Design and Prototyping High Endurance Multi-Rotor

The topic of this thesis fo cus on the preliminary design and the p erformance analysis of a multirotor platform. A multirotor is an electrically p owered Vertical Take Off (VTOL) machine with more than two rotors that lift and control the platform. Multirotor are agile, compact and robust, making them ideally suited for b oth indo or and outdo or application especially to carry-on several sensors like electro optical multisp ectral sensor or gas sensor. The main disadvantage is the limited endurance due to heavy Li-Po batteries and high disk loading through the use of different small prop ellers. At the same time, the design of the multirotor do es not follow any engineering principle but it follow the ideas of amateurs’ builder. An adaptation of the classic airplane design theory for the preliminary design is implemented to fill the gap and detailed study of the endurance is p erformed to define the right way to make this kind of VTOL platforms.

Dynamics and control issues of multi-rotor platforms

This thesis deals with the analytic study of dynamics of Multi--Rotor Unmanned Aerial Vehicles. It is conceived to give a set of mathematical instruments apt to the theoretical study and design of these flying machines. The entire work is organized in analogy with classical academic texts about airplane flight dynamics. First, the non--linear equations of motion are defined and all the external actions are modeled, with particular attention to rotors aerodynamics. All the equations are provided in a form, and with personal expedients, to be directly exploitable in a simulation environment. This has requited an answer to questions like the trim of such mathematical systems. All the treatment is developed aiming at the description of different multi--rotor configurations. Then, the linearized equations of motion are derived. The computation of the stability and control derivatives of the linear model is carried out. The study of static and dynamic stability characteristics is, thus, addressed, showing the influence of the various geometric and aerodynamic parameters of the machine and in particular of the rotors. All the theoretic results are finally utilized in two interesting cases. One concerns the design of control systems for attitude stabilization. The linear model permits the tuning of linear controllers gains and the non--linear model allows the numerical testing. The other case is the study of the performances of an innovative configuration of quad--rotor aircraft. With the non--linear model the feasibility of maneuvers impossible for a traditional quad--rotor is assessed. The linear model is applied to the controllability analysis of such an aircraft in case of actuator block.

Studio di Mutazioni Geniche e Variazioni Copy-Number implicate nel deficit combinato degli Ormoni Ipofisari(CPHD)

La crescita normale di un individuo è il risultato dell’azione coordinata di molteplici ormoni e recettori codificati da geni e a tal proposito, discreto interesse è stato dato ai geni tipici dell’asse del GH. Tuttavia altri geni, più a monte di questi e responsabili dello sviluppo dell’ipofisi contribuiscono alla crescita normale o patologica. Alcuni geni studiati sono POU1F1, PROP1, LHX3, LHX4, HESX1, SOX3 e svariate loro mutazioni sono state identificate come causa di panipopituarismo (CPHD=Combined Pituitary Hormone Deficiency). In realtà la ricerca genetica non spiega ancora molte anomalie ipofisarie e molte mutazioni devono ancora essere identificate. Uno degli scopi del dottorato, svoltosi nel laboratorio di Genetica molecolare di Pediatria, è stata l’identificazione di mutazioni geniche da un gruppo di pazienti CPHD considerando in particolare i geni POU1F1, LHX3, SOX3, non ancora messi a punto presso il laboratorio. L’approccio sperimentale si è basato sulle seguenti fasi: prelievo delle informazioni di sequenza da GeneBank, progettazione di primers per amplificare le porzioni esoniche, messa a punto delle fasi della PCR e del sequenziamento, analisi della sequenza e confronto con le informazioni di sequenza depositate allo scopo di rintracciare eventuali mutazioni o varianti. La bassa percentuale di mutazioni in questi geni non ha permesso finora di rintracciare mutazioni nelle porzioni esoniche salvo che in un soggetto, nell’esone 6 di LHX3b (nuova mutazione, recessiva eterozigote, c.1248A>G implicata nella mutazione p.T377A della sequenza proteica). Un metodo di screening di questa mutazione impiegando l’enzima di restrizione SacII è stato usato, senza rilevare nessun altra occorrenza dell’allele mutato in 53 soggetti di controllo. Oltre alla messa a punto del sequenziamento e di alcune tecniche di analisi di singoli SNP o piccoli INDELs per i 3 geni, la ricerca svolta è stata orientata all’impiego di metodi di rilevamento di riarrangiamenti genetici comportanti ampie delezioni e/o variazioni del copy-number di esoni/interi geni detto MLPA (Multiplex Ligation-dependent Probe Amplification) e progettato da MRC-Holland. Il sequenziamento infatti non permette di rilevare tali alterazioni quando sono ampie ed in eterozigosi. Per esempio, in un’ampia delezione in eterozigosi, l’intervallo delimitato dai primers usati per la PCR può non includere totalmente la porzione interessata da delezione su un cromosoma cosicché la PCR ed il sequnziamento si basano solo sulle informazioni dell’altro cromosoma non deleto. Un vantaggio della tecnica MLPA, è l’analisi contemporanea di una quarantina di siti posti su svariati geni. Questa metodo tuttavia può essere affetto da un certo margine di errore spesso dipendente dalla qualità del DNA e dovrebbe essere affiancato e validato da altre tecniche più impegnativa dal punto di vista sperimentale ma più solide, per esempio la Real Time PCR detta anche PCR quantitativa (qPCR). In laboratorio, grazie all’MLPA si è verificata la condizione di delezione eterozigote di un paziente “storico” per il gene GH1 e la stessa mutazione è stata rilevata anche con la qPCR usando lo strumento Corbett Rotor Gene 6000 (Explera). Invece un’analisi solo con la qPCR di variazioni del copy-number (CNV) per SOX3 in pazienti maschili non ha ancora evidenziato anomalie. Entrambe le tecniche hanno aspetti interessanti, il miglior approccio al momento sembra un’analisi iniziale di pazienti con l’MLPA, seguita dalla verifica di un eventuale esito anomalo impiegando la real-time PCR.

Nonlinear Observers for Sensorless Control of Permanent Magnet Synchronous Motors

In this thesis, the industrial application of control a Permanent Magnet Synchronous Motor in a sensorless configuration has been faced, and in particular the task of estimating the unknown “parameters” necessary for the application of standard motor control algorithms. In literature several techniques have been proposed to cope with this task, among them the technique based on model-based nonlinear observer has been followed. The hypothesis of neglecting the mechanical dynamics from the motor model has been applied due to practical and physical considerations, therefore only the electromagnetic dynamics has been used for the observers design. First observer proposed is based on stator currents and Stator Flux dynamics described in a generic rotating reference frame. Stator flux dynamics are known apart their initial conditions which are estimated, with speed that is also unknown, through the use of the Adaptive Theory. The second observer proposed is based on stator currents and Rotor Flux dynamics described in a self-aligning reference frame. Rotor flux dynamics are described in the stationary reference frame exploiting polar coordinates instead of classical Cartesian coordinates, by means the estimation of amplitude and speed of the rotor flux. The stability proof is derived in a Singular Perturbation Framework, which allows for the use the current estimation errors as a measure of rotor flux estimation errors. The stability properties has been derived using a specific theory for systems with time scale separation, which guarantees a semi-global practical stability. For the two observer ideal simulations and real simulations have been performed to prove the effectiveness of the observers proposed, real simulations on which the effects of the Inverter nonlinearities have been introduced, showing the already known problems of the model-based observers for low speed applications.

Non-Linear Analysis and Design of Synchronous Bearingless Multiphase Permanent Magnet Machines and Drives

A two-dimensional model to analyze the distribution of magnetic fields in the airgap of a PM electrical machines is studied. A numerical algorithm for non-linear magnetic analysis of multiphase surface-mounted PM machines with semi-closed slots is developed, based on the equivalent magnetic circuit method. By using a modular structure geometry, whose the basic element can be duplicated, it allows to design whatever typology of windings distribution. In comparison to a FEA, permits a reduction in computing time and to directly changing the values of the parameters in a user interface, without re-designing the model. Output torque and radial forces acting on the moving part of the machine can be calculated. In addition, an analytical model for radial forces calculation in multiphase bearingless Surface-Mounted Permanent Magnet Synchronous Motors (SPMSM) is presented. It allows to predict amplitude and direction of the force, depending on the values of torque current, of levitation current and of rotor position. It is based on the space vectors method, letting the analysis of the machine also during transients. The calculations are conducted by developing the analytical functions in Fourier series, taking all the possible interactions between stator and rotor mmf harmonic components into account and allowing to analyze the effects of electrical and geometrical quantities of the machine, being parametrized. The model is implemented in the design of a control system for bearingless machines, as an accurate electromagnetic model integrated in a three-dimensional mechanical model, where one end of the motor shaft is constrained to simulate the presence of a mechanical bearing, while the other is free, only supported by the radial forces developed in the interactions between magnetic fields, to realize a bearingless system with three degrees of freedom. The complete model represents the design of the experimental system to be realized in the laboratory.

Diagnosis and Fault detection in Electrical Machines and Drives based on Advanced Signal Processing Techniques

In the present thesis, a new methodology of diagnosis based on advanced use of time-frequency technique analysis is presented. More precisely, a new fault index that allows tracking individual fault components in a single frequency band is defined. More in detail, a frequency sliding is applied to the signals being analyzed (currents, voltages, vibration signals), so that each single fault frequency component is shifted into a prefixed single frequency band. Then, the discrete Wavelet Transform is applied to the resulting signal to extract the fault signature in the frequency band that has been chosen. Once the state of the machine has been qualitatively diagnosed, a quantitative evaluation of the fault degree is necessary. For this purpose, a fault index based on the energy calculation of approximation and/or detail signals resulting from wavelet decomposition has been introduced to quantify the fault extend. The main advantages of the developed new method over existing Diagnosis techniques are the following: - Capability of monitoring the fault evolution continuously over time under any transient operating condition; - Speed/slip measurement or estimation is not required; - Higher accuracy in filtering frequency components around the fundamental in case of rotor faults; - Reduction in the likelihood of false indications by avoiding confusion with other fault harmonics (the contribution of the most relevant fault frequency components under speed-varying conditions are clamped in a single frequency band); - Low memory requirement due to low sampling frequency; - Reduction in the latency of time processing (no requirement of repeated sampling operation).

Sviluppo e caratterizzazione di bulk superconduttori in MgB2 per sistemi di levitazione

Superconduttori bulk in MgB2, ottenuti con tecnologia Mg-RLI brevettata da Edison Spa, sono stati oggetto di un'approfondita analisi in termini di forze di levitazione. Questo studio è stato preliminare per la progettazione di un innovativo sistema di levitazione lineare. I risultati ottenuti sperimentalmente sono stati validati attraverso modelli numerici sviluppati ad hoc. I campioni oggetto dello studio sono tre bulk in MgB2 rappresentativi delle tipiche forme usate nelle applicazioni reali: un disco, un cilindro, una piastra. I bulk sono stati misurati con un sistema di misura per le forze di levitazione realizzato a tale scopo. Un protocollo sperimentale è stato seguito per la caratterizzazione di base, sia in condizioni Field Cooling sia Zero Field Cooling, al quale sono state affiancate prove specifiche come la possibilità di mantenere inalterate le proprietà superconduttive attraverso la giunzione di più campioni con la tecnologia Mg-RLI. Un modello numerico è stato sviluppato per convalidare i risultati sperimentali e per studiare l'elettrodinamica della levitazione. Diverse configurazioni di rotori magnetici sono state accoppiate con un cilindro in MgB2 con lo scopo di valutare la soluzione ottimale; questo tema è stato apporofondito attraverso lo sviluppo di un software di simulazione che può tenere conto sia del numero di magneti sia della presenza di anelli in materiale magneti intercalati fra di essi. Studi analoghi sono stati portati avanti su una piastra di MgB2 per simulare il comportamento di una geometria piana. Un sistema di raffreddamento innovativo basato sull'azoto solido è stato studiato per poterlo accoppiare con un sistema di levitazione. Il criostato progettato è costituito da due dewar, uno dentro l'altro; quello interno ha lo scopo di raffreddare l'MgB2 mentre quello esterno di limitare delle perdite verso l'esterno. Il criopattino così ottenuto è accoppiato in condizioni FC ad una rotaia formata da magneti permanenti in NdFeB.