.

Cosmological perturbations in generalized theories of gravity

The first part of the thesis concerns the study of inflation in the context of a theory of gravity called "Induced Gravity" in which the gravitational coupling varies in time according to the dynamics of the very same scalar field (the "inflaton") driving inflation, while taking on the value measured today since the end of inflation. Through the analytical and numerical analysis of scalar and tensor cosmological perturbations we show that the model leads to consistent predictions for a broad variety of symmetry-breaking inflaton's potentials, once that a dimensionless parameter entering into the action is properly constrained. We also discuss the average expansion of the Universe after inflation (when the inflaton undergoes coherent oscillations about the minimum of its potential) and determine the effective equation of state. Finally, we analyze the resonant and perturbative decay of the inflaton during (p)reheating. The second part is devoted to the study of a proposal for a quantum theory of gravity dubbed "Horava-Lifshitz (HL) Gravity" which relies on power-counting renormalizability while explicitly breaking Lorentz invariance. We test a pair of variants of the theory ("projectable" and "non-projectable") on a cosmological background and with the inclusion of scalar field matter. By inspecting the quadratic action for the linear scalar cosmological perturbations we determine the actual number of propagating degrees of freedom and realize that the theory, being endowed with less symmetries than General Relativity, does admit an extra gravitational degree of freedom which is potentially unstable. More specifically, we conclude that in the case of projectable HL Gravity the extra mode is either a ghost or a tachyon, whereas in the case of non-projectable HL Gravity the extra mode can be made well-behaved for suitable choices of a pair of free dimensionless parameters and, moreover, turns out to decouple from the low-energy Physics.

The relation between geometry and matter in classical and quantum gravity and cosmology

The present thesis is divided into two main research areas: Classical Cosmology and (Loop) Quantum Gravity. The first part concerns cosmological models with one phantom and one scalar field, that provide the `super-accelerated' scenario not excluded by observations, thus exploring alternatives to the standard LambdaCDM scenario. The second part concerns the spinfoam approach to (Loop) Quantum Gravity, which is an attempt to provide a `sum-over-histories' formulation of gravitational quantum transition amplitudes. The research here presented focuses on the face amplitude of a generic spinfoam model for Quantum Gravity.

Luoghi di identità e spazi del sacro nella città europea contemporanea

A fronte della frammentarietà e della confusione semantica della città contemporanea, la ricerca sui ‘Luoghi di identità e spazi del sacro nella città europea contemporanea’ ha inteso affrontare il tema della morfologia urbana in termini di significato. La focalizzazione sui temi dell’identità e del sacro nella città odierna è stata intesa quale modalità per tentare di andare alla radice dell’irrisolto problema di mancanza di senso che affligge la compagine urbana contemporanea e per cercare di individuare le cause e, quindi, le possibili azioni necessarie a riportare il costruito nell’ambito della relazione significante. Il campo di indagine è quello delle aree periferiche europee, ma la ricerca si muove da considerazioni di ordine generale relativamente alle reti di relazioni che l’essere umano instaura con il mondo circostante. Il lavoro sviluppa un primo inquadramento del tema di carattere generale, con un riferimento sistematico alla letteratura scientifica, individuando attraverso un sintetico excursus storico, i principi fondamentali della costruzione dell’immagine spaziale e del suo evolversi nel tempo. Su questa base i tre concetti di ‘centralità’, ‘identità’ e ‘sacro’, sono intesi come i cardini del discorso circa gli ambiti di significato e, sulla base di studi di alcune esperienze europee ritenute particolarmente esemplificative, la trattazione di questi tre temi arriva a proporre alcune considerazioni in merito alle caratteristiche che il contesto urbano deve avere per manifestarsi come luogo di costruzione di una identità personale e comunitaria. Nella consapevolezza che l’ampiezza dei temi considerati non ne consente una trattazione esaustiva, le considerazioni fatte sono da intendersi quali spunti di riflessione a riguardo dei metodi e delle modalità di relazione che sono ritenute necessarie per la costruzione di spazi di riferimento orientativo, identitario e socializzante.

Strongly correlated quantum gases in one dimension

In this work, we discuss some theoretical topics related to many-body physics in ultracold atomic and molecular gases. First, we present a comparison between experimental data and theoretical predictions in the context of quantum emulator of quantum field theories, finding good results which supports the efficiency of such simulators. In the second and third parts, we investigate several many-body properties of atomic and molecular gases confined in one dimension.

Theoretical and numerical study of the laser-plasma ion acceleration

The laser driven ion acceleration is a burgeoning field of resarch and is attracting a growing number of scientists since the first results reported in 2000 obtained irradiating thin solid foils by high power laser pulses. The growing interest is driven by the peculiar characteristics of the produced bunches, the compactness of the whole accelerating system and the very short accelerating length of this all-optical accelerators. A fervent theoretical and experimental work has been done since then. An important part of the theoretical study is done by means of numerical simulations and the most widely used technique exploits PIC codes (“Particle In Cell'”). In this thesis the PIC code AlaDyn, developed by our research group considering innovative algorithms, is described. My work has been devoted to the developement of the code and the investigation of the laser driven ion acceleration for different target configurations. Two target configurations for the proton acceleration are presented together with the results of the 2D and 3D numerical investigation. One target configuration consists of a solid foil with a low density layer attached on the irradiated side. The nearly critical plasma of the foam layer allows a very high energy absorption by the target and an increase of the proton energy up to a factor 3, when compared to the ``pure'' TNSA configuration. The differences of the regime with respect to the standard TNSA are described The case of nearly critical density targets has been investigated with 3D simulations. In this case the laser travels throughout the plasma and exits on the rear side. During the propagation, the laser drills a channel and induce a magnetic vortex that expanding on the rear side of the targer is source of a very intense electric field. The protons of the plasma are strongly accelerated up to energies of 100 MeV using a 200PW laser.

Statistical analysis and simulation techniques in wall-bounded turbulence

The present work is devoted to the assessment of the energy fluxes physics in the space of scales and physical space of wall-turbulent flows. The generalized Kolmogorov equation will be applied to DNS data of a turbulent channel flow in order to describe the energy fluxes paths from production to dissipation in the augmented space of wall-turbulent flows. This multidimensional description will be shown to be crucial to understand the formation and sustainment of the turbulent fluctuations fed by the energy fluxes coming from the near-wall production region. An unexpected behavior of the energy fluxes comes out from this analysis consisting of spiral-like paths in the combined physical/scale space where the controversial reverse energy cascade plays a central role. The observed behavior conflicts with the classical notion of the Richardson/Kolmogorov energy cascade and may have strong repercussions on both theoretical and modeling approaches to wall-turbulence. To this aim a new relation stating the leading physical processes governing the energy transfer in wall-turbulence is suggested and shown able to capture most of the rich dynamics of the shear dominated region of the flow. Two dynamical processes are identified as driving mechanisms for the fluxes, one in the near wall region and a second one further away from the wall. The former, stronger one is related to the dynamics involved in the near-wall turbulence regeneration cycle. The second suggests an outer self-sustaining mechanism which is asymptotically expected to take place in the log-layer and could explain the debated mixed inner/outer scaling of the near-wall statistics. The same approach is applied for the first time to a filtered velocity field. A generalized Kolmogorov equation specialized for filtered velocity field is derived and discussed. The results will show what effects the subgrid scales have on the resolved motion in both physical and scale space, singling out the prominent role of the filter length compared to the cross-over scale between production dominated scales and inertial range, lc, and the reverse energy cascade region lb. The systematic characterization of the resolved and subgrid physics as function of the filter scale and of the wall-distance will be shown instrumental for a correct use of LES models in the simulation of wall turbulent flows. Taking inspiration from the new relation for the energy transfer in wall turbulence, a new class of LES models will be also proposed. Finally, the generalized Kolmogorov equation specialized for filtered velocity fields will be shown to be an helpful statistical tool for the assessment of LES models and for the development of new ones. As example, some classical purely dissipative eddy viscosity models are analyzed via an a priori procedure.

Problematiche delle infezioni da CMV in gravidanza: ruolo dell'ecografia

Problematiche delle infezioni da Citomegalovirus in gravidanza Obiettivi: migliorare la sensibilità dell'ecografia nella diagnosi di infezione da CMV individuando un reperto ecografico cerebrale suggestivo di infezione fetale da Citomegalovirus a 20 settimane di gestazione. Metodi: tra febbraio 1989 e settembre 2009, 721 pazienti afferenti alla nostra Unità di Medicina Materno fetale per infezione primaria da CMV hanno eseguito amniocentesi e sono state sottoposte ad un esame neurosonografico transvaginale a 20-22 settimane di gestazione. Risultati: in 29 feti con infezione congenita sono state evidenziate anomalie ecografiche (17%), di cui in 22 casi a livello cerebrale. In 13 casi l'ecografia transvaginale ha permesso di identificare un alone ecogeno periventricolare a margini ben definiti ad un'epoca gestazionale media di 20.5 settimane (20-22 settimane). Di questi casi 12 pazienti hanno deciso di interrompere la gravidanza. L'unico neonato ha presentato alla nascita un'ipoacusia bilaterale. I riscontri autoptici ottenuti (7/12) hanno mostrato un'infezione citomegalica disseminata ed in 3 casi segni a livello cerebrale. Conclusioni: il limite ecografico della diagnosi di infezione fetale nei casi di infezione primaria da CMV è noto. In pazienti gravide alla 20 settimana di gestazione con infezione recente da Citomegalovirus, il riscontro di un alone ecogeno periventricolare risulta essere un precoce ed attendibile segno di infezione fetale e di possibile danno della sostanza bianca cerebrale. Occorrono però studi aggiuntivi per valutare la possibile manifestazione clinica di questa anomalia cerebrale nei neonati con infezione da CMV.

Valutazione delle componenti plasmatiche, cellulari e genetiche coinvolte nell'aneurisma dell'aorta addominale

Background: Kasashima et al hanno individuato nella popolazione giapponese un sottogruppo di aneurismi aortici addominali (AAA) infiammatori con le caratteristiche clinico patologiche della Malattia autoimmune Sistemica IgG4 Correlata. La distinzione tra i diversi gruppi di AAA è clinicamente importante sia per il follow up che per il trattamento di questa patologia. Obiettivo dello studio era la valutazione della componente flogistica, vascolare e stromale della parete aortica aneurismatica, la ricerca di aneurismi infiammatori ed in particolare di AAA- IgG4 correlati anche nella popolazione caucasica. Materiali e metodi: Sono stati esaminati i dati relativi a 21 pazienti trattati chirurgicamente per AAA presso l’Unità Operativa di Chirurgia Vascolare di Ferrara. Sono state eseguite analisi immunoistochimiche di prelievi intraoperatori di parete aortica aneurismatica. Risultati: I dati emersi hanno identificato 3 sottopopolazioni di pazienti con AAA: aneurismi di tipo aterosclerotico con negatività ai markers infiammatori (AAAa), aneurismi infiammatori con positività ai markers infiammatori e negatività per le IgG4 (AAAI) ed infine aneurismi infiammatori con positività alle IgG4 (AAAI-IgG4). Conclusioni: Questo studio ha confermato l’ipotesi che la malattia aneurismatica IgG4 correlata è presente anche nella popolazione caucasica. Con il proseguimento del nostro studio sarà interessante verificare la conferma di questi dati anche in altri pazienti al fine di ricercare la miglior strategia terapeutica e minimizzare il rischio di complicanze.

Studi su modelli supersimmetrici con N=1 in d=4

Si studiano modelli con supersimmetria globale N=1 in d=4, con e senza interazioni di gauge, con riferimento anche alla Gauge Mediation.

Ingegneria di Manutenzione

Lo scopo di questa tesi di dottorato di ricerca consiste nel fornire la giusta collocazione della manutenzione fra le discipline dell'ingegneria, raccogliendo e formalizzando le metodologie di analisi di affidabilità e di pianificazione degli interventi all'interno di un unico processo di progettazione e di controllo. In linea di principio, un processo di analisi dei guasti e di programmazione della manutenzione deve essere in grado di fornire chiare e sicure risposte ai seguenti interrogativi: Quali sono le funzioni richieste e con quali criteri di prestazioni il sistema è chiamato ad assolverle? Qual'è l'andamento della disponibilità del sistema in funzione del tempo? Quanti guasti e di quale tipo si possono verificare durante la vita del sistema? Quali possono essere le conseguenze che ledono la sicurezza e la protezione ambientale? Quanti pezzi di ricambio sono necessari? Che tipo di interventi di manutenzione preventiva risultano tecnicamente fattibili? A quali scadenze devono essere programmati? A quanto ammonta la previsione del costo di esercizio del sistema? Quante squadre di manutenzione devono essere assegnate al sistema? Come deve essere organizzata la logistica di manutenzione? Con quali tecniche si prevede di riconoscere i guasti e quali procedure devono essere attivate per farvi fronte? E' possibile implementare tecniche di `condition monitoring' delle macchine? Su quali tempi di preavviso sui guasti si può contare? In tal senso, la manutenzione necessita delle tecniche e degli opportuni strumenti che siano in grado di misurarne l'efficacia e l'efficienza. L'efficacia in primo luogo, in quanto l'obiettivo principe consiste nel garantire che il sistema oggetto di studio continui a svolgere le proprie funzioni nei limiti di prestazioni accettabili, secondo le specifiche richieste degli utilizzatori. L'efficienza in secondo luogo, ma non per questo di minore importanza, in quanto perseguendo l'obiettivo di cui sopra, occorre impegnare il minimo di risorse possibili, organizzando con razionalità il supporto logistico del sistema al fine di raggiungere i massimi livelli di rendimento di gestione. La migliore strategia di manutenzione può essere pianificata, a priori, solo se si è in grado di prevedere con la necessaria precisione l'evoluzione del sistema nel suo contesto operativo futuro. E' allora possibile formulare un modello matematico del sistema, studiarne la dinamica ed osservare le reazioni alla simulazione di eventuali stimoli esterni. I metodi ed i modelli noti dell'ingegneria dei sistemi possono essere molto utili per la risoluzione di casi semplici, ma sovente richiedono la formulazione di ipotesi troppo restrittive che aumentano in modo inaccettabile la distanza del modello dalla realtà. Una strada alternativa ed affascinante, che ho percorso con entusiasmo durante questi tre anni di studi e ricerca, consiste nella simulazione numerica della vita del sistema, utilizzando il metodo Monte Carlo per la gestione dei processi stocastici di guasto e per l'esecuzione degli interventi di manutenzione. Ho quindi messo a punto il codice di simulazione RAMSES, perseguendo l'idea di costruire uno strumento di misura dell'efficacia e dell'efficienza di una politica di manutenzione simulata al calcolatore. Nella tesi si presentano i concetti di base dell'ingegneria dei sistemi applicata al caso della manutenzione e si introduce il formalismo della Reliability Centred Maintenance come miglior guida nella pianificazione delle schede di manutenzione. Si introducono le nozioni di base per fornire una struttura solida e corretta alla simulazione numerica dei sistemi riparabili e si presenta il codice RAMSES corredando le informazioni tecniche con i dovuti esempi ed applicazioni pratiche. Si conclude il lavoro, infine, con la presentazione di un modello di massima verosimiglianza particolarmente utile per le analisi dei dati sperimentali di guasto dei componenti.

Strong semiclassical gravity in the universe and the laboratory

Three published papers are resumed in this thesis. Different aspects of the semiclassical theory of gravity are discussed. In chapter 1 we find a new perturbative (yet analytical) solution to the unsolved problem of the metric junction between two Friedmann-Robertson-Walker using Israel's formalism. The case of an expanding radiation core inside an expanding or collapsing dust exterior is treated. This model can be useful in the "landscape" cosmology in string theory or for treating new gravastar configurations. In chapter 2 we investigate the possible use of the Kodama vector field as a substitute for the Killing vector field. In particular we find the response function of an Unruh detector following an (accelerated) Kodama trajectory. The detector has finite extension and backreaction is considered. In chapter 3 we study the possible creation of microscopic black holes at LHC in the brane world model. It is found that the black hole tidal charge has a fundamental role in preventing the formation of the horizon.

Distacco di retina e lavoro manuale: utilizzo delle schede di dimissione ospedaliera per uno studio di incidenza

Introduzione. La movimentazione manuale di carichi è stata recentemente proposta come un possibile determinante del distacco di retina. Al fine di confortare quest’ipotesi, sono stati analizzati i tassi di incidenza di distacco di retina regmatogeno (DRR) idiopatico, trattato chirurgicamente, tra i residenti in Toscana addetti ad attività lavorative manuali, non manuali e casalinghe. Metodi. Le schede di dimissione ospedaliera (SDO) della Toscana contengono anche informazioni codificate sulla categoria generica di impiego. Sono stati utilizzati i dati di tutti i pazienti residenti in Toscana con una SDO emessa da un qualsiasi ospedale italiano nel periodo 1997-2009, con diagnosi principale di DRR (ICD-9: 361,0-361,07 e 361,9) e con DRG 36 (“interventi sulla retina”). Dopo l’eliminazione dei soggetti che non soddisfacevano i criteri di eligibilità, è stato deciso di restringere la popolazione in studio ai soggetti di età 25-59 anni, successivamente classificati in addetti ad attività lavorative manuali, non manuali o casalinghe. Risultati. Sono stati identificati 1.946 casi. Tra gli uomini, gli addetti ad attività lavorative manuali hanno riportato un tasso di incidenza standardizzato per età 1,8 volte più alto rispetto agli addetti ad attività lavorative non manuali (17,4 [IC95%, 16,1–18,7] vs. 9,8 [IC95%, 8,8–10,8]). Tra le donne, i tassi di incidenza standardizzati per età erano 1,9 volte più alti negli addetti ad attività lavorative manuali (11,1 [IC95%, 9,8–12,3]) e 1,7 volte più alti nelle casalinghe (9,5 [IC95%, 8,3–10,8]) rispetto agli addetti ad attività lavorative non manuali (5,7 [IC95%, 4,8–6,6]). Conclusioni. Lo studio mette in evidenza come gli addetti ad attività lavorative manuali siano maggiormente affetti da DRR idiopatico rispetto agli addetti ad attività lavorative non manuali. Questi risultati supportano l’ipotesi che la movimentazione manuale di carichi, che difficilmente può ritrovarsi come compito di attività lavorative non manuali, possa avere un ruolo causale nella genesi della patologia.

Analisi del profilo tossicologico e cancerogeno del particolato atmosferico e identificazione dei rischi per la salute umana correlati all'esposizione

Gli impianti di incenerimento di rifiuti solidi suscitano preoccupazione nella popolazione per i possibili effetti avversi associati all’esposizione. Gli effetti delle polveri sottili (PM2.5), generate dai processi di combustione, sulla salute umana includono l’insorgenza di patologie a carico del sistema respiratorio e cardiovascolare e l’aumento della mortalità per malattie polmonari e probabilmente cancro al polmone. Lo scopo della tesi è quello di valutare il profilo tossicologico e cancerogeno del particolato atmosferico in prossimità dell’inceneritore di Bologna rispetto alle aree adiacenti mediante l’utilizzo di test alternativi alle metodologie in vivo, come il test di trasformazione cellulare e approcci di tossicogenomica (soprattutto trascrittomica) oltre alla valutazione della variazione del rischio cancerogeno indotto dall’esposizione di PM2.5 in diversi siti (massima ricaduta, controllo, fondo urbano e fondo rurale) e in differenti periodi di campionamento (estate 2008 e inverno 2009). Gli estratti di PM2.5 relativi alla stagione invernale sono risultati più tossici rispetto ai campioni estivi, che inducono tossicità soprattutto alle alte dosi. Per i campioni invernali il numero medio di colonie di cellule BALB/c 3T3 A31-1-1 risulta ridotto in modo significativo anche per le dosi più basse saggiate indipendentemente dal sito di provenienza. Tutti i campioni analizzati sono risultati negativi nel test di trasformazione cellulare in vitro. L’analisi dell’espressione genica delle cellule BALB/c 3T3 A31-1-1, in seguito all’esposizione agli estratti di PM2.5, ha mostrato un effetto stagionale evidente. Relativamente ai campioni invernali è stato evidenziato un maggior effetto tossico da parte del sito di controllo rispetto alla massima ricaduta, poiché nel sito di controllo risultano attivati marcatori di morte cellulare per apoptosi. La valutazione del rischio cancerogeno in tutti i siti valutati non mostra situazioni preoccupanti legate alla predizione di eccessi di rischio di tumori imputabili all’attività dell’inceneritore in quanto le stime di rischio non eccedono mai il valore limite riportato in letteratura.