Sviluppo di sistemi per l'analisi della combustione in tempo reale per motori endotermici alternativi

I moderni motori a combustione interna diventano sempre più complessi L'introduzione della normativa antinquinamento EURO VI richiederà una significativa riduzione degli inquinanti allo scarico. La maggiore criticità è rappresentata dalla riduzione degli NOx per i motori Diesel da aggiungersi a quelle già in vigore con le precedenti normative. Tipicamente la messa a punto di una nuova motorizzazione prevede una serie di test specifici al banco prova. Il numero sempre maggiore di parametri di controllo della combustione, sorti come conseguenza della maggior complessità meccanica del motore stesso, causa un aumento esponenziale delle prove da eseguire per caratterizzare l'intero sistema. L'obiettivo di questo progetto di dottorato è quello di realizzare un sistema di analisi della combustione in tempo reale in cui siano implementati diversi algoritmi non ancora presenti nelle centraline moderne. Tutto questo facendo particolare attenzione alla scelta dell'hardware su cui implementare gli algoritmi di analisi. Creando una piattaforma di Rapid Control Prototyping (RCP) che sfrutti la maggior parte dei sensori presenti in vettura di serie; che sia in grado di abbreviare i tempi e i costi della sperimentazione sui motopropulsori, riducendo la necessità di effettuare analisi a posteriori, su dati precedentemente acquisiti, a fronte di una maggior quantità di calcoli effettuati in tempo reale. La soluzione proposta garantisce l'aggiornabilità, la possibilità di mantenere al massimo livello tecnologico la piattaforma di calcolo, allontanandone l'obsolescenza e i costi di sostituzione. Questa proprietà si traduce nella necessità di mantenere la compatibilità tra hardware e software di generazioni differenti, rendendo possibile la sostituzione di quei componenti che limitano le prestazioni senza riprogettare il software.

Lo spazio senso-motorio come rappresentazione dei comportamenti intersoggettivi. Una nuova ipotesi sperimentale dalla filosofia alle neuroscienze

La ricerca ha preso le mosse da tre ipotesi fondamentali: 1) Esiste un legame tra processi cognitivi di basso ed alto livello; 2) Lo spazio senso-motorio è una percezione soggettiva; 3) Lo spazio senso-motorio varia in funzione delle diverse modalità di interazione sociale. La tesi sostiene che lo spazio senso-motorio si lascia modulare dalla semplice co-presenza di un altro agente umano e da interazioni cooperative e non cooperative. I capitoli I, II, III, hanno lo scopo di scomporre e spiegare il significato della prima, seconda e terza ipotesi; giungendo a formulare la tesi centrale che sarà poi dimostrata sperimentalmente nel capitolo IV. Il capitolo V introduce future linee di ricerca nell’ambito dell’etica proponendo una nuova ipotesi sul legame che potrebbe sussistere tra la percezione dello spazio durante l’interazione sociale e i giudizi morali. Il lavoro svolto chiama ad operare insieme diverse discipline che concorrono a formare le scienze cognitive: la storia della filosofia, la filosofia della mente contemporanea, la neuropsicologia sperimentale ed alcuni temi della psicologia sociale.

Movement Analysis by means of inertial sensors: from bench to bedside

in the everyday clinical practice. Having this in mind, the choice of a simple setup would not be enough because, even if the setup is quick and simple, the instrumental assessment would still be in addition to the daily routine. The will to overcome this limit has led to the idea of instrumenting already existing and widely used functional tests. In this way the sensor based assessment becomes an integral part of the clinical assessment. Reliable and validated signal processing methods have been successfully implemented in Personal Health Systems based on smartphone technology. At the end of this research project there is evidence that such solution can really and easily used in clinical practice in both supervised and unsupervised settings. Smartphone based solution, together or in place of dedicated wearable sensing units, can truly become a pervasive and low-cost means for providing suitable testing solutions for quantitative movement analysis with a clear clinical value, ultimately providing enhanced balance and mobility support to an aging population.

Characterization of optical transduction-based molecular systems and nanoparticles for the development of chemical sensors

With the increasing importance that nanotechnologies have in everyday life, it is not difficult to realize that also a single molecule, if properly designed, can be a device able to perform useful functions: such a chemical species is called chemosensor, that is a molecule of abiotic origin that signals the presence of matter or energy. Signal transduction is the mechanism by which an interaction of a sensor with an analyte yields a measurable form of energy. When dealing with the design of a chemosensor, we need to take into account a “communication requirement” between its three component: the receptor unit, responsible for the selective analyte binding, the spacer, which controls the geometry of the system and modulates the electronic interaction between the receptor and the signalling unit, whose physico-chemical properties change upon complexation. A luminescent chemosensor communicates a variation of the physico-chemical properties of the receptor unit with a luminescence output signal. This thesis work consists in the characterization of new molecular and nanoparticle-based system which can be used as sensitive materials for the construction of new optical transduction devices able to provide information about the concentration of analytes in solution. In particular two direction were taken. The first is to continue in the development of new chemosensors, that is the first step for the construction of reliable and efficient devices, and in particular the work will be focused on chemosensors for metal ions for biomedical and environmental applications. The second is to study more efficient and complex organized systems, such as derivatized silica nanoparticles. These system can potentially have higher sensitivity than molecular systems, and present many advantages, like the possibility to be ratiometric, higher Stokes shifts and lower signal-to-noise ratio.

In vivo evaluation of the translations of the gleno-humeral joint using Magnetic resonance imaging

Gleno-humeral joint (GHJ) is the most mobile joint of the human body. This is related to theincongr uence between the large humeral head articulating with the much smaller glenoid (ratio 3:1). The GHJ laxity is the ability of the humeral head to be passively translated on the glenoid fossa and, when physiological, it guarantees the normal range of motion of the joint. Three-dimensional GHJ linear displacements have been measured, both in vivo and in vitro by means of different instrumental techniques. In vivo gleno-humeral displacements have been assessed by means of stereophotogrammetry, electromagnetic tracking sensors, and bio-imaging techniques. Both stereophotogrammetric systems and electromagnetic tracking devices, due to the deformation of the soft tissues surrounding the bones, are not capable to accurately assess small displacements, such as gleno-humeral joint translations. The bio-imaging techniques can ensure for an accurate joint kinematic (linear and angular displacement) description, but, due to the radiation exposure, most of these techniques, such as computer tomography or fluoroscopy, are invasive for patients. Among the bioimaging techniques, an alternative which could provide an acceptable level of accuracy and that is innocuous for patients is represented by magnetic resonance imaging (MRI). Unfortunately, only few studies have been conducted for three-dimensional analysis and very limited data is available in situations where preset loads are being applied. The general aim of this doctoral thesis is to develop a non-invasive methodology based on open-MRI for in-vivo evaluation of the gleno-humeral translation components in healthy subjects under the application of external loads.

Electrochemical surface modification of Single walled carbon nanotubes and graphene-based electrodes for (bio)sensing applications

Sensors are devices that have shown widespread use, from the detection of gas molecules to the tracking of chemical signals in biological cells. Single walled carbon nanotube (SWCNT) and graphene based electrodes have demonstrated to be an excellent material for the development of electrochemical biosensors as they display remarkable electronic properties and the ability to act as individual nanoelectrodes, display an excellent low-dimensional charge carrier transport, and promote surface electrocatalysis. The present work aims at the preparation and investigation of electrochemically modified SWCNT and graphene-based electrodes for applications in the field of biosensors. We initially studied SWCNT films and focused on their topography and surface composition, electrical and optical properties. Parallel to SWCNTs, graphene films were investigated. Higher resistance values were obtained in comparison with nanotubes films. The electrochemical surface modification of both electrodes was investigated following two routes (i) the electrografting of aryl diazonium salts, and (ii) the electrophylic addition of 1, 3-benzodithiolylium tetrafluoroborate (BDYT). Both the qualitative and quantitative characteristics of the modified electrode surfaces were studied such as the degree of functionalization and their surface composition. The combination of Raman, X-ray photoelectron spectroscopy, atomic force microscopy, electrochemistry and other techniques, has demonstrated that selected precursors could be covalently anchored to the nanotubes and graphene-based electrode surfaces through novel carbon-carbon formation.

Mappatura dell'impervious e consumo di suolo tramite analisi di change detection in telerilevamento

Il telerilevamento rappresenta un efficace strumento per il monitoraggio dell’ambiente e del territorio, grazie alla disponibilità di sensori che riprendono con cadenza temporale fissa porzioni della superficie terrestre. Le immagini multi/iperspettrali acquisite sono in grado di fornire informazioni per differenti campi di applicazione. In questo studio è stato affrontato il tema del consumo di suolo che rappresenta un’importante sfida per una corretta gestione del territorio, poiché direttamente connesso con i fenomeni del runoff urbano, della frammentazione ecosistemica e con la sottrazione di importanti territori agricoli. Ancora non esiste una definizione unica, ed anche una metodologia di misura, del consumo di suolo; in questo studio è stato definito come tale quello che provoca impermeabilizzazione del terreno. L’area scelta è quella della Provincia di Bologna che si estende per 3.702 km2 ed è caratterizzata a nord dalla Pianura Padana e a sud dalla catena appenninica; secondo i dati forniti dall’ISTAT, nel periodo 2001-2011 è stata la quarta provincia in Italia con più consumo di suolo. Tramite classificazione pixel-based è stata fatta una mappatura del fenomeno per cinque immagini Landsat. Anche se a media risoluzione, e quindi non in grado di mappare tutti i dettagli, esse sono particolarmente idonee per aree estese come quella scelta ed inoltre garantiscono una più ampia copertura temporale. Il periodo considerato va dal 1987 al 2013 e, tramite procedure di change detection applicate alle mappe prodotte, si è cercato di quantificare il fenomeno, confrontarlo con i dati esistenti e analizzare la sua distribuzione spaziale.

Real-Time Engine Diagnostic and Control Based on Acoustic Emissions Analysis

Engine developers are putting more and more emphasis on the research of maximum thermal and mechanical efficiency in the recent years. Research advances have proven the effectiveness of downsized, turbocharged and direct injection concepts, applied to gasoline combustion systems, to reduce the overall fuel consumption while respecting exhaust emissions limits. These new technologies require more complex engine control units. The sound emitted from a mechanical system encloses many information related to its operating condition and it can be used for control and diagnostic purposes. The thesis shows how the functions carried out from different and specific sensors usually present on-board, can be executed, at the same time, using only one multifunction sensor based on low-cost microphone technology. A theoretical background about sound and signal processing is provided in chapter 1. In modern turbocharged downsized GDI engines, the achievement of maximum thermal efficiency is precluded by the occurrence of knock. Knock emits an unmistakable sound perceived by the human ear like a clink. In chapter 2, the possibility of using this characteristic sound for knock control propose, starting from first experimental assessment tests, to the implementation in a real, production-type engine control unit will be shown. Chapter 3 focus is on misfire detection. Putting emphasis on the low frequency domain of the engine sound spectrum, features related to each combustion cycle of each cylinder can be identified and isolated. An innovative approach to misfire detection, which presents the advantage of not being affected by the road and driveline conditions is introduced. A preliminary study of air path leak detection techniques based on acoustic emissions analysis has been developed, and the first experimental results are shown in chapter 4. Finally, in chapter 5, an innovative detection methodology, based on engine vibration analysis, that can provide useful information about combustion phase is reported.

Applicazioni tecnologiche e nuovi metodi di valutazione della performance negli sport acquatici

Nello sport di alto livello l’uso della tecnologia ha raggiunto un ruolo di notevole importanza per l’analisi e la valutazione della prestazione. Negli ultimi anni sono emerse nuove tecnologie e sono migliorate quelle pre-esistenti (i.e. accelerometri, giroscopi e software per l’analisi video) in termini di campionamento, acquisizione dati, dimensione dei sensori che ha permesso la loro “indossabilità” e l’inserimento degli stessi all’interno degli attrezzi sportivi. La tecnologia è sempre stata al servizio degli atleti come strumento di supporto per raggiungere l’apice dei risultati sportivi. Per questo motivo la valutazione funzionale dell’atleta associata all’uso di tecnologie si pone lo scopo di valutare i miglioramenti degli atleti misurando la condizione fisica e/o la competenza tecnica di una determinata disciplina sportiva. L’obiettivo di questa tesi è studiare l’utilizzo delle applicazioni tecnologiche e individuare nuovi metodi di valutazione della performance in alcuni sport acquatici. La prima parte (capitoli 1-5), si concentra sulla tecnologia prototipale chiamata E-kayak e le varie applicazioni nel kayak di velocità. In questi lavori è stata verificata l’attendibilità dei dati forniti dal sistema E-kayak con i sistemi presenti in letteratura. Inoltre, sono stati indagati nuovi parametri utili a comprendere il modello di prestazione del paddler. La seconda parte (capitolo 6), si riferisce all’analisi cinematica della spinta verticale del pallanuotista, attraverso l’utilizzo della video analisi 2D, per l’individuazione delle relazioni Forza-velocità e Potenza-velocità direttamente in acqua. Questo studio pilota, potrà fornire indicazioni utili al monitoraggio e condizionamento di forza e potenza da svolgere direttamente in acqua. Infine la terza parte (capitoli 7-8), si focalizza sull’individuazione della sequenza di Fibonacci (sequenza divina) nel nuoto a stile libero e a farfalla. I risultati di questi studi suggeriscono che il ritmo di nuotata tenuto durante le medie/lunghe distanze gioca un ruolo chiave. Inoltre, il livello di autosomiglianza (self-similarity) aumenta con la tecnica del nuoto.

Valutazione cinematica complessiva, in vivo e sotto carico, di un modello protesico di caviglia a 3 componenti.

Nonostante le importanti ricadute che gli impianti protesici di caviglia hanno nella qualità della vita dei pazienti che si sottopongono ad intervento di sostituzione articolare, le reali proprietà biomeccaniche e cinematiche in-vivo e sotto carico degli impianti protesici sono state scarsamente studiate e descritte in letteratura. Lo scopo di questa trattazione è quella di valutare la cinematica protesica complessiva, in vivo, attraverso l’utilizzo dell’Analisi Radiostereometrica model-based (MB-RSA) e di ulteriori metodiche clinico-strumentali. La valutazione cinematica è stata permessa dall’analisi della posizione degli impianti attraverso la MB-RSA. Tra gli obiettivi secondari, i pazienti sono stati valutati clinicamente mediante AOFAS Ankle-Hindfoot score e SF-36, mediante full-body gait analysis con sensori inerziali e valutazione posturale-stabilometrica mediante Y Balance Test e workstation dedicata Delos DPPS. I pazienti sottoposti ad iter completo con valutazione clinica e strumentale a fine follow-up sono risultati 18 (2 drop-out). Il ROM complessivo a catena cinetica chiusa ha evidenziato una dorsi-plantarflessione complessiva media di 19.84°. Gli score clinici hanno mostrato tutti un netto miglioramento nel post-operatorio. La gait analysis ha evidenziato uno schema del passo composto dai tre principali spike e compatibile con schemi fisiologici. Dal punto di vista cinematico, i risultati angolari MB-RSA ricavati durante questo lavoro di tesi evidenziano tutti e 6 i gradi di libertà, dato coerente con la mobilità di una caviglia nativa. Valori di articolarità differenti sono stati registrati mediante sensori inerziali. Infine, in una valutazione cinematica complessiva, le possibili implicazioni sul bilanciamento posturale e propriocettivo presente nelle caviglie artrosiche e successivamente sottoposte a sostituzione protesica totale sono ampiamente descritte e discusse. I dati raccolti in questo lavoro di tesi rappresentano il risultato di una valutazione cinematica complessiva, e potranno aiutare a definire una tipologia di soggetto artrosico in cui i risultati siano verosimilmente migliori ed eventualmente a migliorare design e strumentari futuri.

A robotic platform for precision agriculture and applications

Agricultural techniques have been improved over the centuries to match with the growing demand of an increase in global population. Farming applications are facing new challenges to satisfy global needs and the recent technology advancements in terms of robotic platforms can be exploited. As the orchard management is one of the most challenging applications because of its tree structure and the required interaction with the environment, it was targeted also by the University of Bologna research group to provide a customized solution addressing new concept for agricultural vehicles. The result of this research has blossomed into a new lightweight tracked vehicle capable of performing autonomous navigation both in the open-filed scenario and while travelling inside orchards for what has been called in-row navigation. The mechanical design concept, together with customized software implementation has been detailed to highlight the strengths of the platform and some further improvements envisioned to improve the overall performances. Static stability testing has proved that the vehicle can withstand steep slopes scenarios. Some improvements have also been investigated to refine the estimation of the slippage that occurs during turning maneuvers and that is typical of skid-steering tracked vehicles. The software architecture has been implemented using the Robot Operating System (ROS) framework, so to exploit community available packages related to common and basic functions, such as sensor interfaces, while allowing dedicated custom implementation of the navigation algorithm developed. Real-world testing inside the university’s experimental orchards have proven the robustness and stability of the solution with more than 800 hours of fieldwork. The vehicle has also enabled a wide range of autonomous tasks such as spraying, mowing, and on-the-field data collection capabilities. The latter can be exploited to automatically estimate relevant orchard properties such as fruit counting and sizing, canopy properties estimation, and autonomous fruit harvesting with post-harvesting estimations.