Model and control of tendon actuated robots

The use of tendons for the transmission of the forces and the movements in robotic devices has been investigated from several researchers all over the world. The interest in this kind of actuation modality is based on the possibility of optimizing the position of the actuators with respect to the moving part of the robot, in the reduced weight, high reliability, simplicity in the mechanic design and, finally, in the reduced cost of the resulting kinematic chain. After a brief discussion about the benefits that the use of tendons can introduce in the motion control of a robotic device, the design and control aspects of the UB Hand 3 anthropomorphic robotic hand are presented. In particular, the tendon-sheaths transmission system adopted in the UB Hand 3 is analyzed and the problem of force control and friction compensation is taken into account. The implementation of a tendon based antagonistic actuated robotic arm is then investigated. With this kind of actuation modality, and by using transmission elements with nonlinear force/compression characteristic, it is possible to achieve simultaneous stiffness and position control, improving in this way the safety of the device during the operation in unknown environments and in the case of interaction with other robots or with humans. The problem of modeling and control of this type of robotic devices is then considered and the stability analysis of proposed controller is reported. At the end, some tools for the realtime simulation of dynamic systems are presented. This realtime simulation environment has been developed with the aim of improving the reliability of the realtime control applications both for rapid prototyping of controllers and as teaching tools for the automatic control courses.

3-D reconstruction of the human skeleton during motion

L’analisi del movimento umano ha come obiettivo la descrizione del movimento assoluto e relativo dei segmenti ossei del soggetto e, ove richiesto, dei relativi tessuti molli durante l’esecuzione di esercizi fisici. La bioingegneria mette a disposizione dell’analisi del movimento gli strumenti ed i metodi necessari per una valutazione quantitativa di efficacia, funzione e/o qualità del movimento umano, consentendo al clinico l’analisi di aspetti non individuabili con gli esami tradizionali. Tali valutazioni possono essere di ausilio all’analisi clinica di pazienti e, specialmente con riferimento a problemi ortopedici, richiedono una elevata accuratezza e precisione perché il loro uso sia valido. Il miglioramento della affidabilità dell’analisi del movimento ha quindi un impatto positivo sia sulla metodologia utilizzata, sia sulle ricadute cliniche della stessa. Per perseguire gli obiettivi scientifici descritti, è necessario effettuare una stima precisa ed accurata della posizione e orientamento nello spazio dei segmenti ossei in esame durante l’esecuzione di un qualsiasi atto motorio. Tale descrizione può essere ottenuta mediante la definizione di un modello della porzione del corpo sotto analisi e la misura di due tipi di informazione: una relativa al movimento ed una alla morfologia. L’obiettivo è quindi stimare il vettore posizione e la matrice di orientamento necessari a descrivere la collocazione nello spazio virtuale 3D di un osso utilizzando le posizioni di punti, definiti sulla superficie cutanea ottenute attraverso la stereofotogrammetria. Le traiettorie dei marker, così ottenute, vengono utilizzate per la ricostruzione della posizione e dell’orientamento istantaneo di un sistema di assi solidale con il segmento sotto esame (sistema tecnico) (Cappozzo et al. 2005). Tali traiettorie e conseguentemente i sistemi tecnici, sono affetti da due tipi di errore, uno associato allo strumento di misura e l’altro associato alla presenza di tessuti molli interposti tra osso e cute. La propagazione di quest’ultimo ai risultati finali è molto più distruttiva rispetto a quella dell’errore strumentale che è facilmente minimizzabile attraverso semplici tecniche di filtraggio (Chiari et al. 2005). In letteratura è stato evidenziato che l’errore dovuto alla deformabilità dei tessuti molli durante l’analisi del movimento umano provoca inaccuratezze tali da mettere a rischio l’utilizzabilità dei risultati. A tal proposito Andriacchi scrive: “attualmente, uno dei fattori critici che rallentano il progresso negli studi del movimento umano è la misura del movimento scheletrico partendo dai marcatori posti sulla cute” (Andriacchi et al. 2000). Relativamente alla morfologia, essa può essere acquisita, ad esempio, attraverso l’utilizzazione di tecniche per bioimmagini. Queste vengono fornite con riferimento a sistemi di assi locali in generale diversi dai sistemi tecnici. Per integrare i dati relativi al movimento con i dati morfologici occorre determinare l’operatore che consente la trasformazione tra questi due sistemi di assi (matrice di registrazione) e di conseguenza è fondamentale l’individuazione di particolari terne di riferimento, dette terne anatomiche. L’identificazione di queste terne richiede la localizzazione sul segmento osseo di particolari punti notevoli, detti repere anatomici, rispetto ad un sistema di riferimento solidale con l’osso sotto esame. Tale operazione prende il nome di calibrazione anatomica. Nella maggior parte dei laboratori di analisi del movimento viene implementata una calibrazione anatomica a “bassa risoluzione” che prevede la descrizione della morfologia dell’osso a partire dall’informazione relativa alla posizione di alcuni repere corrispondenti a prominenze ossee individuabili tramite palpazione. Attraverso la stereofotogrammetria è quindi possibile registrare la posizione di questi repere rispetto ad un sistema tecnico. Un diverso approccio di calibrazione anatomica può essere realizzato avvalendosi delle tecniche ad “alta risoluzione”, ovvero attraverso l’uso di bioimmagini. In questo caso è necessario disporre di una rappresentazione digitale dell’osso in un sistema di riferimento morfologico e localizzare i repere d’interesse attraverso palpazione in ambiente virtuale (Benedetti et al. 1994 ; Van Sint Jan et al. 2002; Van Sint Jan et al. 2003). Un simile approccio è difficilmente applicabile nella maggior parte dei laboratori di analisi del movimento, in quanto normalmente non si dispone della strumentazione necessaria per ottenere le bioimmagini; inoltre è noto che tale strumentazione in alcuni casi può essere invasiva. Per entrambe le calibrazioni anatomiche rimane da tenere in considerazione che, generalmente, i repere anatomici sono dei punti definiti arbitrariamente all’interno di un’area più vasta e irregolare che i manuali di anatomia definiscono essere il repere anatomico. L’identificazione dei repere attraverso una loro descrizione verbale è quindi povera in precisione e la difficoltà nella loro identificazione tramite palpazione manuale, a causa della presenza dei tessuti molli interposti, genera errori sia in precisione che in accuratezza. Tali errori si propagano alla stima della cinematica e della dinamica articolare (Ramakrishnan et al. 1991; Della Croce et al. 1999). Della Croce (Della Croce et al. 1999) ha inoltre evidenziato che gli errori che influenzano la collocazione nello spazio delle terne anatomiche non dipendono soltanto dalla precisione con cui vengono identificati i repere anatomici, ma anche dalle regole che si utilizzano per definire le terne. E’ infine necessario evidenziare che la palpazione manuale richiede tempo e può essere effettuata esclusivamente da personale altamente specializzato, risultando quindi molto onerosa (Simon 2004). La presente tesi prende lo spunto dai problemi sopra elencati e ha come obiettivo quello di migliorare la qualità delle informazioni necessarie alla ricostruzione della cinematica 3D dei segmenti ossei in esame affrontando i problemi posti dall’artefatto di tessuto molle e le limitazioni intrinseche nelle attuali procedure di calibrazione anatomica. I problemi sono stati affrontati sia mediante procedure di elaborazione dei dati, sia apportando modifiche ai protocolli sperimentali che consentano di conseguire tale obiettivo. Per quanto riguarda l’artefatto da tessuto molle, si è affrontato l’obiettivo di sviluppare un metodo di stima che fosse specifico per il soggetto e per l’atto motorio in esame e, conseguentemente, di elaborare un metodo che ne consentisse la minimizzazione. Il metodo di stima è non invasivo, non impone restrizione al movimento dei tessuti molli, utilizza la sola misura stereofotogrammetrica ed è basato sul principio della media correlata. Le prestazioni del metodo sono state valutate su dati ottenuti mediante una misura 3D stereofotogrammetrica e fluoroscopica sincrona (Stagni et al. 2005), (Stagni et al. 2005). La coerenza dei risultati raggiunti attraverso i due differenti metodi permette di considerare ragionevoli le stime dell’artefatto ottenute con il nuovo metodo. Tale metodo fornisce informazioni sull’artefatto di pelle in differenti porzioni della coscia del soggetto e durante diversi compiti motori, può quindi essere utilizzato come base per un piazzamento ottimo dei marcatori. Lo si è quindi utilizzato come punto di partenza per elaborare un metodo di compensazione dell’errore dovuto all’artefatto di pelle che lo modella come combinazione lineare degli angoli articolari di anca e ginocchio. Il metodo di compensazione è stato validato attraverso una procedura di simulazione sviluppata ad-hoc. Relativamente alla calibrazione anatomica si è ritenuto prioritario affrontare il problema associato all’identificazione dei repere anatomici perseguendo i seguenti obiettivi: 1. migliorare la precisione nell’identificazione dei repere e, di conseguenza, la ripetibilità dell’identificazione delle terne anatomiche e della cinematica articolare, 2. diminuire il tempo richiesto, 3. permettere che la procedura di identificazione possa essere eseguita anche da personale non specializzato. Il perseguimento di tali obiettivi ha portato alla implementazione dei seguenti metodi: • Inizialmente è stata sviluppata una procedura di palpazione virtuale automatica. Dato un osso digitale, la procedura identifica automaticamente i punti di repere più significativi, nella maniera più precisa possibile e senza l'ausilio di un operatore esperto, sulla base delle informazioni ricavabili da un osso digitale di riferimento (template), preliminarmente palpato manualmente. • E’ stato poi condotto uno studio volto ad indagare i fattori metodologici che influenzano le prestazioni del metodo funzionale nell’individuazione del centro articolare d’anca, come prerequisito fondamentale per migliorare la procedura di calibrazione anatomica. A tale scopo sono stati confrontati diversi algoritmi, diversi cluster di marcatori ed è stata valutata la prestazione del metodo in presenza di compensazione dell’artefatto di pelle. • E’stato infine proposto un metodo alternativo di calibrazione anatomica basato sull’individuazione di un insieme di punti non etichettati, giacenti sulla superficie dell’osso e ricostruiti rispetto ad un TF (UP-CAST). A partire dalla posizione di questi punti, misurati su pelvi coscia e gamba, la morfologia del relativo segmento osseo è stata stimata senza identificare i repere, bensì effettuando un’operazione di matching dei punti misurati con un modello digitale dell’osso in esame. La procedura di individuazione dei punti è stata eseguita da personale non specializzato nell’individuazione dei repere anatomici. Ai soggetti in esame è stato richiesto di effettuare dei cicli di cammino in modo tale da poter indagare gli effetti della nuova procedura di calibrazione anatomica sulla determinazione della cinematica articolare. I risultati ottenuti hanno mostrato, per quel che riguarda la identificazione dei repere, che il metodo proposto migliora sia la precisione inter- che intraoperatore, rispetto alla palpazione convenzionale (Della Croce et al. 1999). E’ stato inoltre riscontrato un notevole miglioramento, rispetto ad altri protocolli (Charlton et al. 2004; Schwartz et al. 2004), nella ripetibilità della cinematica 3D di anca e ginocchio. Bisogna inoltre evidenziare che il protocollo è stato applicato da operatori non specializzati nell’identificazione dei repere anatomici. Grazie a questo miglioramento, la presenza di diversi operatori nel laboratorio non genera una riduzione di ripetibilità. Infine, il tempo richiesto per la procedura è drasticamente diminuito. Per una analisi che include la pelvi e i due arti inferiori, ad esempio, l’identificazione dei 16 repere caratteristici usando la calibrazione convenzionale richiede circa 15 minuti, mentre col nuovo metodo tra i 5 e i 10 minuti.

Motion control and real-time systems: an approach to trajectory rebuilding in non-deterministic networks

Motion control is a sub-field of automation, in which the position and/or velocity of machines are controlled using some type of device. In motion control the position, velocity, force, pressure, etc., profiles are designed in such a way that the different mechanical parts work as an harmonious whole in which a perfect synchronization must be achieved. The real-time exchange of information in the distributed system that is nowadays an industrial plant plays an important role in order to achieve always better performance, better effectiveness and better safety. The network for connecting field devices such as sensors, actuators, field controllers such as PLCs, regulators, drive controller etc., and man-machine interfaces is commonly called fieldbus. Since the motion transmission is now task of the communication system, and not more of kinematic chains as in the past, the communication protocol must assure that the desired profiles, and their properties, are correctly transmitted to the axes then reproduced or else the synchronization among the different parts is lost with all the resulting consequences. In this thesis, the problem of trajectory reconstruction in the case of an event-triggered communication system is faced. The most important feature that a real-time communication system must have is the preservation of the following temporal and spatial properties: absolute temporal consistency, relative temporal consistency, spatial consistency. Starting from the basic system composed by one master and one slave and passing through systems made up by many slaves and one master or many masters and one slave, the problems in the profile reconstruction and temporal properties preservation, and subsequently the synchronization of different profiles in network adopting an event-triggered communication system, have been shown. These networks are characterized by the fact that a common knowledge of the global time is not available. Therefore they are non-deterministic networks. Each topology is analyzed and the proposed solution based on phase-locked loops adopted for the basic master-slave case has been improved to face with the other configurations.

Introduzione alla teoria delle ranking functions

La tesi si occupa della teoria delle ranking functions di W. Spohn, dottrina epistemologica il cui fine è dare una veste logica rigorosa ai concetti di causalità, legge di natura, spiegazione scientifica, a partire dalla nozione di credenza. Di tale teoria manca ancora una esposizione organica e unitaria e, soprattutto, formulata in linguaggio immediatamente accessibile. Nel mio lavoro, che si presenta come introduzione ad essa, è anche messa a raffronto con le teorie che maggiormente l’hanno influenzata o rispetto alle quali si pone come avversaria. Il PRIMO CAPITOLO si concentra sulla teoria di P. Gärdenfors, il più diretto predecessore e ispiratore di Spohn. Questo consente al lettore di acquisire familiarità con le nozioni di base della logica epistemica. La conoscenza, nella teoria del filosofo svedese, è concepita come processo di acquisizione ed espulsione di credenze, identificate con proposizioni, da un insieme. I tre maggiori fenomeni epistemici sono l’espansione, la revisione e la contrazione. Nel primo caso si immagazzina una proposizione in precedenza sconosciuta, nel secondo se ne espelle una a causa dell’acquisizione della sua contraddittoria, nel terzo si cancella una proposizione per amore di ipotesi e si investigano le conseguenze di tale cancellazione. Controparte linguistica di quest’ultimo fenomeno è la formulazione di un condizionale controfattuale. L’epistemologo, così come Gärdenfors concepisce il suo compito, è fondamentalmente un logico che deve specificare funzioni: vale a dire, le regole che deve rispettare ciascun passaggio da un insieme epistemico a un successivo per via di espansione, revisione e contrazione. Il SECONDO CAPITOLO tratta infine della teoria di Spohn, cercando di esporla in modo esauriente ma anche molto semplice. Anche in Spohn evidentemente il concetto fondamentale è quello di funzione: si tratta però in questo caso di quella regola di giudizio soggettivo che, a ciascuna credenza, identificata con una proposizione, associa un grado (un rank), espresso da un numero naturale positivo o dallo zero. Un rank è un grado di non-credenza (disbelief). Perché la non-credenza (che comporta un notevole appesantimento concettuale)? Perché le leggi della credenza così concepite presentano quella che Spohn chiama una “pervasiva analogia” rispetto alle leggi della probabilità (Spohn la chiama persino “armonia prestabilita” ed è un campo su cui sta ancora lavorando). Essenziale è il concetto di condizionalizzazione (analogo a quello di probabilità condizionale): a una credenza si associa un rank sulla base di (almeno) un’altra credenza. Grazie a tale concetto Spohn può formalizzare un fenomeno che a Gärdenfors sfugge, ossia la presenza di correlazioni interdoxastiche tra le credenze di un soggetto. Nella logica epistemica del predecessore, infatti, tutto si riduce all’inclusione o meno di una proposizione nell’insieme, non si considerano né gradi di credenza né l’idea che una credenza sia creduta sulla base di un’altra. Il TERZO CAPITOLO passa alla teoria della causalità di Spohn. Anche questa nozione è affrontata in prospettiva epistemica. Non ha senso, secondo Spohn, chiedersi quali siano i tratti “reali” della causalità “nel mondo”, occorre invece studiare che cosa accade quando si crede che tra due fatti o eventi sussista una correlazione causale. Anche quest’ultima è fatta oggetto di una formalizzazione logica rigorosa (e diversificata, infatti Spohn riconosce vari tipi di causa). Una causa “innalza lo status epistemico” dell’effetto: vale a dire, quest’ultimo è creduto con rank maggiore (ossia minore, se ci si concentra sulla non-credenza) se condizionalizzato sulla causa. Nello stesso capitolo espongo la teoria della causalità di Gärdenfors, che però è meno articolata e minata da alcuni errori. Il QUARTO CAPITOLO è tutto dedicato a David Lewis e alla sua teoria controfattuale della causalità, che è il maggiore avversario tanto di Spohn quanto di Gärdenfors. Secondo Lewis la migliore definizione di causa può essere data in termini controfattuali: la causa è un evento tale che, se non fosse accaduto, nemmeno l’effetto sarebbe accaduto. Naturalmente questo lo obbliga a specificare una teoria delle condizioni di verità di tale classe di enunciati che, andando contro i fatti per definizione, non possono essere paragonati alla realtà. Lewis ricorre allora alla dottrina dei mondi possibili e della loro somiglianza comparativa, concludendo che un controfattuale è vero se il mondo possibile in cui il suo antecedente e il suo conseguente sono veri è più simile al mondo attuale del controfattuale in cui il suo antecedente è vero e il conseguente è falso. Il QUINTO CAPITOLO mette a confronto la teoria di Lewis con quelle di Spohn e Gärdenfors. Quest’ultimo riduce i controfattuali a un fenomeno linguistico che segnala il processo epistemico di contrazione, trattato nel primo capitolo, rifiutando così completamente la dottrina dei mondi possibili. Spohn non affronta direttamente i controfattuali (in quanto a suo dire sovraccarichi di sottigliezze linguistiche di cui non vuole occuparsi – ha solo un abbozzo di teoria dei condizionali) ma dimostra che la sua teoria è superiore a quella di Lewis perché riesce a rendere conto, con estrema esattezza, di casi problematici di causalità che sfuggono alla formulazione controfattuale. Si tratta di quei casi in cui sono in gioco, rafforzandosi a vicenda o “concorrendo” allo stesso effetto, più fattori causali (casi noti nella letteratura come preemption, trumping etc.). Spohn riesce a renderne conto proprio perché ha a disposizione i rank numerici, che consentono un’analisi secondo cui a ciascun fattore causale è assegnato un preciso ruolo quantitativamente espresso, mentre la dottrina controfattuale è incapace di operare simili distinzioni (un controfattuale infatti è vero o falso, senza gradazioni). Il SESTO CAPITOLO si concentra sui modelli di spiegazione scientifica di Hempel e Salmon, e sulla nozione di causalità sviluppata da quest’ultimo, mettendo in luce soprattutto il ruolo (problematico) delle leggi di natura e degli enunciati controfattuali (a questo proposito sono prese in considerazione anche le famose critiche di Goodman e Chisholm). Proprio dalla riflessione su questi modelli infatti è scaturita la teoria di Gärdenfors, e tanto la dottrina del filosofo svedese quanto quella di Spohn possono essere viste come finalizzate a rendere conto della spiegazione scientifica confrontandosi con questi modelli meno recenti. Il SETTIMO CAPITOLO si concentra sull’analisi che la logica epistemica fornisce delle leggi di natura, che nel capitolo precedente sono ovviamente emerse come elemento fondamentale della spiegazione scientifica. Secondo Spohn le leggi sono innanzitutto proposizioni generali affermative, che sono credute in modo speciale. In primo luogo sono credute persistentemente, vale a dire, non sono mai messe in dubbio (tanto che se si incappa in una loro contro-istanza si va alla ricerca di una violazione della normalità che la giustifichi). In secondo luogo, guidano e fondano la credenza in altre credenze specifiche, che sono su di esse condizionalizzate (si riprendono, con nuovo rigore logico, le vecchie idee di Wittgenstein e di Ramsey e il concetto di legge come inference ticket). In terzo luogo sono generalizzazioni ricavate induttivamente: sono oggettivazioni di schemi induttivi. Questo capitolo si sofferma anche sulla teoria di legge offerta da Gärdenfors (analoga ma embrionale) e sull’analisi che Spohn fornisce della nozione di clausola ceteris paribus. L’OTTAVO CAPITOLO termina l’analisi cominciata con il sesto, considerando finalmente il modello epistemico della spiegazione scientifica. Si comincia dal modello di Gärdenfors, che si mostra essere minato da alcuni errori o comunque caratterizzato in modo non sufficientemente chiaro (soprattutto perché non fa ricorso, stranamente, al concetto di legge). Segue il modello di Spohn; secondo Spohn le spiegazioni scientifiche sono caratterizzate dal fatto che forniscono (o sono finalizzate a fornire) ragioni stabili, vale a dire, riconducono determinati fenomeni alle loro cause e tali cause sono credute in modo persistente. Con una dimostrazione logica molto dettagliata e di acutezza sorprendente Spohn argomenta che simili ragioni, nel lungo periodo, devono essere incontrate. La sua quindi non è solo una teoria della spiegazione scientifica che elabori un modello epistemico di che cosa succede quando un fenomeno è spiegato, ma anche una teoria dello sviluppo della scienza in generale, che incoraggia a perseguire la ricerca delle cause come necessariamente coronata da successo. Le OSSERVAZIONI CONCLUSIVE fanno il punto sulle teorie esposte e sul loro raffronto. E’ riconosciuta la superiorità della teoria di Spohn, di cui si mostra anche che raccoglie in pieno l’eredità costruttiva di Hume, al quale gli avversari si rifanno costantemente ma in modo frammentario. Si analizzano poi gli elementi delle teorie di Hempel e Salmon che hanno precorso l’impostazione epistemica. La teoria di Spohn non è esente però da alcuni punti ancora problematici. Innanzitutto, il ruolo della verità; in un primo tempo Spohn sembra rinunciare, come fa esplicitamente il suo predecessore, a trattare la verità, salvo poi invocarla quando si pone il grave problema dell’oggettivazione delle ranking functions (il problema si presenta poiché di esse inizialmente si dice che sono regole soggettive di giudizio e poi si identificano in parte con le leggi di natura). C’è poi la dottrina dei gradi di credenza che Spohn dice presentarsi “unitamente alle proposizioni” e che costituisce un inutile distacco dal realismo psicologico (critica consueta alla teoria): basterebbe osservare che i gradi di credenza sono ricavati o per condizionalizzazione automatica sulla base del tipo di fonte da cui una proposizione proviene, o per paragone immaginario con altre fonti (la maggiore o minore credenza infatti è un concetto relazionale: si crede di più o di meno “sulla base di…” o “rispetto a…”). Anche la trattazione delle leggi di natura è problematica; Spohn sostiene che sono ranking functions: a mio avviso invece esse concorrono a regole di giudizio, che prescrivono di impiegare le leggi stesse per valutare proposizioni o aspettative. Una legge di natura è un ingranaggio, per così dire, di una valutazione di certezza ma non si identifica totalmente con una legge di giudizio. I tre criteri che Spohn individua per distinguere le leggi poi non sono rispettati da tutte e sole le leggi stesse: la generalizzazione induttiva può anche dare adito a pregiudizi, e non di tutte le leggi si sono viste, individualmente, istanze ripetute tanto da giustificarle induttivamente. Infine, un episodio reale di storia della scienza come la scoperta della sintesi dell’urea da parte di F. Wöhler (1828 – ottenendo carbammide, organico, da due sostanze inorganiche, dimostra che non è vera la legge di natura fini a quel momento presunta tale secondo cui “sostanze organiche non possono essere ricavate da sostanze inorganiche”) è indice che le leggi di natura non sono sempre credute in modo persistente, cosicché per comprendere il momento della scoperta è pur sempre necessario rifarsi a una teoria di tipo popperiano, rispetto alla quale Spohn presenta invece la propria in assoluta antitesi.

The port-Hamiltonian framework as a comprehensive approach to model and simulate complex systems

This thesis describes modelling tools and methods suited for complex systems (systems that typically are represented by a plurality of models). The basic idea is that all models representing the system should be linked by well-defined model operations in order to build a structured repository of information, a hierarchy of models. The port-Hamiltonian framework is a good candidate to solve this kind of problems as it supports the most important model operations natively. The thesis in particular addresses the problem of integrating distributed parameter systems in a model hierarchy, and shows two possible mechanisms to do that: a finite-element discretization in port-Hamiltonian form, and a structure-preserving model order reduction for discretized models obtainable from commercial finite-element packages.

Combinatorial and Robust Optimisation Models and Algorithms for Railway Applications

This thesis deals with an investigation of combinatorial and robust optimisation models to solve railway problems. Railway applications represent a challenging area for operations research. In fact, most problems in this context can be modelled as combinatorial optimisation problems, in which the number of feasible solutions is finite. Yet, despite the astonishing success in the field of combinatorial optimisation, the current state of algorithmic research faces severe difficulties with highly-complex and data-intensive applications such as those dealing with optimisation issues in large-scale transportation networks. One of the main issues concerns imperfect information. The idea of Robust Optimisation, as a way to represent and handle mathematically systems with not precisely known data, dates back to 1970s. Unfortunately, none of those techniques proved to be successfully applicable in one of the most complex and largest in scale (transportation) settings: that of railway systems. Railway optimisation deals with planning and scheduling problems over several time horizons. Disturbances are inevitable and severely affect the planning process. Here we focus on two compelling aspects of planning: robust planning and online (real-time) planning.

Application-oriented Mixed Integer Non-Linear Programming

In the most recent years there is a renovate interest for Mixed Integer Non-Linear Programming (MINLP) problems. This can be explained for different reasons: (i) the performance of solvers handling non-linear constraints was largely improved; (ii) the awareness that most of the applications from the real-world can be modeled as an MINLP problem; (iii) the challenging nature of this very general class of problems. It is well-known that MINLP problems are NP-hard because they are the generalization of MILP problems, which are NP-hard themselves. However, MINLPs are, in general, also hard to solve in practice. We address to non-convex MINLPs, i.e. having non-convex continuous relaxations: the presence of non-convexities in the model makes these problems usually even harder to solve. The aim of this Ph.D. thesis is to give a flavor of different possible approaches that one can study to attack MINLP problems with non-convexities, with a special attention to real-world problems. In Part 1 of the thesis we introduce the problem and present three special cases of general MINLPs and the most common methods used to solve them. These techniques play a fundamental role in the resolution of general MINLP problems. Then we describe algorithms addressing general MINLPs. Parts 2 and 3 contain the main contributions of the Ph.D. thesis. In particular, in Part 2 four different methods aimed at solving different classes of MINLP problems are presented. Part 3 of the thesis is devoted to real-world applications: two different problems and approaches to MINLPs are presented, namely Scheduling and Unit Commitment for Hydro-Plants and Water Network Design problems. The results show that each of these different methods has advantages and disadvantages. Thus, typically the method to be adopted to solve a real-world problem should be tailored on the characteristics, structure and size of the problem. Part 4 of the thesis consists of a brief review on tools commonly used for general MINLP problems, constituted an integral part of the development of this Ph.D. thesis (especially the use and development of open-source software). We present the main characteristics of solvers for each special case of MINLP.

Coordinated Control of Robotic Swarms in Unknown Environments

This thesis gathers the work carried out by the author in the last three years of research and it concerns the study and implementation of algorithms to coordinate and control a swarm of mobile robots moving in unknown environments. In particular, the author's attention is focused on two different approaches in order to solve two different problems. The first algorithm considered in this work deals with the possibility of decomposing a main complex task in many simple subtasks by exploiting the decentralized implementation of the so called \emph{Null Space Behavioral} paradigm. This approach to the problem of merging different subtasks with assigned priority is slightly modified in order to handle critical situations that can be detected when robots are moving through an unknown environment. In fact, issues can occur when one or more robots got stuck in local minima: a smart strategy to avoid deadlock situations is provided by the author and the algorithm is validated by simulative analysis. The second problem deals with the use of concepts borrowed from \emph{graph theory} to control a group differential wheel robots by exploiting the Laplacian solution of the consensus problem. Constraints on the swarm communication topology have been introduced by the use of a range and bearing platform developed at the Distributed Intelligent Systems and Algorithms Laboratory (DISAL), EPFL (Lausanne, CH) where part of author's work has been carried out. The control algorithm is validated by demonstration and simulation analysis and, later, is performed by a team of four robots engaged in a formation mission. To conclude, the capabilities of the algorithm based on the local solution of the consensus problem for differential wheel robots are demonstrated with an application scenario, where nine robots are engaged in a hunting task.

Internal Model Principle: extension to the switching case and applications

This thesis deals with a novel control approach based on the extension of the well-known Internal Model Principle to the case of periodic switched linear exosystems. This extension, inspired by power electronics applications, aims to provide an effective design method to robustly achieve the asymptotic tracking of periodic references with an infinite number of harmonics. In the first part of the thesis the basic components of the novel control scheme are described and preliminary results on stabilization are provided. In the second part, advanced control methods for two applications coming from the world high energy physics are presented.

Enhanced Mixed Integer Programming Techniques and Routing Problems

Mixed integer programming is up today one of the most widely used techniques for dealing with hard optimization problems. On the one side, many practical optimization problems arising from real-world applications (such as, e.g., scheduling, project planning, transportation, telecommunications, economics and finance, timetabling, etc) can be easily and effectively formulated as Mixed Integer linear Programs (MIPs). On the other hand, 50 and more years of intensive research has dramatically improved on the capability of the current generation of MIP solvers to tackle hard problems in practice. However, many questions are still open and not fully understood, and the mixed integer programming community is still more than active in trying to answer some of these questions. As a consequence, a huge number of papers are continuously developed and new intriguing questions arise every year. When dealing with MIPs, we have to distinguish between two different scenarios. The first one happens when we are asked to handle a general MIP and we cannot assume any special structure for the given problem. In this case, a Linear Programming (LP) relaxation and some integrality requirements are all we have for tackling the problem, and we are ``forced" to use some general purpose techniques. The second one happens when mixed integer programming is used to address a somehow structured problem. In this context, polyhedral analysis and other theoretical and practical considerations are typically exploited to devise some special purpose techniques. This thesis tries to give some insights in both the above mentioned situations. The first part of the work is focused on general purpose cutting planes, which are probably the key ingredient behind the success of the current generation of MIP solvers. Chapter 1 presents a quick overview of the main ingredients of a branch-and-cut algorithm, while Chapter 2 recalls some results from the literature in the context of disjunctive cuts and their connections with Gomory mixed integer cuts. Chapter 3 presents a theoretical and computational investigation of disjunctive cuts. In particular, we analyze the connections between different normalization conditions (i.e., conditions to truncate the cone associated with disjunctive cutting planes) and other crucial aspects as cut rank, cut density and cut strength. We give a theoretical characterization of weak rays of the disjunctive cone that lead to dominated cuts, and propose a practical method to possibly strengthen those cuts arising from such weak extremal solution. Further, we point out how redundant constraints can affect the quality of the generated disjunctive cuts, and discuss possible ways to cope with them. Finally, Chapter 4 presents some preliminary ideas in the context of multiple-row cuts. Very recently, a series of papers have brought the attention to the possibility of generating cuts using more than one row of the simplex tableau at a time. Several interesting theoretical results have been presented in this direction, often revisiting and recalling other important results discovered more than 40 years ago. However, is not clear at all how these results can be exploited in practice. As stated, the chapter is a still work-in-progress and simply presents a possible way for generating two-row cuts from the simplex tableau arising from lattice-free triangles and some preliminary computational results. The second part of the thesis is instead focused on the heuristic and exact exploitation of integer programming techniques for hard combinatorial optimization problems in the context of routing applications. Chapters 5 and 6 present an integer linear programming local search algorithm for Vehicle Routing Problems (VRPs). The overall procedure follows a general destroy-and-repair paradigm (i.e., the current solution is first randomly destroyed and then repaired in the attempt of finding a new improved solution) where a class of exponential neighborhoods are iteratively explored by heuristically solving an integer programming formulation through a general purpose MIP solver. Chapters 7 and 8 deal with exact branch-and-cut methods. Chapter 7 presents an extended formulation for the Traveling Salesman Problem with Time Windows (TSPTW), a generalization of the well known TSP where each node must be visited within a given time window. The polyhedral approaches proposed for this problem in the literature typically follow the one which has been proven to be extremely effective in the classical TSP context. Here we present an overall (quite) general idea which is based on a relaxed discretization of time windows. Such an idea leads to a stronger formulation and to stronger valid inequalities which are then separated within the classical branch-and-cut framework. Finally, Chapter 8 addresses the branch-and-cut in the context of Generalized Minimum Spanning Tree Problems (GMSTPs) (i.e., a class of NP-hard generalizations of the classical minimum spanning tree problem). In this chapter, we show how some basic ideas (and, in particular, the usage of general purpose cutting planes) can be useful to improve on branch-and-cut methods proposed in the literature.