Sviluppo e test di un sistema BCI SSVEP-based

Una Brain Computer Interface (BCI) è un dispositivo che permette la misura e l’utilizzo di segnali cerebrali al fine di comandare software e/o periferiche di vario tipo, da semplici videogiochi a complesse protesi robotizzate. Tra i segnali attualmente più utilizzati vi sono i Potenziali Evocati Visivi Steady State (SSVEP), variazioni ritmiche di potenziale elettrico registrabili sulla corteccia visiva primaria con un elettroencefalogramma (EEG) non invasivo; essi sono evocabili attraverso una stimolazione luminosa periodica, e sono caratterizzati da una frequenza di oscillazione pari a quella di stimolazione. Avendo un rapporto segnale rumore (SNR) particolarmente favorevole ed una caratteristica facilmente studiabile, gli SSVEP sono alla base delle più veloci ed immediate BCI attualmente disponibili. All’utente vengono proposte una serie di scelte ciascuna associata ad una stimolazione visiva a diversa frequenza, fra le quali la selezionata si ripresenterà nelle caratteristiche del suo tracciato EEG estratto in tempo reale. L’obiettivo della tesi svolta è stato realizzare un sistema integrato, sviluppato in LabView che implementasse il paradigma BCI SSVEP-based appena descritto, consentendo di: 1. Configurare la generazione di due stimoli luminosi attraverso l’utilizzo di LED esterni; 2. Sincronizzare l’acquisizione del segnale EEG con tale stimolazione; 3. Estrarre features (attributi caratteristici di ciascuna classe) dal suddetto segnale ed utilizzarle per addestrare un classificatore SVM; 4. Utilizzare il classificatore per realizzare un’interfaccia BCI realtime con feedback per l’utente. Il sistema è stato progettato con alcune delle tecniche più avanzate per l’elaborazione spaziale e temporale del segnale ed il suo funzionamento è stato testato su 4 soggetti sani e comparato alle più moderne BCI SSVEP-based confrontabili rinvenute in letteratura.

Stato dell'arte e definizione di parametri progettuali per abbattitori a umido e abbattitori degli ossidi d'azoto.

Il fine della presente tesi è quello di definire parametri di riferimento progettuali e di controllo sul funzionamento degli abbattitori ad umido e degli abbattitori degli ossidi di azoto dalle emissioni industriali, utili ad una valutazione preventiva del progetto di impianto ed alla gestione dello stesso, da proporre come rappresentativi dello stato dell’arte per questi abbattitori. E’ innanzitutto effettuata una breve disamina sui composti inorganici quali inquinanti atmosferici: da quali fonti deriva la loro presenza in aria, quali sono gli effetti sull’ambiente, quantificazione delle emissioni antropiche per questa categoria di inquinanti e quali obiettivi di riduzione si pone la Regione Emilia Romagna. Viene quindi affrontata una breve sintesi della legislazione nazionale e regionale necessaria a comprendere dove si innesta la necessità di definire questi parametri di riferimento, con il confronto di disposizioni normative vigenti sull’argomento a livello nazionale e delle regioni Lombardia ed Emilia Romagna per giungere infine ad una proposta aggiornata. Si passa poi ad una descrizione accurata degli abbattitori ad umido e, di seguito, degli abbattitori degli ossidi di azoto, fornendo il discrimine tra le diverse tipologie presenti sul mercato e concretamente utilizzate in campo; inoltre grazie allo studio di due impianti presenti nel territorio di Modena viene fornita una comprensione più approfondita dei parametri tecnici di progettazione e funzionamento. L’analisi ha interessato: - parametri tecnici costruttivi; - parametri di funzionamento; - efficienza di abbattimento. La proposta conclusiva rappresenta la sintesi di confronto tecnico con esperti costruttori/installatori di impianti di depurazione dell’aria, di una dettagliata analisi conoscitiva delle caratteristiche e delle rese di abbattimento di impianti autorizzati, installati e controllati, presenti nel territorio della regione Emilia Romagna.

Validazione del modello di film fluido implementato in OpenFOAM

Le prestazioni dei motori a combustione interna sono fortemente influenzate dalla formazione di un film fluido, a seguito dell'impatto di uno spray con una parete. Nell'ottica di favorire la formazione della miscela e di ridurre le emissioni, lo studio approfondito di tale fenomeno deve essere supportato da un processo di simulazione assistita dal calcolatore. Pertanto, la Fluidodinamica Computazionale (Computational Fluid Dynamics, CFD) ed i modelli ad essa associati rappresentano al giorno d'oggi uno strumento vantaggioso e sempre più utilizzato. In questo ambito si colloca il presente lavoro di tesi, che si propone di validare il modello di film fluido implementato nel software OpenFOAM-2.3.0, confrontando i risultati ottenuti, in termini di altezza del film fluido, con quelli del caso sperimentale di Le Coz et al.

Ottimizzazione del sistema di trattamento fumi a doppio stadio del termovalorizzatore HERA di Coriano (RN)

Lo studio svolto si propone di stabilire quali sono le condizioni di gestione ottimale del sistema di depurazione dei fumi dell’impianto di termovalorizzazione di Rimini, situato nel comune di Coriano e gestito da Herambiente, una società nata nel 2009 nell'ambito del Gruppo Hera, una delle più importanti multiutility italiane che opera nei servizi dell’ambiente, dell’acqua e dell’energia. Il sistema di depurazione dell’impianto è composto da un doppio stadio di abbattimento a secco in cui si dosa calce (Ca(OH)2), al primo stadio, e bicarbonato di sodio (NaHCO3), al secondo. Rispetto alla calce, il bicarbonato garantisce una migliore efficienza di abbattimento dei gas acidi (HCl, SO2, HF), ma ha un prezzo d’acquisto maggiore. Da tale considerazione ha origine il problema di ottimizzazione economica: è necessario individuare una soluzione che consenta di ridurre il consumo e la spesa dei reagenti utilizzati senza alterare le emissioni di inquinanti a camino. I costi operativi legati alla gestione del sistema di depurazione, inoltre, devono tenere in considerazione anche la produzione dei residui solidi generati nei due stadi di abbattimento. Il calcolo di ottimizzazione è stato eseguito utilizzando un modello matematico in grado di prevedere il comportamento dei sistemi reagenti nei due stadi di abbattimento tramite la conoscenza di un parametro empirico. Dopo aver calibrato il modello con i dati di funzionamento dell’impianto, è possibile procedere alla sua implementazione al fine di valutare, in diversi periodi dell’anno 2015, come variano i costi operativi totali in funzione della conversione di HCl (gas acido più critico) al primo stadio di abbattimento e individuare quindi la migliore condizione economico-operativa per ciascun periodo considerato.

Caratterizzazione meccanica di lastre multistrato in materiale plastico con migliorata reazione al fuoco

Si caratterizza dal punto di vista del carico di rottura la lastra ondulata leggera multistrato in materiale plastico dell'azienda Edil Plast Srl. Si valuta la reazione al fuoco della grecata e si introducono i concetti fondamentali dell'incendio, della combustione e dei ritardanti di fiamma. Si presenta una panoramica delle normative vigenti in Italia e in Europa. Si cerca di inserire appositi antifiamma nella mescola della lastra grecata in modo da ottenere una migliorata reazione al fuoco.

Un sistema di domotica per il controllo energetico domestico con tecnologie open-source.

Data la sempre maggiore richiesta di fabbisogno energetico, si è sviluppata una nuova filosofia nella gestione dei consumi energetici, il DSM (demand side management), che ha lo scopo di incoraggiare il consumatore ad usare energia in modo più intelligente e coscienzioso. Questo obiettivo, unito all’accumulo di energia da fonti rinnovabili, permetterà un abbassamento dell’utilizzo dell’energia elettrica proveniente dal consumo di fonti non rinnovabili e altamente inquinanti come quelle a combustibili fossili ed una diminuzione sia del consumo energetico, sia del costo per produrre energia che dell’energia stessa. L’home automation e la domotica in ambiente domestico rappresentano un esempio di DSM. L’obiettivo di questa tesi è quello di creare un sistema di home automation utilizzando tecnologie opensource. Sono stati utilizzati device come board Arduino UNO, Raspberry Pi ed un PC con sistema operativo GNU/Linux per creare una simulazione di un sistema di home automation abbinato alla gestione di celle fotovoltaiche ed energy storaging. Il sistema permette di poter spegnere un carico energetico in base a delle particolari circostanze come, per esempio, il superamento di una certa soglia di consumo di energia elettrica. Il software utilizzato è opensource e mira a poter ottimizzare il consumo energetico secondo le proprie finalità. Il tutto a dimostrare che si può creare un sistema di home automation da abbinare con il presente e futuro delle fonti rinnovabili utilizzando tecnologie libere in modo tale da preservare privacy e security oltre che customizzazione e possibilità di adattamento a diverse circostanze. Nella progettazione del sistema è stato implementato un algoritmo per gestire varie situazioni all’interno di un ambiente domestico. La realizzazione di tale algoritmo ha prodotto ottimi risultati nella raggiungimento degli obiettivi prefissati. Il progetto di questa tesi può essere ulteriormente ampliato ed il codice è reperibile in un repository pubblico.

Tracciamento di particelle con filtro di Kalman

Un problema fondamentale nello studio delle particelle elementari è disporre di misure più accurate possibile delle traiettorie che queste seguono all'interno dei rivelatori. La precisione di misura dei parametri di traccia è importante per poter descrivere accuratamente gli eventi e le interazioni che avvengono all'interno dei rivelatori. LHCb è un esempio di esperimento progettato con lo scopo di ottenere misure di precisione dei parametri della cinematica delle particelle per poter studiare la violazione delle simmetrie. Rivelatori come quello dell'esperimento LHCb utilizzano avanzate tecniche di tracciamento per individuare le traiettorie. Queste sono influenzate da fattori di rumore dovuti all'interazione tra le particelle e il materiale del rivelatore stesso. Nell'analisi delle misure effettuate quindi occorre tenere conto che sia la sensibilità del rivelatore che i fattori di rumore contribuiscono nella determinazione dell'incertezza sulla misura. Uno strumento matematico usato per ottenere precise stime dei parametri di traccia è il filtro di Kalman, che implementato su un campione di misure di una determinata grandezza, consente di minimizzare gli effetti dovuti a rumori statistici. In questo lavoro di tesi sono stati studiati la struttura e il funzionamento del rivelatore dell'esperimento LHCb e dei sistemi di tracciamento che lo caratterizzano e che ne costituiranno il futuro aggiornamento. Inoltre è stata analizzata l'azione del filtro di Kalman, implementandolo in una simulazione di tracciamento al calcolatore.

Validazione di metodologie di simulazione dell’impatto a parete di spray di combustibile iniettati ad alta pressione

Il presente lavoro di tesi, svolto in collaborazione con una azienda del settore automotive, tratta lo studio di impatto di sprays combustibili su pareti calde adottando un approccio numerico CFD-3D. Viene effettuata la validazione di alcuni tra i più utilizzati modelli di interazione goccia-parete implementati nel software commerciale STAR-CD. Lo scopo principale del lavoro svolto è quello di indirizzare il lettore verso una corretta implementazione della simulazione di uno spray impattante, comprendere pregi e limiti dei modelli applicati e fornire dei criteri per effettuare la scelta tra uno di essi in funzione di condizioni di interesse motoristico.

Sviluppo e ingegnerizzazione di sistemi ibridi a base di nanoparticelle inorganiche e microalghe da applicare nella depurazione acque

Lo scopo di questo lavoro di tesi consiste nella produzione e ingegnerizzazione di nuovi sistemi ibridi ottenuti accoppiando nanoparticelle di titania con la microalga Chlorella Vulgaris, per applicazione nel settore del risanamento delle acque reflue. Lo studio è stato rivolto all’ottimizzazione del materiale, il quale integra due proprietà: l’attività fotocatalitica sfruttata per la degradazione degli inquinanti organici conferita dalla titania e la capacità di biosorbimento di metalli pesanti tipica della biomassa. I risultati hanno evidenziato effetti sinergici positivi promossi dalla dispersione della microalga sulla superficie dell’ossido ed in grado di migliorare le performance di biorimediazione del materiale. Al fine di favorire l’applicazione industriale del sistema catalitico preparato, i campioni prodotti in sospensione sono stati ingegnerizzati rimuovendo il solvente tramite tecnologia di Spray-Freeze-Drying. Con l’obiettivo di ottimizzare la formulazione e correlare le proprietà chimico-fisiche dei materiali alle performance ottenute, è stata svolta un’approfondita caratterizzazione sia sulle sospensioni (ELS, DLS) che sui prodotti granulati (BET, SEM-FEG, SEM-EDS). Le prestazioni funzionali dei campioni preparati sono state valutate rispetto alla reazione modello di fotodegradazione della Rodamina B e nell’assorbimento del catione rameico.

Studio dell'effetto dell'iniezione di acqua diretta in motori GDI mediante simulazioni CFD

L’introduzione di normative antinquinamento sempre più stringenti ha costretto le case automobilistiche a progettare motori sempre più efficienti e puliti, sviluppando propulsori downsized sovralimentati sottoposti a notevoli sollecitazioni termomeccaniche. L’iniezione di acqua è una tecnologia innovativa che sfrutta il calore latente di evaporazione dell’acqua per raffreddare la carica, allontanando il rischio di detonazione nei motori ad accensione comandata. Essa punta a sostituire l’attuale arricchimento della miscela nei punti di funzionamento critici, in modo da diminuire i consumi di carburante e contenere le emissioni di CO, sottoposte nel prossimo futuro a limitazioni più stringenti nei cicli di omologazione RDE. Il presente lavoro di tesi ha voluto indagare, tramite simulazioni CFD, gli effetti dell’iniezione diretta di acqua su un motore GDI sovralimentato, modellato virtualmente. Le simulazioni hanno coinvolto dapprima le fasi di aspirazione e compressione, valutando l’effetto di raffreddamento sulla carica, la dinamica di evaporazione dell’acqua immessa e l’interazione sia con la dinamica dell’aria all’interno del cilindro, sia con la miscelazione aria-combustibile. Presi come riferimento i casi con λ1 e λ0,75 senz’acqua, l’analisi è iniziata quindi valutando quale fosse la fasatura di iniezione ottimale ed è proseguita analizzando gli effetti di due sistemi di iniezione a 50 bar e 150 bar al variare della quantità di acqua immessa. Una volta trovati i casi migliori nelle due configurazioni, si è proceduto a simulare la combustione, verificando che i benefici ottenuti fossero sfruttati in questa importante fase. Il raffreddamento della miscela permette di aumentare gli anticipi di accensione e quindi avere sia un maggior margine alla detonazione, sia un aumento di lavoro indicato. L’acqua però, comportandosi da inerte, inibisce la propagazione della fiamma, generando combustioni molto lunghe, che influiscono negativamente sulle temperature di scarico.

Algoritmo di stima degli stati di carica e salute per batterie al litio mediante filtro di Kalman duale

L’obiettivo di questa tesi è lo studio dell’applicazione del filtro di Kalman Duale per la stima dei principali parametri di batteria. Si è realizzato un algoritmo che consente la stima del SoC e dei parametri basandosi su riferimenti di tensione provenienti da modelli matematici e da prove di laboratorio. La scelta del Kalman duale consente uno studio più completo dei parametri di batteria visto che permette di operare su circuiti equivalenti più complessi con maggiori informazioni sull’evoluzione della batteria nel tempo. I risultati dimostrano l’efficacia del DEKF nello stimare la tensione e lo stato di carica con errori minori rispetto a precedenti test effettuati con altri filtri di Kalman. Si ha però una difficoltà alla convergenza su alcuni parametri a causa dell’elevato carico computazionale che porta ad un aumento del rumore. Perciò, per studi futuri si dovrà aumentare la precisione con cui la stima duale opera sulla matrice dei parametri del circuito equivalente. Questo porterà a migliori prestazioni anche su circuiti più complessi.

Diagnosi misfire: analisi delle strategie e automatizzazione di un processo di calibrazione di un motore V6 twin spark con sistema a precamera

L’obiettivo del seguente elaborato è quello di spiegare le modalità con cui viene monitorato il misfire, le varie strategie a supporto e la calibrazione che ne consegue in un motore V6 Twin Spark con sistema a precamera. Le varie attività sono state svolte nel gruppo OBD presso il dipartimento Powertrain dell’azienda Maserati S.p.A. nell’ambito della diagnosi misfire. Nella prima parte dell’elaborato verrà introdotto un quadro illustrativo delle normative vigenti in tema di emissioni per un motore a combustione interna che delineerà l’esigenza di avere un sistema di monitoraggio On-Board Diagnostic, e verranno descritte le principali diagnosi per i componenti meccanici ed elettronici. Nel secondo capitolo verrà introdotto il concetto di misfire, la sua classificazione e i requisiti che devono essere rispettati per il suo monitoraggio; nell’ultima parte, verrà descritto il motore oggetto di studi e le strumentazioni utilizzate per lo sviluppo dell’attività. Nel terzo capitolo verranno introdotte le varie strategie utilizzate per il rilevamento della mancata accensione della miscela e verrà illustrato come il sistema a precamera ha richiesto la loro revisione. In particolare, per quanto riguarda l’utilizzo della corrente di ionizzazione saranno analizzate le criticità dovute a questo nuovo sviluppo e per l’analisi della variazione di velocità angolare della ruota fonica verrà analizzato come tale sviluppo ha impattato nelle temperature del catalizzatore e nella robustezza della diagnosi effettuata. Infine, nell’ultimo capitolo verrà illustrato come ci si è approcciati alla calibrazione della finestra di osservazione, partendo dalle prove effettuate al banco, proseguendo con l’analisi di tali prove nelle varie condizioni di funzionamento del motore e concludendo con l’implementazione del processo di calcolo automatizzato per la calibrazione. In merito a quest'ultimo punto è stato sviluppato un Tool finalizzato a calcolare la finestra ottimale per ogni punto motore.

Sviluppo di metodologie di simulazione avanzate per la progettazione fluidodinamica di condotti di motori endotermici alternativi

L’attuale panorama motoristico, fortemente guidato dalle normative, prevede l’implementazione di diverse tecnologie che hanno lo scopo di migliorare l’efficienza del motore e ridurre le emissioni di inquinanti e per le quali risulta necessario una corretta progettazione dei condotti di aspirazione. Lo sviluppo ottimale dei condotti risulta un compromesso tra obiettivi contrastanti e in termini matematici si tratta di un’ottimizzazione multiobiettivo. Le simulazioni CFD e gli algoritmi genetici sono stati applicati con successo allo studio di questi problemi, ma la combinazione di questi elementi risulta notevolmente dispendiosa in termini di tempo, in quanto sarebbero necessarie un alto numero di simulazioni. Per ridurre i tempi di calcolo, un set di simulazioni CFD pu`o essere pi`u convenientemente utilizzato per istruire una rete neurale, che una volta opportunamente istruita pu`o essere usata per prevedere gli output delle simulazioni in funzione dei parametri di progetto durante l’ottimizzazione con l’algoritmo genetico, operando quella che viene chiamata una ottimizzazione virtuale. In questa tesi, viene mostrata una metodologia numerica per l’ottimizzazione multi-obiettivo dei condotti di aspirazione, basata su un modello CAD a geometria variabile, le simulazioni fluidodinamiche tridimensionali e una rete neurale combinata con un algoritmo genetico.

Studio sperimentale di barriere di sicurezza integrate e delle opere di sostegno

Il problema del rumore derivante dai volumi di traffico sempre crescente richiede la ricerca di svariate soluzioni, tra cui l'installazione di barriere di sicurezza e antirumore, definite anche integrate. La tesi, svolta in collaborazione con Piacentini Ingegneri srl, dopo un primo inquadramento del problema dei livelli di rumore eccessivi e dei limiti imposti da normativa, descrive le possibili soluzioni trovate nel tempo e in corso di ricerca. Vengono dunque descritte nel dettaglio le barriere integrate, specialmente quelle trovate nei tratti autostradali di Genova e Milano nel corso del tirocinio svolto presso Piacentini Ingegneri srl. È stata eseguita una modellazione FEM delle barriere Integauto-s e diverse prove sperimentali sui new jersey e sulle opere di supporto alle barriere (pull-out, carotaggi, prove a trazione, ecc). Dai certificati delle prove si ricavano i parametri di resistenza degli elementi (barriera e cordoli di sostegno) grazie ai quali, in aggiunta alla documentazione originale fornita da Autostrade per l'Italia, si raggiunge il Livello di Conoscenza accurato, il massimo possibile: LC3. Ciò è indispensabile per rispettare la procedura per il rialzamento delle barriere integrate concordate tra le 2 società sopracitate. Quindi, si procede con le verifiche delle barriere e delle opere di supporto alle barriere (cordolo su terreno, cordolo con micropali o pali, cordolo su opera d'arte esistente, pile da ponte). L'intera tesi è finalizzata alla definizione delle altezze delle barriere integrate, in quanto per motivi di sicurezza erano state abbassate. I calcoli strutturali, la modellazione FEM e le prove condotte hanno portato alla conoscenza massima possibile delle seguenti barriere: Integauto-s, NJBP C1.2 Martellona, e NJBP Ecotecnica (trovate nei tratti autostradali oggetto di rialzamento).

Studio di fattibilità ed implementazione della tecnologia MBR per l'impianto di depurazione acque presso Caviro-Extra (Faenza-RA)

Caviro Extra è un’azienda con sede a Faenza, impegnata nella lavorazione dei sottoprodotti derivanti dalla vinificazione e nella produzione di energia sostenibile ottenuta sia dai propri scarti di lavorazione che da rifiuti agroalimentari di aziende terze. Lo stabilimento svolge autonomamente il trattamento dei reflui abbattendo le sostanze inquinanti e permettendo così lo scarico in pubblica fognatura. Lo scopo della tesi è quello di studiare la fattibilità, tramite lo studio bibliografico, dell’implementazione di un bioreattore aerobico a membrana (MBR) come soluzione impiantistica atta a fronteggiare l’alto carico idraulico ed ammoniacale gestito durante il periodo della campagna di vinificazione. In un’ottica di sostenibilità ambientale si è presentato un secondo scopo , cioè quello di andare a recuperare le acque reflue tramite osmosi inversa. Dallo studio di letteratura scientifica riguardo la capacità di nitrificazione del bioreattore a membrana si hanno risultati favorevoli. Indicando tale sistema come una soluzione efficiente e stabile che può essere applicata nella nitrificazione di acque reflue contenenti un’alta concentrazione di azoto ammoniacale. L’integrazione di un sistema MBR con un’osmosi inversa ha, altresì, dimostrato miglioramenti ulteriori della qualità dell'acqua trattata; dimostrando di fornire un’alta reiezione di nitrato come di cloruri e di solfati ad alta concentrazione iniziale come nel caso in esame e di poter essere la soluzione impiantistica per alleggerire il carico ammoniacale al settore biologico e allo stesso tempo recuperare acqua riducendo la necessità di emungimento da pozzi artesiani. L’azienda verificherà mediante l’attività di testing la reale fattibilità in termini di potenziale miglioramento di depurazione, costi operativi e semplicità di gestione attraverso l’implementazione di impianti pilota sia sulla tecnologia analizzata (MBR+RO) sia su un processo MBBR di tipo ibrido fango attivo/biomassa adesa.