Design di un sistema di fault detection per un'architettura fail-safe di attuazione delle superfici di controllo di un UAV

In questo lavoro di tesi si affronta una delle problematiche che si presentano oggi nell'impiego degli APR (Aeromobili a Pilotaggio Remoto): la gestione della safety. Non si può più, in altri termini, negare che tali oggetti siano parte integrante dello spazio aereo civile. Proprio su questo tema recentemente gli enti regolatori dello spazio aereo stanno proiettando i loro sforzi al fine di stabilire una serie di regolamenti che disciplinino da una parte le modalità con cui questi oggetti si interfacciano con le altre categorie di velivoli e dall'altra i criteri di idoneità perché anche essi possano operare nello spazio aereo in maniera sicura. Si rende quindi necessario, in tal senso, dotare essi stessi di un sufficiente grado di sicurezza che permetta di evitare eventi disastrosi nel momento in cui si presenta un guasto nel sistema; è questa la definizione di un sistema fail-safe. Lo studio e lo sviluppo di questa tipologia di sistemi può aiutare il costruttore a superare la barriera oggi rappresentata dal regolamento che spesso e volentieri rappresenta l'unico ostacolo non fisico per la categoria dei velivoli unmanned tra la terra e il cielo. D'altro canto, al fine di garantire a chi opera a distanza su questi oggetti di avere, per tutta la durata della missione, la chiara percezione dello stato di funzionamento attuale del sistema e di come esso può (o potrebbe) interagire con l'ambiente che lo circonda (situational awarness), è necessario dotare il velivolo di apparecchiature che permettano di poter rilevare, all'occorrenza, il malfunzionamento: è questo il caso dei sistemi di fault detection. Questi due fondamentali aspetti sono la base fondante del presente lavoro che verte sul design di un ridotto ma preponderante sottosistema dell'UAV: il sistema di attuazione delle superfici di controllo. Esse sono, infatti, l'unico mezzo disponibile all'operatore per governare il mezzo nelle normali condizioni di funzionamento ma anche l'ultima possibilità per tentare di evitare l'evento disastroso nel caso altri sottosistemi siano chiaramente fuori dalle condizioni di normale funzionamento dell'oggetto.

Studio e ottimizzazione di un piccolo propulsore Diesel common rail, sovralimentato per un drone

Studio e ottimizzazione di un piccolo propulsore Diesel di piccola potenza common rail, sovralimentato per un drone.

Progettazione di un'applicazione di tipo "gesture-based" per il controllo di velivoli senza pilota a bordo

Progettazione e programmazione di un interfaccia per il controllo col movimento della mano di un simulatore di UAV.

Controllo robusto di un UAV con modello interno del riferimento

Progetto di un controllore basato sulla teoria del modello interno per fare inseguire traiettorie circolari ad un quadrirotore

Studio e ottimizzazione di un propulsore Diesel applicato a un drone

Progettazione di un motore Diesel 2 tempi sulla base commerciale di un TM100Kb a benzina di derivazione karting. Il motore è capace di 5kW di potenza ad un peso contenuto. La progettazione è orientata agli aspetti sia termodinamici che dinamici. Si effettua una serie di verifiche per capire l'efficienza e l'uso di componenti originali.

Programmazione di Sistemi Embedded con Linguaggi ad Agenti: un caso di studio basato su Jason e Arduino

I paradigmi di programmazione più utilizzati nella realizzazione di sistemi embedded presentano delle limitazioni, in quanto non consentono di modellare alcuni aspetti fondamentali. Il paradigma ad agenti presenta delle caratteristiche che consentono di modellare alcuni aspetti fondamenetali di un sistema embedded, oltre a fornire un livello di astrazione più elevato. All'interno di questa tesi verranno mostrati i concetti fondamentali di questo paradigma, mostrando inoltre i costrutti di base di un linguaggio ad agenti come Jason. Nella programmazione ad agenti, l'ambiente riveste un ruolo fondomentale. All'interno di questa trattazione verrà introdotto un paradigma per la programmazione di ambienti, descrivendo inoltre il framework di riferimento: CArtAgo. Dopo aver descritto i concetti e gli strumenti per applicare il paradigma ad agenti, verrà proposto un metodo per la realizzazione di sistemi embedded tramite l'applicazione di Jason sulla scheda di prototipazione Arduino.

Regolazione di coppia e velocità di un motore in corrente continua con Arduino

Il controllo di coppia e velocità di un attuatore è una funzione molto importante per molte applicazioni nelle quali è richiesta una regolazione indipendente dal carico. L’elaborato mostra come, mediante l’implementazione di controlli a catena chiusa, è possibile regolare coppia e velocità di un motore in corrente continua a magneti permanenti. In particolare si evidenzia come la presenza di controlli a catena chiusa, fissato un segnale di riferimento, consente al sistema, basato su Arduino Uno, la regolazione autonoma della velocità angolare di rotazione del motore tale che questa rimanga costante anche in condizioni di variazione del carico applicato.

Sistema di controllo PID di temperatura con LabVIEW e scheda Arduino

Lo scopo del lavoro svolto e quello di realizzare un sistema di controllo Proporzionale-Integrativo-Derivativo (PID) della temperatura all'interno di un fornetto in una camera a vuoto. Il sistema deve essere in grado di eseguire rampe di temperatura con differenti rapidita di variazione, in vista di un suo futuro impiego nello studio del Desorbimento Termico di diversi materiali. Nella prima parte della tesi, si esaminano le premesse teoriche ai controlli Proporzionali-Integrativi-Derivativi, e sono esposti i metodi di Ziegler-Nichols e di Tyreus-Luyben per ricavare le costanti del PID. Nella seconda parte si descrivono il sistema fisico in esame e l'hardware messo a punto per il sistema di controllo, gestito interfacciandolo con una scheda Arduino. Nella terza parte viene invece trattato il software realizzato con LabVIEW per gestire e controllare l'apparato. Nella quarta parte sono infine mostrati i risultati sperimentali ottenuti, e le conclusioni tratte al termine del lavoro.

Unmanned Aerial Vehicle (UAV) per applicazioni geomatiche

La tesi tratta i dispositivi UAV, in particolare i droni di peso inferiore ai 25 kg, facendo riferimento alla normativa ENAC. Vengono descritte le applicazioni pratiche in campo civile, concentrandosi sulle geomatiche, delineando i principali sensori esterni utilizzati come Camere digitali, termiche e multispettrali.

Rilievo fotogrammetrico da drone per la generazione di modelli termici di porzioni di territorio

In questo elaborato viene sperimentato un iter processuale che consenta di utilizzare i sensori termici affiancati a fotocamere digitale in ambito fotogrammetrico al fine di ottenere prodotto dal quale sono estrapolabili informazioni geometriche e termiche dell’oggetto di studio. Il rilievo fotogrammetrico è stato svolto mediante l’utilizzo di un drone con equipaggiamento multisensoriale, termico e digitale, su una porzione di territorio soggetto ad anomalie termiche nei pressi di Medolla (MO). Per l’analisi termica e geometrica sono stati posizionati sul campo 5 target termici di cui ne sono state misurate le coordinate per la georeferenziazione delle nuvole dense di punti e la temperatura. In particolare sono state eseguite due riprese aeree dalle quali sono stati estratti i frame necessari per i processi di restituzione fotogrammetrica. Le immagini sono state sottoposte ad una fase di trattamento che ha prodotto immagini rettificate prive di delle distorsioni impresse dall’obbiettivo. Per la creazione degli elaborati vettoriali e raster a colori e termici sono stati impiegati inizialmente software di fotogrammetria digitale in grado di fornire scene tridimensionali georeferenziate dell’oggetto. Sono state sviluppate sia in un ambiente open-source, sia sfruttando programmi commerciali. Le nuvole dense sono state successivamente trattate su una piattaforma gratuita ad interfaccia grafica. In questo modo è stato possibile effettuare dei confronti tra i diversi prodotti e valutare le potenzialità dei software stessi. Viene mostrato come creare un modello tridimensionale, contenente sia informazioni geometriche che informazioni termiche, partendo dalla nuvola termica e da quella a colori. Entrambe georeferenziate utilizzando gli stessi punti fotogrammetrici d’appoggio. Infine i prodotti ottenuti sono stati analizzati in un ambiente GIS realizzando sovrapposizioni grafiche, confronti numerici, interpolazioni, sezioni e profili.

Realizzazione e collaudo di un sensore di ozono controllato da Arduino

Nell’ambito della sterilizzazione da agenti patogeni, l’ozono riveste un ruolo fondamentale grazie al suo grande potere ossidante ed è di fondamentale importanza misurare quanto ozono viene prodotto mediante una scarica DBD. Scopo di questa tesi è stato quello di realizzare un sensore dedicato alla misurazione della concentrazione di ozono, controllato da Arduino Uno. Il setup realizzato risulta economico, facilmente trasportabile e flessibile in quanto è utilizzabile in diverse modalità: è possibile salvare i dati tramite Arduino per elaborarli successivamente; permette di collegare l’uscita all’oscilloscopio per monitorare i segnali elettrici nel tempo; consente di leggere la concentrazione di ozono misurata real-time su display lcd. Infine sono state effettuati dei confronti tra il setup attualmente presente in laboratorio e il setup realizzato, e i risultati sono stati soddisfacenti.

Pianificazione di coperture fotogrammetriche mediante RPAS

Il seguente elaborato di tesi tratta il problema della pianificazione di voli fotogrammetrici a bassa quota mediante l’uso di SAPR, in particolare è presentata una disamina delle principali applicazioni che permettono di programmare una copertura fotogrammetrica trasversale e longitudinale di un certo poligono con un drone commerciale. Il tema principale sviluppato è la gestione di un volo fotogrammetrico UAV mediante l’uso di applicativi software che permettono all’utente di inserire i parametri di volo in base alla tipologia di rilievo che vuole effettuare. L’obbiettivo finale è quello di ottenere una corretta presa fotogrammetrica da utilizzare per la creazione di un modello digitale del terreno o di un oggetto attraverso elaborazione dati in post-processing. La perfetta configurazione del volo non può prescindere dalle conoscenze base di fotogrammetria e delle meccaniche di un veicolo UAV. I capitoli introduttivi tratteranno infatti i principi della fotogrammetria analogica e digitale soffermandosi su temi utili alla comprensione delle problematiche relative al progetto di rilievo fotogrammetrico aereo. Una particolare attenzione è stata posta sulle nozioni di fotogrammetria digitale che, insieme agli algoritmi di Imagine Matching derivanti dalla Computer Vision, permette di definire il ramo della Fotogrammetria Moderna. Nei capitoli centrali verranno esaminate e confrontate una serie di applicazioni commerciali per smartphone e tablet, disponibili per sistemi Apple e Android, per trarne un breve resoconto conclusivo che le compari in termini di accessibilità, potenzialità e destinazione d’uso. Per una maggiore comprensione si determinano univocamente gli acronimi con cui i droni vengono chiamati nei diversi contesti: UAV (Unmanned Aerial Vehicle), SAPR (Sistemi Aeromobili a Pilotaggio Remoto), RPAS (Remotely Piloted Aicraft System), ARP (Aeromobili a Pilotaggio Remoto).

Unmanned Aerial Vehicle: tecnologie e prospettive future

Partendo dalla definizione di UAV e UAS, arrivando a quella di drone, nella tesi saranno definiti i termini precedenti, ossia un sistema aereo senza pilota a bordo, la nascita del termine drone e le tendenze attuali. Dopo una precisa classificazione nelle quattro categorie principali (droni per hobbisti, commerciali e militari di me- dia grandezza, militari specifici di grandi dimensioni e stealth da combattimento) saranno descritti gli ambiti di utilizzo: da un lato quello militare e della sicurezza, dall’altro quello civile e scientifico. I capitoli centrali della tesi saranno il cuore dell’opera: l’architettura dell’UAV sarà descritta analizzando la totalità delle sue componenti, sia hardware che software. Verranno, quindi, analizzati i problemi relativi alla sicurezza, focalizzandosi sull’hacking di un UAV, illustrandone le varie tecniche e contromisure (tra cui anche come nascondersi da un drone). Il lavoro della tesi prosegue nei capitoli successivi con un’attenta trattazione della normativa vigente e dell’etica dei droni (nonché del diritto ad uccidere con tali sistemi). Il capitolo relativo alla tecnologia stealth sarà importante per capire le modalità di occultamento, le tendenze attuali e i possibili sviluppi futuri degli UAV militari da combattimento. Il capitolo finale sugli sviluppi futuri esporrà le migliorie tecnologiche e gli obiettivi degli UAV negli anni a venire, insieme ad eventuali utilizzi sia militari che civili. La ricerca sarà orientata verso sistemi miniaturizzati, multiple UAV e swarming.

Analysis of the impact of stationary energy storage systems in trolleybus grids using Simulink-based modelling

The voltage profile of the catenary between traction substations (TSSs) is affected by the trolleybus current intake and by its position with respect to the TSSs: the higher the current requested by the bus and the further the bus from the TSSs, the deeper the voltage drop. When the voltage drops below 500V, the trolleybus is forced to decrease its consumption by reducing its input current. This thesis deals with the analysis of the improvements that the installation of an BESS produces in the operation of a particularly loaded FS of the DC trolleybus network of the city of Bologna. The stationary BESS is charged by the TSSs during off-peak times and delivers the stored energy when the catenary is overloaded alleviating the load on the TSSs and reducing the voltage drops. Only IMC buses are considered in the prospect of a future disposal of all internal combustion engine vehicles. These trolleybuses cause deeper voltage drops because they absorb enough current to power their traction motor and recharge the on board battery. The control of the BESS aims to keep the catenary voltage within the admissible voltage range and makes sure that all physical limitations are met. A model of FS Marconi Trento Trieste is implemented in Simulink environment to simulate its daily operation and compare the behavior of the trolleybus network with and without BESS. From the simulation without BESS, the best location of the energy storage system is deduced, and the battery control is tuned. Furthermore, from the knowledge of the load curve and the battery control trans-characteristic, it is formulated a prediction of the voltage distribution at BESS connection point. The prediction is then compared with the simulation results to validate the Simulink model. The BESS allows to decrease the voltage drops along the catenary, the Joule losses and the current delivered by the TSSs, indicating that the BESS can be a solution to improve the operation of the trolleybus network.

Valutazione sperimentale di approcci di TinyML per problemi di classificazione: un caso di studio con Arduino Nano 33 BLE

Il TinyMachineLearning (TinyML) è un campo di ricerca nato recentemente che si inserisce nel contesto dell’Internet delle cose (IoT). Mentre l’idea tradizionale dell’IoT era che i dati venissero inviati da un dispositivo locale a delle infrastrutture cloud per l’elaborazione, il paradigma TinyML d’altra parte, propone di integrare meccanismi basati sul Machine Learning direttamente all’interno di piccoli oggetti alimentati da microcontrollori (MCU ). Ciò apre la strada allo sviluppo di nuove applicazioni e servizi che non richiedono quindi l’onnipresente supporto di elaborazione dal cloud, che, come comporta nella maggior parte dei casi, consumi elevati di energia e rischi legati alla sicurezza dei dati e alla privacy. In questo lavoro sono stati svolti diversi esperimenti cercando di identificare le sfide e le opportunità correlate al TinyML. Nello specifico, vengono valutate e analizzate le prestazioni di alcuni algoritmi di ML integrati in una scheda Arduino Nano 33 BLE Sense, attraverso un framework TinyML. Queste valutazioni sono state effettuate conducendo cinque diversi macro esperimenti, ovvero riconoscimento di Colori, di Frequenze, di Vibrazioni, di Parole chiave e di Gesti. In ogni esperimento, oltre a valutare le metriche relative alla bontà dei classificatori, sono stati analizzati l’occupazione di memoria e il tasso di inferenza (tempo di predizione). I dati utilizzati per addestrare i classificatori sono stati raccolti direttamente con i sensori di Arduino Nano. I risultati mostrano che il TinyML può essere assolutamente utilizzato per discriminare correttamente tra diverse gamme di suoni, colori, modelli di vibrazioni, parole chiave e gesti aprendo la strada allo sviluppo di nuove promettenti applicazioni sostenibili.