Experimental characterization and modelling of a servo-pneumatic system for a knee loading apparatus

The new knee test rig developed in University of Bologna used pneumatic cylinder as actuator system. Specific characterization and modelling about the pneumatic cylinder and the related devices are needed in better controlling the test rig. In this thesis, an experimental environment for the related device is set up with data acquisition system using Real-time Windows Target, Simulink, MatLab. Based on the experimental data, a fitted model for the pneumatic cylinder friction is found.

Sviluppo di un tool per lo studio di configurazioni architetturali nell'ambito di un simulatore orbitale e di assetto per microsatelliti

La realizzazione della componentistica satellitare è una disciplina innovativa e sempre in aggiornamento, capitanata dall’obiettivo di minimizzare il peso e il volume delle componenti e concretizzare così missioni satellitari affidabili ma sempre più economiche. Questo lavoro di tesi viene svolto nell’ambito di strumenti per la simulazione di sistemi di controllo di assetto di un satellite in orbita bassa terrestre. Il lavoro è volto ad ottenere uno strumento per compiere studi preliminari di missioni di microsatelliti, che sia dotato della possibilità di scegliere più combinazioni di attuatori e sensori e che permetta di valutare la bontà e i vantaggi derivanti dalla scelta di tali configurazioni scelte. Il punto di partenza è stato un simulatore realizzato in ambiente Matlab/Simulink per il monitoraggio di uno specifico microsatellite, ALMASat-1 dell’Università di Bologna. Vi sono stati aggiunti dei tools allo scopo di aggiornare il simulatore a nuove tecnologie e di consentire di realizzare diverse combinazioni di determinazione e controllo in assetto. Si presenterà inizialmente l’interfaccia grafica realizzata per facilitare l’utilizzo del simulatore e si mostreranno successivamente le modifiche apportate in concomitanza con l’aggiornamento del simulatore. Tra le innovazioni applicate al simulatore si annoverano la possibilità di far iniziare la simulazione in precisi stadi di assetto, permettendo all’utente di discriminare solo le fasi ad egli utili, e il miglioramento del sistema di determinazione dell’assetto, compiuto aggiungendo al sistema un simulatore di sensore di stelle, il più accurato tra tutti i sensori e il cui utilizzo, tipicamente riservato a missioni ad elevato budget, si è reso recentemente compatibile, in termini di dimensioni peso e costi, anche a piattaforme satellitari di dimensioni ridotte. Per entrambi gli aspetti verranno mostrate le rispettive modalità di realizzazione, ponendo particolare attenzione all’analisi posta per l’implementazione di uno strumento di misura. Infine sarà presente una discussione sui vantaggi offerti dal simulatore rinnovato.

Modellizzazione e simulazione di convertitori di tipo Z-Source

analisi dell'approccio semplificato e introduzione ad un nuovo approccio, considerando le tensioni sui condensatori e le correnti sulle induttanze non più costanti. determinazione e analisi dei ripple di corrente sulle induttanze e tensioni sulle capacità. confronto fra i risultati teorici del nuovo approccio e quelli ottenuti attraverso le simulazioni effettuate con Simulink. analisi di funzionamento e dimensionamento dei componenti

Controllo di un impianto ad aria compressa per limitare gli avviamenti del compressore mediante regolatore misto retroazione-azione in avanti

Progetto di un sistema di controllo della pressione dellʼaria compressa in un serbatoio. In particolare, dopo aver introdotto gli impianti ad aria compressa e mostrato i vari parametri di tali impianti, si vedrà̀ un modo di progettare un sistema di controllo che permetta di inviare allʼutenza una portata di aria che consenta di mantenere costante la pressione nel serbatoio di accumulo, dal quale lʼutenza preleva la portata. Il sistema permetterà di variare allʼoccorrenza lo spazio nocivo (o volume nocivo) del compressore volumetrico dellʼimpianto, in base a quanto volume dʼaria viene richiesto ad ogni ciclo di mandata dallʼutenza (volume dʼaria per ciclo o portata dʼaria); in generale i compressori di questo tipo di impianti possono essere o volumetrici o rotativi, ma in questo lavoro di tesi ci si concentrerà su compressori volumetrici. Il sistema servirà a fare in modo di mantenere la pressione nel serbatoio costante, per evitare dannose sovrappressioni al suo interno (o al contrario pressioni troppo basse), che con lʼausilio di pressostati inducono lo spegnimento del compressore (pressioni troppo basse al contrario ne inducono lʼaccensione se spento), con successivo riavviamento. Quindi il sistema aiuterà a limitare il più possibile il numero di avviamenti, riducendo il consumo energetico dovuto alle correnti di spunto ed evitando di danneggiare il compressore. Per verificare il corretto funzionamento del sistema si utilizzerà un modello simulato del sistema di controllo della pressione nel serbatoio realizzato in ambiente software Simulink. Verrà infine anche quantificato il risparmio economico che si ottiene con lʼintroduzione del sistema.

Validazione di un modello real-time di un turboalbero aeronautico

L'obiettivo di questo lavoro di tesi è realizzare e validare un modello del propulsore Allison 250 c18 realizzato in Simulink. In particolare utilizzando i dati provenienti da prove sperimentali effettuate al banco prova del laboratorio di Propulsione e macchine della Scuola di Ingegneria e Archittetura vengono dapprima create le mappe prestazionali dei singoli componenti. Esse sono poi implementate all'interno del modello in Simulink, realizzato con struttura modulare a blocchi permettendo il modellamento di ogni singolo componente del motore. Successivamente i dati provenienti dalle simulazioni sono confrontati con i dati sperimentali, riscontrando risultati soddisfacenti. In ultimo si riporta brevemente una descrizione della compilazione del modello da utilizzare in una interfaccia LabVIEW per verificarne il funzionamento del modello in real-time.

Analysis of aircraft load spectrum by means of flight simulator

Damage tolerance analysis is a quite new methodology based on prescribed inspections. The load spectra used to derive results of these analysis strongly influence the final defined inspections programs that for this reason must be as much as possible representative of load acting on the considered structural component and at the same time, obtained reducing both cost and time. The principal purpose of our work is in improving the actual condition developing a complete numerical Damage Tolerance analysis, able to prescribe inspection programs on typical aircraft critical components, respecting DT regulations, starting from much more specific load spectrum then those actually used today. In particular, these more specific load spectrum to design against fatigue have been obtained through an appositively derived flight simulator developed in a Matlab/Simulink environment. This dynamic model has been designed so that it can be used to simulate typical missions performing manually (joystick inputs) or completely automatic (reference trajectory need to be provided) flights. Once these flights have been simulated, model’s outputs are used to generate load spectrum that are then processed to get information (peaks, valleys) to perform statistical and/or comparison consideration with other load spectrum. However, also much more useful information (loads amplitude) have been extracted from these generated load spectrum to perform the previously mentioned predictions (Rainflow counting method is applied for this purpose). The entire developed methodology works in a complete automatic way, so that, once some specified input parameters have been introduced and different typical flights have been simulated both, manually or automatically, it is able to relate the effects of these simulated flights with the reduction of residual strength of the considered component.

Progetto preliminare di un UAV multi-modale

Studio, a livello preliminare, di un sistema a pilotaggio remoto che permetta la sorveglianza e il monitoraggio di zone aeree e marine ad alto rischio e in contemporanea di compiere una raccolta di dati che possa essere inviata in tempo reale ad un utente a terra. Negli ultimi anni si è sviluppato notevolmente il settore dei velivoli a pilotaggio remoto sia ad ala fissa sia ad ala rotante, per la videoripresa e la fotografia aerea a bassa quota, che è utilizzata in molti ambiti tra i quali la fotogrammetria, la geologia e l’archeologia, nonché per studi scientifici e per la sicurezza. Nel presente lavoro di tesi è stata studiata la fattibilità di un UAV capace di effettuare la sua missione, previa pianificazione, in due ambienti completamente diversi fra loro: l’aria e l’acqua. Così facendo si ha la possibilità di acquistare un solo mezzo con costi minori e con un profilo di missione molto più vasto. Lo sviluppo di questo drone, pensato per operazioni di protezione civile, si è articolato in più fasi: anzitutto si è cercato di stabilire quale fosse il suo ambito di utilizzo e quali caratteristiche avrebbe dovuto avere. Successivamente si è iniziato a valutare l’equipaggiamento del velivolo con tutti i sistemi necessari per compiere la sua attività ed infine si è realizzato un disegno CAD semplificato della sua struttura. La seconda parte del lavoro è stata incentrata sullo studio preliminare della stabilità del velivolo sia in configurazione aerea sia in quella marina andando dapprima a calcolare la posizione del baricentro dell’UAV in modo da avere un velivolo aereo staticamente stabile e a simularne il volo. Successivamente si è modificato un modello Simulink di un UAV disponibile in rete, adattandolo opportunamente a questo caso per simulare parte della missione e si è potuto constatare che il velivolo risulta essere stabile; per far questo sono state calcolate diverse derivate aerodinamiche in modo da poter simulare il comportamento dinamico del velivolo. Anche per la configurazione marina sono state calcolate le derivate aerodinamiche più significative ed è stata realizzata una simulazione per valutare la stabilità del ROV, sempre a comandi fissi. In ultima analisi si è studiata una missione tipica che potrebbe effettuare questo UAV multi-modale: per fare ciò si è tracciata in Google Earth una traiettoria cui sono stati aggiunti alcuni modelli CAD nelle fasi principali del volo per far capire come varia la forma del mezzo durante la missione. Lo scenario della missione è in un contesto di disastro ambientale dovuto ad un incidente in una centrale nucleare vicina al mare, caso che ben si presta alla applicazione di questo mezzo a pilotaggio remoto.

Protocolli di autenticazione mutua e loro implementazione

La tesi discute i protocolli di autenticazione d'entità, in particolare i protocolli di autenticazione mutua. Dopo averne definito le principali caratteristiche utilizzando diversi esempi, si descrive il protocollo MAP1, presentato da Mihir Bellare e Philip Rogaway nel 1993. Di questo protocollo viene successivamente descritta una possibile implementazione e simulazione nell'ambiente Stateflow di Simulink.

Sviluppo di un ambiente software di test e analisi delle prestazioni di INS di livello navigation e tactical grade

In questa tesi abbiamo provato a definire fino a che punto le misure di sensori siano affidabili, creando un simulatore che sia in grado di analizzare, qualitativamente e quantitativamente, le prestazioni di sensori inerziali facenti parte di sistemi di navigazione inerziale. Non ci siamo soffermati troppo sulle dinamiche dovute agli errori deterministici, che sono eliminabili facilmente mediante prove sperimentali e test, ma abbiamo puntato ad uno studio approfondito riguardante gli errori dovuti a processi stocastici casuali. Il simulatore, programmato sulla piattaforma MATLAB/Simulink, prende i dati grezzi contenuti all’interno dei datasheets dei sensori e li simula, riportando risultati numerici e grafici degli errori risultanti dall’utilizzo di quei specifici sensori; in particolare, esso mette in luce l’andamento degli errori di posizione, velocità ed assetto ad ogni istante di tempo della simulazione. L’analisi effettuata all’interno dell’elaborato ha successivamente condotto all’identificazione dei giroscopi laser come i sensori che soffrono meno di questi disturbi non-sistematici, portandoli ad un livello sopraelevato rispetto ai MEMS ed ai FOG.

Modeling and validation of the thermal behavior of buildings for the development of demand response methods

The representation of the thermal behaviour of the building is achieved through a relatively simple dynamic model that takes into account the effects due to the thermal mass of the building components. The model of a intra-floor apartment has been built in the Matlab-Simulink environment and considers the heat transmission through the external envelope, wall and windows, the internal thermal masses, (i.e. furniture, internal wall and floor slabs) and the sun gain due to opaque and see-through surfaces of the external envelope. The simulations results for the entire year have been compared and the model validated, with the one obtained with the dynamic building simulation software Energyplus.

Analysis of Lead-Acid batteries with a third-order dynamical model

Electrical energy storage is a really important issue nowadays. As electricity is not easy to be directly stored, it can be stored in other forms and converted back to electricity when needed. As a consequence, storage technologies for electricity can be classified by the form of storage, and in particular we focus on electrochemical energy storage systems, better known as electrochemical batteries. Largely the more widespread batteries are the Lead-Acid ones, in the two main types known as flooded and valve-regulated. Batteries need to be present in many important applications such as in renewable energy systems and in motor vehicles. Consequently, in order to simulate these complex electrical systems, reliable battery models are needed. Although there exist some models developed by experts of chemistry, they are too complex and not expressed in terms of electrical networks. Thus, they are not convenient for a practical use by electrical engineers, who need to interface these models with other electrical systems models, usually described by means of electrical circuits. There are many techniques available in literature by which a battery can be modeled. Starting from the Thevenin based electrical model, it can be adapted to be more reliable for Lead-Acid battery type, with the addition of a parasitic reaction branch and a parallel network. The third-order formulation of this model can be chosen, being a trustworthy general-purpose model, characterized by a good ratio between accuracy and complexity. Considering the equivalent circuit network, all the useful equations describing the battery model are discussed, and then implemented one by one in Matlab/Simulink. The model has been finally validated, and then used to simulate the battery behaviour in different typical conditions.

Implementazione di sistemi per visible light communication su Raspberry Pi

Grazie all'enorme sviluppo dei LED, le comunicazioni tramite luce visibile stanno acquisendo sempre maggiore importanza. Obiettivo di questa tesi è implementare su schede a basso costo (come Rasperry Pi) un sistema di trasmissione e ricezione basato appunto sulla visible light communication. Dopo un primo tentativo di trasferire il codice OpenVLC, sviluppato dal centro di ricerca spagnolo IMDEA Network, su Rasperry Pi, si è deciso di intraprendere una nuova strada e si è implementato un trasmettitore VLC in Simulink di Matlab e una prima bozza di ricevitore che sfrutta la SPI (serial-parallel interface). I primi risultati mostrano il corretto funzionamento del sistema anche se con data rate molto basse. Sviluppi futuri prevederanno l'ottimizzazione del sistema.

Valutazione delle prestazioni di reti ad accesso multiplo basate su visible light communication

Nella società odierna, le telecomunicazioni costituiscono un’esigenza fondamentale della vita quotidiana. Difatti, il mercato della ICT (Information and Communications Technology) è in costante espansione, e viene accompagnato da un rapido sviluppo di nuove tecnologie. In particolare, si assiste a un sempre più rilevante ruolo svolto dalle comunicazioni ottiche, ovvero sfruttanti la luce: in questo contesto, il quale comprende diversi rami ingegneristici, si stanno progressivamente affermando nuove forme di comunicazione basate sulla luce visibile, la cosiddetta Visible Light Communication (VLC). Con questa Tesi ci si propone di implementare con Simulink e stateflow di Matlab il livello MAC (Medium Access Control), basato sullo standard IEEE 802.15.7 per le VLC e valutarne le prestazioni. Prescinde da questa Tesi la parte di implementazione su scheda stessa che è lasciata per sviluppi futuri. Nel capitolo uno si introducono le VLC e si discutono i principali scenari attuali dove possono diffondersi. Nel capitolo 2, si mostrano le principali linee guida afferenti agli standard che sono risultate necessarie per sviluppare lo strato MAC. Nei capitoli 3 e 4 si mostra come il layer sviluppato possa essere utilizzato in due principali situazioni: nel capitolo 3 è descritta la realizzazione di una comunicazione punto-punto, ovvero con un trasmettitore e un ricevitore; nel capitolo 4 è descritta l’implementazione di una rete di nodi, ambito in cui il livello MAC risulta indispensabile. Per ognuna delle situazioni si illustrano scelte e caratteristiche dei sistemi simulati e i risultati ottenuti, cercando di coprire diverse eventualità che intercorrono, più in generale, nella gestione e implementazione di sistemi di telecomunicazione wireless.

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.

Modellistica e controllo di attuatori idraulici

La tesi tratta della modellistica e del controllo di un attuatore idraulico con valvola a quattro vie. Inizialmente si definiscono le grandezze e le formule fondamentali per descrivere un sistema idraulico e costruirne il modello matematico. Successivamente si ricava il modello non lineare del sistema nello spazio degli stati, quindi lo si linearizza per poterlo descrivere e studiare anche tramite funzioni di trasferimento. Si ricava quindi, utilizzando anche Matlab e Simulink, il controllo da applicare al modello linearizzato e si testa il comportamento del sistema in risposta a diversi segnali di ingresso. Infine si applica lo stesso controllore al sistema non lineare e si confrontano i due diversi comportamenti.