Mobile Mapping System

Nella tesi si espone il Mobile Mapping System, cioè il rilevamento di dati geospaziali utilizzando sensori montati a bordo di appositi veicolo senza l'ausilio di punti di contatto a terra. Si illustrano i diversi dispositivi del sistema installati a bordo, le loro diverse applicazioni e metodologie di rilevamento. Si trattano le varie problematiche sorte e le loro risoluzioni.

Sviluppo di un simulatore di determinazione d’assetto per un CubeSat operante nel sistema binario Didymos

Questa tesi riguarda l'implementazione e la verifica di alcuni algoritmi di determinazione d'assetto, con l'obiettivo di verificarne le prestazioni e valutarne la possibilità di utilizzo sul ADS del satellite DustCube, operante nel sistema binario Didymos. I filtri si basano sulla combinazione delle misure di diversi sensori, tra i quali star tracker, sensori di Sole, camera a infrarossi e giroscopio. I sensori in questione sono stati modellizzati all'interno di un simulatore implementato in MATLAB/Simulink. L'approccio utilizzato per la determinazione dell'assetto è quelllo di impiegare due differenti filtri: il primo per la calibrazione del giroscopio, il secondo che utilizza i parametri di calibrazione calcolati dal primo per correggere la velocità angolare misurata da giroscopio e determinare l'assetto con un maggiore accuratezza. Le prestazioni dei vari filtri sono state caratterizzate attraverso un'analisi statistica: le simulazioni Monte Carlo. I risultati, nei limiti delle ipotesi fatte, hanno confermato la validità dell'approccio. Per la determinazione effettiva delle prestazioni di questo sistema sull'ADS del DustCube si rimanda ad uno studio di maggior dettaglio.

Progetto e sviluppo di un banco di prova per sistemi di determinazione e controllo d'assetto di CubeSat

Progettazione di dettaglio di un banco di prova per testare sistemi ADCS per CubeSat: Alma Test-Bed. Ci si è concentrati sul progetto di un primo nucleo di AlmaTB in grado di testare il controllo di tipo magnetico. Fanno parte di AlmaTB una gabbia di Helmholtz, un air-bearing system, un CubeSat di test, un metrology system. La gabbia di Helmholtz è un apparato costituito da tre coppie di bobine, una per ogni asse spaziale, che serve ad annullare il campo magnetico locale e simulare quello che si troverà in orbita attorno alla Terra. Un software ricava i dati del campo magnetico terrestre da modello IGRF a determinate coordinate e quota e fornisce agli alimentatori del set di bobine l'indicazione della corrente da distribuire. L'air-bearing system è un cuscinetto d'aria generato da un compressore che serve a ricreare le caratteristiche condizioni dell'ambiente spaziale di microgravità e attrito quasi-zero. Il CubeSat di test sarà montato su questo sistema. Il CubeSat di test, nella prima versione di AlmaTB, contiene i sensori e gli attuatori di tipo magnetico per determinare e controllare l'assetto di un nanosatellite. Il magnetometro presente all'interno è utilizzato anche come controllo del funzionamento della gabbia di Helmholtz. Il metrology system traccia i movimenti e l'inclinazione del CubeSat. Questo fornisce il riferimento di assetto vero, in modo da capire se il sistema ADCS lavora correttamente. Una volta che il banco di prova sarà completato e operativo sarà possibile testare algoritmi di determinazione e controllo di assetto che utilizzano diversi dispositivi tra sensori e attuatori disponibili nel mock-up. Su una workstation sono installati i software di controllo ed elaborazione dati. Si è scelto di procedere con un approccio di tipo "chiavi in mano", cioè scegliendo, quando disponibile, sistemi già completi e disponibili sul mercato. La prima versione di AlmaTB nasce dall'importante, vasto lavoro di matching tra i diversi apparati.

La Telemedicina nelle patologie croniche: applicazioni nella prevenzione, cura e riabilitazione

Lo sviluppo di tecnologie innovative nel campo delle telecomunicazioni, dei sensori e degli strumenti di calcolo, ha fatto sì che negli ultimi decenni sia stato possibile trovare soluzioni innovative a problemi tradizionali della medicina. Allo stato attuale è possibile ricorrere a dispositivi di monitoraggio di dimensioni molto contenute, che sono in grado di comunicare attraverso una rete di infrastrutture di comunicazione, fino a raggiungere la struttura ospedaliera. In questa tesi si è scelto di approfondire il ruolo della telemedicina nei casi di diabete e patologie cardiache, due fra i disturbi che maggiormente colpiscono la popolazione. Così facendo si osserva come la telemedicina possa rendersi utile in tutte le fasi del trattamento del disturbo: dalla prevenzione alla cura e alla riabilitazione, in maniera tale da perfezionare il rapporto classico fra paziente e specialista della medicina. Si eliminano barriere spaziali e di aggiungono una nuova gamma di servizi, tanto utili al medico quanto al paziente.

Analisi della stabilità motoria durante il cammino: come gli indici di variabilità e stabilità dell'accelerazione del centro di massa sono influenzati da processi cognitivi (dual-task)

La valutazione strumentale del cammino è solitamente svolta chiedendo ai soggetti semplicemente di camminare (ST). Tale condizione non rappresenta la quotidianità. Infatti, nella vita di tutti i giorni la locomozione richiede di adattarsi alle necessità individuali e il coinvolgimento di attività cognitive. I paradigmi di Dual-Task (DT) sono utilizzati per valutare i cambiamenti nella strategia di controllo del cammino in situazioni di vita quotidiana. In particolare, gli indici di performance, di variabilità e di stabilità, utilizzati nella valutazione del controllo motorio, potrebbero essere utili per valutare le interferenze cognitive durante il cammino. L’obiettivo del lavoro è di valutare come tali indici cambiano durante il Dual-Task. Sono stati reclutati 16 studenti, giovani e sani, della Facoltà di Ingegneria Biomedica di Cesena, ai quali è stato chiesto di compiere un cammino rettilineo di 250 m, senza ostacoli, all’aperto, in due condizioni: svolgendo la sola attività di cammino (ST); aggiungendo al precedente task, una sottrazione consecutiva di 7 ad alta voce, partendo da un numero casuale (DT). Tramite tre sensori inerziali tri-assiali, posti sul tronco (L5) e sulle caviglie, sono stati acquisiti i segnali di accelerazione e velocità angolare. Dopo aver calcolato, a partire da tali dati, indici di performance (numero di passi, cadence, velocità e tempo di esecuzione del test), di variabilità (Standard Deviation, Coefficient of Variation, Index of the Variance, Nonstationary Index, Poincare 4 Plots) e di stabilità (Harmonic Ratio e Index of Harmonicity), nelle due condizioni (ST e DT), è stata eseguita un’analisi statistica tra i due task. Le analisi statistiche condotte su tali indici hanno evidenziato che il DT influenza prevalentemente gli indici di performance (numero di passi, cadence, velocità e tempo di esecuzione del test) e in grado minore gli indici di variabilità e stabilità.

Analysis of Local Search Methods for 3D Data

In questa tesi sono stati analizzati alcuni metodi di ricerca per dati 3D. Viene illustrata una panoramica generale sul campo della Computer Vision, sullo stato dell’arte dei sensori per l’acquisizione e su alcuni dei formati utilizzati per la descrizione di dati 3D. In seguito è stato fatto un approfondimento sulla 3D Object Recognition dove, oltre ad essere descritto l’intero processo di matching tra Local Features, è stata fatta una focalizzazione sulla fase di detection dei punti salienti. In particolare è stato analizzato un Learned Keypoint detector, basato su tecniche di apprendimento di machine learning. Quest ultimo viene illustrato con l’implementazione di due algoritmi di ricerca di vicini: uno esauriente (K-d tree) e uno approssimato (Radial Search). Sono state riportate infine alcune valutazioni sperimentali in termini di efficienza e velocità del detector implementato con diversi metodi di ricerca, mostrando l’effettivo miglioramento di performance senza una considerabile perdita di accuratezza con la ricerca approssimata.

Progettazione e Implementazione di una piattaforma di Geofencing per il Context-Aware Advertising

La diffusione di smartphone e dispostivi mobili a cui si è assistito nell’ultima decade ha portato con sé lo sviluppo di nuovi sistemi e tecnologie basate sulla localizzazione. Questi sistemi vengono chiamati Location Based Systems (LBS) ed il loro successo è stato reso possibile dai sensori come GPS, antenna WiFi e accelerometro che hanno permesso agli sviluppatori di creare contenuti e servizi basati sulla posizione dell’utente. Una delle tecnologie su cui si basano i LBS è chiamata Geofencing e consiste nella creazione di aree virtuali (dette geofence) per delimitare luoghi di interesse (Point of Interests) e notificare l’utente quando entra, esce o si trova nelle vicinanze di una delle aree delimitate. Questa caratteristica viene utilizzata soprattutto per realizzare applicazioni che ricordano all’utente di svolgere delle azioni, per esempio un’app di promemoria che ricorda all’utente di comprare il latte quando si trova vicino ad un supermercato. Dal punto di vista economico, uno degli utilizzi piu` promettenti `e il co- siddetto Context Aware Advertising: i possessori di dispositivi mobili che si trovano a camminare nelle vicinanze di un negozio o un centro commer- ciale possono essere considerati possibili clienti e ricevere delle notifiche con pubblicit`a o questionari. Nel seguente lavoro verrà analizzato nel dettaglio cos’è il Geofencing, le sue applicazioni e le tecnologie sulla quale si basa. Verranno presi in considerazione alcuni problemi relativi all’utilizzo delle tecnologie di posizionamento, con particolare attenzione ai consumi di batteria. Verrà inoltre descritta la progettazione e l’implementazione di una piattaforma che permette ai possessori di attività commerciali di creare e gestire dei POI nonché di monitorare gli spostamenti dei possibili clienti. Dopo aver installato l’applicazione mobile sul proprio smartphone, i clienti potranno ricevere notifiche una volta oltrepassati i confini di un geofence.

Tecniche geomatiche di reverse engineering nel campo dei Beni Culturali

La salvaguardia e conservazione del Patrimonio Artistico ed Architettonico rappresentano un aspetto imprescindibile di ogni cultura, e trovano le loro fondamenta nella coscienza e conoscenza dei Beni. Il rilievo è l’operazione basilare per acquisire una conoscenza rigorosa di un oggetto nella sua geometria e in altre sue caratteristiche. Le finalità delle operazioni di rilevamento sono molteplici, dall’archiviazione a scopo di documentazione fino all’indagine conservativa volta alla diagnostica e alla progettazione di interventi. I modelli digitali, introdotti dallo sviluppo tecnologico degli ultimi decenni, permettono una perfetta conoscenza del bene, non necessitano di contatto diretto durante la fase di rilevamento e possono essere elaborati secondo le esigenze del caso. Le tecniche adottate nel Reverse Engineering si differenziano per il tipo di sensore utilizzato: quelle fotogrammetriche utilizzano sensori di tipo “passivo” e trovano oggi largo impiego nel settore dei Beni Culturali grazie agli strumenti di Structure from Motion, mentre strumenti basati su sensori di tipo “attivo” utilizzano Laser o proiezione di luce strutturata e sono in grado di rilevare con grande precisione geometrie anche molto complesse. La costruzione del modello della fontana del Nettuno e della torre Garisenda di Bologna costituiscono un valido esempio di applicazione delle tecniche di rilievo digitale, e dimostrano la validità delle stesse su oggetti di diversa dimensione in due diversi ambiti applicativi: il restauro e il monitoraggio. Gli sviluppi futuri del Reverse Engineering in questo ambito sono molteplici, e la Geomatica rappresenta senza dubbio una disciplina fondamentale per poterli realizzare.

Set-up di banchi prova per l'analisi strutturale della parte ciclistica di un motoveicolo da competizione

Il lavoro della tesi si compone di due parti principali: 1) progettazione del banco prova statico e set up dei banchi prova per la caratterizzazione a rigidezza. 2) Analisi dei risultati di spostamento e deformazione. Il fine ultimo del lavoro di tesi è stato quello di validare la moto progettata all'interno del Team UBM Motostudent di cui faccio parte, ed ottenere spunti per la riprogettazione degli elementi in fibra di carbonio. Inoltre i banchi progettati sono stati riutilizzati per testare i nuovi elementi, da telaio e telaietto riprogettati al nuovo forcellone.

Progettazione e prototipazione di un dispositivo per ustionati pediatrici in contesti poveri di risorse

Ogni anno, circa il 95% delle morti per ustioni si verifica in contesti poveri di risorse e di queste più di un terzo sono rappresentate da bambini con meno di 4 anni. Per determinare le caratteristiche del dispositivo è stata necessaria una lunga fase preliminare alla progettazione, dove si è analizzata l’entità del problema delle ustioni e i trattamenti attualmente eseguiti. La principale causa di morte per ustioni è dovuta alle infezioni per cui la priorità è creare un ambiente pulito e disinfettato, dove il paziente può essere trattato o trasportato ad un ospedale specializzato. Successivamente a questa fase di analisi dei bisogni, si sono identificate le funzionalità del dispositivo: il controllo della temperatura e dell’umidità per contrastare l’ipotermia e l’ipermetabolismo, la ventilazione d’aria filtrata per prevenire le infezioni e il sistema di lavaggio per disinfettare le lesioni. Il dispositivo è stato progettato per bambini con statura inferiore ad un metro. Da qui si sono derivate le specifiche tecniche di progetto, su cui è stata svolta l’analisi dei rischi e progettato un sistema di mitigazione più o meno efficace per ottenere un rischio residuo accettabile. Terminata la progettazione generale, si è disegnato lo schema circuitale e si sono scelti i componenti elettronici per l’implementazione del prototipo. Il sistema deve esser fornito di sensori di temperatura, umidità, anidride carbonica, ed attuatori per regolare questi parametri, come l’elemento riscaldante, la ventola e la pompa idraulica. Per la realizzazione del prototipo si è utilizzata una schema Wemos e un sistema di comunicazione I2C. Successivamente alla costruzione della struttura e al cablaggio, si è implementato un modello in Simulink per testare i coefficienti del controllore PID per il sistema di termoregolazione. In fine, si sono eseguiti dei test per valutare il controllo della temperatura all’interno dello scompartimento del bambino, e si sono ottenuti buoni risultati.

Shoulder kinematic evaluation in patients with rotator cuff tears using inertial and magnetic sensors.

Questo progetto di tesi fa parte di un più ampio studio clinico condotto all’interno dell’azienda NCS Lab (Carpi,(MO)), in collaborazione con il Dr. Claudio Chillemi (ICOT, Latina (RM)) che mira ad eseguire un confronto tra diverse tecniche chirurgiche per la riparazione della cuffia dei rotatori. Lo studio clinico in questione durerà circa due anni: per questo motivo i dati analizzati in questo progetto di tesi provengono solo dal gruppo di pazienti acquisiti nella fase preoperatoria. Tutti i dati sono stati acquisiti utilizzando i sensori magneto-inerziali WISE (tecnologia proprietaria dell’azienda NCS Lab). Questo lavoro di tesi si propone, quindi, di valutare la ripetibilità del movimento in termini di coefficiente di correlazione multipla e di estrapolare alcuni parametri di interesse clinico come, ad esempio, i range di movimento (ROM) della scapola e dell’omero e il ritmo scapolo-omerale (SHR). Questi parametri sono stati poi caratterizzati da un punto di vista statistico al fine di valutare le differenze tra arto patologico e controlaterale. Sono state calcolate, inoltre, le prediction bands con lo scopo di descrivere le differenze tra arto patologico e controlaterale nella coordinazione scapolo-omerale dei pazienti. Per quanto riguarda la ripetibilità del movimento, i risultati ottenuti in questo lavoro di tesi mostrano che la rotazione medio-laterale è caratterizzata da un eccellente CMC sia per l'arto patologico che per il controlaterale. Inoltre, sono state riscontrate differenze significative dal punto di vista statistico tra le distribuzioni dei range di movimento dell'arto patologico e controlaterale. Tali differenze sono state trovate anche per quanto riguarda il ritmo scapolo-omerale.

Studio del processo di progettazione di una stampella sensorizzata

Lo studio presentato in questa tesi vuole riportare la ricerca e l’analisi di una nuova esperienza di utilizzo di una stampella, spinto dalla richiesta di migliorare la performance e l’interfaccia dello strumento con un paziente con rilevanti difficoltà motorie. Analizzando lo stato dell’arte e la ricerca in ambito ortopedico, la stampella risulta essere lo strumento più comunemente utilizzato in caso di riabilitazione o difficoltà motorie, ma, allo stesso tempo, comporta rischi e ulteriori danni al paziente, nel caso vi sia un uso scorretto dello strumento. Lo scopo principale del progetto è fornire un supporto, sia al paziente, sia alla terapia, tramite l’ottimizzazione e il miglioramento di alcuni elementi costituenti di una stampella e l’implementazione di un nuovo servizio. Durante lo studio sono stati sfruttati i metodi dell’ingegneria industriale, utili per le fasi di sviluppo del progetto, ma si è cercato anche di dare importanza alla user experience, riportando considerazioni e opinioni di diversi utilizzatori della stampella. Si spera che il risultato sia uno strumento funzionale, utile e soprattutto che vada incontro alle esigenze non solo dell’utente, ma anche delle figure che lo assistono, come il medico ortopedico o il fisioterapista.

Sviluppo di YouCrowd: una piattaforma per campagne mobile crowdsensing on-demand

Con il termine "crowdsensing" si intende una tecnica in cui un folto gruppo di individui aventi dispositivi mobili acquisiscono e condividono dati di natura diversa in maniera collettiva, al fine di estrarre informazioni utili. Il concetto di Mobile Crowdsensing è molto recente e derivante dalle ultime innovazioni tecnologiche in materia di connettività online e cattura di dati di vario genere; pertanto non si trova attualmente una vera e propria applicazione in campo reale, la modellazione solo teorica e fin troppo specifica pone un limite alla conoscenza di un ambito che può rivelarsi molto utile ai fini di ricerca. YouCrowd è un piattaforma web che va ad implementare un sistema di crowdsourcing completo, in grado di leggere dati dai numerosi sensori di uno smartphone e condividerli, al fine di ottenere una remunerazione per gli utenti che completano una campagna. La web application vede la sua implementazione di base supportata da NodeJS e si configura come una piattaforma dinamica che varia la propria interfaccia con l'utente in base alle richieste di dati da parte degli administrators. Il test di YouCrowd ha coinvolto un buon numero di partecipanti più o meno esperti nell'utilizzo degli strumenti informatici, rivelando delle buone prestazioni in relazione alla difficoltà del task e alle prestazioni del device in test.

Analisi sperimentale di un sistema di localizzazione UWB per applicazioni robotiche

Data la pervasività dell’elettronica nella vita moderna, sempre più interesse è stato posto nelle applicazioni di localizzazione. In ambienti indoor e outdoor, dove sono richieste precisioni dell’ordine delle decine di centimetri, i classici servizi GNSS non sono applicabili. Una tecnologia promettente è quella a banda ultra-larga (UWB), affermata recentemente sul mercato. Un’alternativa potrebbe essere l’utilizzo di sensori ottici con marker di riferimento, però la presenza di fumo e idrometeore presenti nell’ambiente potrebbero andare ad oscurare i marker, rendendo impossibile la localizzazione. Lo scopo della tesi è volto a studiare un sistema di localizzazione UWB, progettato dall’Università di Bologna, ora sviluppato e commercializzato, in un’applicazione robotica. In particolare, l’idea è quella di porre il sistema di localizzazione sopra un elemento mobile, per esempio nella parte terminale di un braccio meccanico, al fine di localizzare un oggetto dotato di nodo UWB, ricavando dinamicamente la posizione relativa tra il braccio e l’oggetto. La tesi si concentra inizialmente a livello teorico sulle caratteristiche delle principali tecnologie coinvolte, in particolare i sistemi UWB e il filtraggio Bayesiano, per poi trattare i limiti teorici della localizzazione, nei concetti di Cramér-Rao lower bound (CRLB) e geometric dilution of precision (GDOP). Da questi, si motiva l’utilizzo della tecnica two-way ranging (TWR) come principio di raccolta delle misure per la localizzazione, per poi ricavare le curve teoriche dell’errore di localizzazione, tenendo conto dei limiti geometrici imposti, utilizzate come riferimento per l’analisi dell’errore ottenuto con il sistema reale. La tecnologia viene testata in tre campagne di misura. Nelle prime due si osserva la presenza di un piano metallico parallelo alla direzione di propagazione, per esaminare gli effetti delle riflessioni sulla localizzazione, mentre nella terza campagna si considera la presenza di acqua dolce.

Rilevamento della qualità del manto stradale: un approccio sperimentale tramite Machine Learning

Il riconoscimento delle condizioni del manto stradale partendo esclusivamente dai dati raccolti dallo smartphone di un ciclista a bordo del suo mezzo è un ambito di ricerca finora poco esplorato. Per lo sviluppo di questa tesi è stata sviluppata un'apposita applicazione, che combinata a script Python permette di riconoscere differenti tipologie di asfalto. L’applicazione raccoglie i dati rilevati dai sensori di movimento integrati nello smartphone, che registra i movimenti mentre il ciclista è alla guida del suo mezzo. Lo smartphone è fissato in un apposito holder fissato sul manubrio della bicicletta e registra i dati provenienti da giroscopio, accelerometro e magnetometro. I dati sono memorizzati su file CSV, che sono elaborati fino ad ottenere un unico DataSet contenente tutti i dati raccolti con le features estratte mediante appositi script Python. A ogni record sarà assegnato un cluster deciso in base ai risultati prodotti da K-means, risultati utilizzati in seguito per allenare algoritmi Supervised. Lo scopo degli algoritmi è riconoscere la tipologia di manto stradale partendo da questi dati. Per l’allenamento, il DataSet è stato diviso in due parti: il training set dal quale gli algoritmi imparano a classificare i dati e il test set sul quale gli algoritmi applicano ciò che hanno imparato per dare in output la classificazione che ritengono idonea. Confrontando le previsioni degli algoritmi con quello che i dati effettivamente rappresentano si ottiene la misura dell’accuratezza dell’algoritmo.