Programming Robots with an Agent-Oriented BDI-based Control Architecture: Explorations using the JaCa and Webots Platforms

La crescente disponibilità di dispositivi meccanici e -soprattutto - elettronici le cui performance aumentano mentre il loro costo diminuisce, ha permesso al campo della robotica di compiere notevoli progressi. Tali progressi non sono stati fatti unicamente per ciò che riguarda la robotica per uso industriale, nelle catene di montaggio per esempio, ma anche per quella branca della robotica che comprende i robot autonomi domestici. Questi sistemi autonomi stanno diventando, per i suddetti motivi, sempre più pervasivi, ovvero sono immersi nello stesso ambiente nel quale vivono gli essere umani, e interagiscono con questi in maniera proattiva. Essi stanno compiendo quindi lo stesso percorso che hanno attraversato i personal computer all'incirca 30 anni fa, passando dall'essere costosi ed ingombranti mainframe a disposizione unicamente di enti di ricerca ed università, ad essere presenti all'interno di ogni abitazione, per un utilizzo non solo professionale ma anche di assistenza alle attività quotidiane o anche di intrattenimento. Per questi motivi la robotica è un campo dell'Information Technology che interessa sempre più tutti i tipi di programmatori software. Questa tesi analizza per prima cosa gli aspetti salienti della programmazione di controllori per robot autonomi (ovvero senza essere guidati da un utente), quindi, come l'approccio basato su agenti sia appropriato per la programmazione di questi sistemi. In particolare si mostrerà come un approccio ad agenti, utilizzando il linguaggio di programmazione Jason e quindi l'architettura BDI, sia una scelta significativa, dal momento che il modello sottostante a questo tipo di linguaggio è basato sul ragionamento pratico degli esseri umani (Human Practical Reasoning) e quindi è adatto alla implementazione di sistemi che agiscono in maniera autonoma. Dato che le possibilità di utilizzare un vero e proprio sistema autonomo per poter testare i controllori sono ridotte, per motivi pratici, economici e temporali, mostreremo come è facile e performante arrivare in maniera rapida ad un primo prototipo del robot tramite l'utilizzo del simulatore commerciale Webots. Il contributo portato da questa tesi include la possibilità di poter programmare un robot in maniera modulare e rapida per mezzo di poche linee di codice, in modo tale che l'aumento delle funzionalità di questo risulti un collo di bottiglia, come si verifica nella programmazione di questi sistemi tramite i classici linguaggi di programmazione imperativi. L'organizzazione di questa tesi prevede un capitolo di background nel quale vengono riportare le basi della robotica, della sua programmazione e degli strumenti atti allo scopo, un capitolo che riporta le nozioni di programmazione ad agenti, tramite il linguaggio Jason -quindi l'architettura BDI - e perché tale approccio è adatto alla programmazione di sistemi di controllo per la robotica. Successivamente viene presentata quella che è la struttura completa del nostro ambiente di lavoro software che comprende l'ambiente ad agenti e il simulatore, quindi nel successivo capitolo vengono mostrate quelle che sono le esplorazioni effettuate utilizzando Jason e un approccio classico (per mezzo di linguaggi classici), attraverso diversi casi di studio di crescente complessità; dopodiché, verrà effettuata una valutazione tra i due approcci analizzando i problemi e i vantaggi che comportano questi. Infine, la tesi terminerà con un capitolo di conclusioni e di riflessioni sulle possibili estensioni e lavori futuri.

Analisi delle tecnologie BMP per i sistemi di drenaggio urbano

I sistemi di drenaggio urbano meritano particolare attenzione per l’importante compito che devono garantire all’interno della società. L’allontanamento delle acque reflue dalle zone urbanizzate infatti è indispensabile per non creare problemi ed interferenze con attività sociali ed economiche che in esse si svolgono; inoltre un corretto funzionamento del sistema di drenaggio assicura anche un basso impatto ambientale in termini di qualità e quantità. La disponibilità di nuove tecnologie costruttive e materiali in continua evoluzione devono fare fronte alla crescente complessità idraulica, geotecnica e urbanistica delle strutture componenti i sistemi di drenaggio; in tale elaborato si vuole porre l’accento sul problema dello smaltimento delle acque meteoriche nelle zone densamente urbanizzate, la cui soluzione è costituita dall'adozione delle cosiddette BMP (Best Management Practices). Le BMP sono definite come strategie, pratiche o metodi per la rimozione, la riduzione, il ritardo o la prevenzione della quantità di costituenti inquinanti e contaminanti delle acque di pioggia, prima che giungano nei corpi idrici ricettori. Tra esse ricordiamo le cisterne o rain barrels, i pozzi asciutti, i sistemi drywell, le vasche verdi filtranti, i tetti verdi, i canali infiltranti, i fossi di infiltrazione, i pozzi perdenti, i planting container, i canali inerbiti, i bacini di infiltrazione, le gross pullutant traps (gpts), gli stagni, i sistemi di fitodepurazione estensiva (sfe), le pavimentazioni drenanti. In Italia esse risultano ancora scarsamente studiate ed applicate, mentre trovano più ampio sviluppo in realtà estere come in Inghilterra ed in Australia. Per comprendere la efficacia di tali tecniche BMP è necessario analizzarle e, soprattutto, analizzare il loro effetto sul territorio in cui esse vengono inserite e sul regime idrogeologico dell’ambiente. Questa analisi può essere svolta con prove sperimentali su aree di controllo (soluzione economicamente gravosa) o attraverso modelli matematici tramite l’utilizzo di software di calcolo che simulino il comportamento delle portate, dei tiranti idrici e degli inquinanti nei canali e nelle strutture accessorie costituenti la rete fognaria, in conseguenza ad eventi di pioggia dei quali sia nota la distribuzione spaziale e temporale. In questo elaborato si modellizza attraverso il programma Matlab un unico elemento BMP e si osservano i suoi effetti; si procede cioè alla analisi del funzionamento di un ipotetico brown roof installato nella zona di Rimini e si osservano i benefici effetti che ne derivano in termini di volumi di pioggia trattenuti dal sistema considerando diverse tipologie di pioggia e diversi parametri progettuali per il tetto (i fori dello strato inferiore del tetto, la altezza dello strato di terreno, la sua permeabilità e la sua porosità). Si procede poi con la analisi di una ipotetica zona commerciale che sorge sulle sponde di un fiume. Tali analisi vengono svolte con il software HEC-RAS per quanto riguarda la analisi dei livelli del fiume e delle zone a rischio di inondazione. I risultati forniti da questo studio preliminare vengono poi utilizzati come condizioni al contorno per una successiva analisi effettuata con il software InfoWorks in cui si valutano i benefici che derivano dalla installazione di diverse BMP nella zona commerciale oggetto di studio. Tale modello esamina un verosimile scenario inglese, la cittadina infatti si ipotizza situata in Inghilterra e anche gli eventi pluviometrici a cui ci si riferisce sono tipici eventi di pioggia inglesi. Tutti i dati di input elaborati nelle simulazioni sono stati forniti all’interno di un progetto universitario svolto presso l’università di Bradford con la supervisione dei professori Simon Tait ed Alma Schellart. Infine la parte conclusiva dell’elaborato è stata sviluppata in collaborazione con Hera S.p.a. di Rimini all’interno di un percorso di tirocinio curriculare che ha previsto la analisi delle tecnologie BMP adatte per l’ambiente cittadino di Rimini e la osservazione delle performance garantite da tecnologie esistenti sul territorio: i parcheggi permeabili. La realtà riminese infatti deve far fronte a diversi problemi che si innescano durante i periodi di pioggia ed una mitigazione dei volumi di acqua in arrivo alla fognatura grazie a questo tipo di tecnologie, senza quindi ricorrere agli usuali sistemi puntuali, porterebbe sicuramente a notevoli vantaggi. Tali tecnologie però non devono solo essere progettate e costruite in modo corretto, ma devono essere sottoposte a periodici controlli ed adeguate operazioni di manutenzione per non perdere la loro efficacia. Per studiare tale aspetto si procede quindi alla misura della permeabilità di parcheggi drenanti presenti all’interno dei comuni di Cattolica e Rimini ricercando i fattori che influenzano tale caratteristica fondamentale dei parcheggi.

Oxymoron,progetto di un grattacielo direzionale a Shenzhen, Cina applicazione della Soft Kill Option (SKO) nella progettazione architettonica

Lo scopo della tesi è quello di affrontare la progettazione con un approccio,quanto più attuale e per certi versi avanguardista, chiamato Parametric design (progettazione parametrica), accoppiato efficacemente col concetto di Arte generativa (in questo caso Architettura). Già nel 1957 Luigi Moretti affrontò il tema dell’architettura parametrico-generativa fondando l’IRMOU (Istituto per la Ricerca Matematica e Operativa applicata all'Urbanistica) e oggi è una mentalità molto diffusa nei più grandi studi del mondo. Il tema non è solo tecnologico o informatico strumentale, ma è proprio un modo di pensare e immaginare il possibile, costruito o naturale che sia. E’ un modo di vivere la propria creatività. L’aggettivo “generativa” è legato al fatto che l’arte in esame è generata seguendo regole preimpostate e ben definite dal progettista, coerentemente agli obiettivi e alle finalità del progetto. L’evoluzione delle stesse, seguendo relazioni molto semplici, può dar vita a risultati sorprendenti e inaspettati, dotati di una notevole complessità che però, se letta nell’insieme, è perfettamente in armonia con l’idea progettuale di partenza. Il fascino di questa materia è il legame entusiasmante che crea tra architettura, ingegneria, poesia, filosofia, matematica, biologia, fisica, pittura ecc ecc. Questo perché i concetti di evoluzione, di relazione e di generazione appartengono a tutto ciò che ci circonda, e quindi alla concezione umana di vita. E’ possibile in questo modo permeare il costrutto progettuale con principi e regole oggettivamente riconoscibili e apprezzabili dallo spettatore perché instrisi di una forte veridicità processuale. Il titolo "Oxymoron" è la traduzione inglese della figura retorica ossimoro,la quale è strettamente connessa all’ispirazione progettuale: proviene dall’indagine approfondita di processi evolutivi (distruttivi in questo caso) caratterizzanti realtà naturali che, esplorate con sempre più accuratezza, determinano morfologie e forme aventi profonde radici strutturali. La distruzione che crea lo spazio. La genesi stessa della forma segue predominanti algoritmi matematici governati e corretti da variabili di diversa natura che definiscono l'enviroment di influenze interagenti ed agenti sul campione di studio. In questo caso la ricerca è focalizzata su processi erosivi fisici e chimici, di agenti esterni (quali vento e sali rispettivamente) ,di cui materiali inorganici, quali minerali e aggregati degli stessi (rocce), sono soggetti. In particolare, l’interesse è approfondito su fenomeni apparentemente emergenti dei tafoni e dei cosiddetti Micro canyon. A tal scopo si sfrutterà un metodo di soft kill option (SKO) di ottimizzazione topologica (optimization topology) attraverso gli strumenti informatici più idonei quali software di modellazione parametrica e di calcolo computazionale. La sperimentazione sta proprio nell'utilizzare uno strumento concepito per uno scopo, con un'ottica strettamente ingegneristica, per un'altra meta, ossia ricavare e ottenere se possibile un metodo di lavoro o anche solo un processo generativo tale da riprodurre o simulare casi e situazioni riscontrabili in natura negli eventi soggetti a erosione. Il tutto coerente con le regole che stanno alla base della genesi degli stessi. Il parallelismo tra singolarità naturale e architettura risiede nella generazione degli spazi e nella combinazione di questi. L’ambizioso obiettivo è quello di innescare un ciclo generativo, che messo in comunicazione diretta con un contesto variegato ed eterogeneo, dia vita a una soluzione progettuale dall'alto contenuto morfologico e spaziale.

Progettazione e sviluppo di applicazioni distribuite su Web: da JavaScript a TypeScript

Il Web nel corso della sua esistenza ha subito un mutamento dovuto in parte dalle richieste del mercato, ma soprattutto dall’evoluzione e la nascita costante delle numerose tecnologie coinvolte in esso. Si è passati da un’iniziale semplice diffusione di contenuti statici, ad una successiva collezione di siti web, dapprima con limitate presenze di dinamicità e interattività (a causa dei limiti tecnologici), ma successivamente poi evoluti alle attuali applicazioni web moderne che hanno colmato il gap con le applicazioni desktop, sia a livello tecnologico, che a livello di diffusione effettiva sul mercato. Tali applicazioni web moderne possono presentare un grado di complessità paragonabile in tutto e per tutto ai sistemi software desktop tradizionali; le tecnologie web hanno subito nel tempo un evoluzione legata ai cambiamenti del web stesso e tra le tecnologie più diffuse troviamo JavaScript, un linguaggio di scripting nato per dare dinamicità ai siti web che si ritrova tutt’ora ad essere utilizzato come linguaggio di programmazione di applicazioni altamente strutturate. Nel corso degli anni la comunità di sviluppo che ruota intorno a JavaScript ha prodotto numerose librerie al supporto del linguaggio dotando così gli sviluppatori di un linguaggio completo in grado di far realizzare applicazioni web avanzate. Le recenti evoluzioni dei motori javascript presenti nei browser hanno inoltre incrementato le prestazioni del linguaggio consacrandone la sua leadership nei confronti dei linguaggi concorrenti. Negli ultimi anni a causa della crescita della complessità delle applicazioni web, javascript è stato messo molto in discussione in quanto come linguaggio non offre le classiche astrazioni consolidate nel tempo per la programmazione altamente strutturata; per questo motivo sono nati linguaggi orientati alla programmazione ad oggetti per il web che si pongono come obiettivo la risoluzione di questo problema: tra questi si trovano linguaggi che hanno l’ambizione di soppiantare JavaScript come ad esempio Dart creato da Google, oppure altri che invece sfruttano JavaScript come linguaggio base al quale aggiungono le caratteristiche mancanti e, mediante il processo di compilazione, producono codice JavaScript puro compatibile con i motori JavaScript presenti nei browser. JavaScript storicamente fu introdotto come linguaggio sia per la programmazione client-side, che per la controparte server-side, ma per vari motivi (la forte concorrenza, basse performance, etc.) ebbe successo solo come linguaggio per la programmazione client; le recenti evoluzioni del linguaggio lo hanno però riportato in auge anche per la programmazione server-side, soprattutto per i miglioramenti delle performance, ma anche per la sua naturale predisposizione per la programmazione event-driven, paradigma alternativo al multi-threading per la programmazione concorrente. Un’applicazione web di elevata complessità al giorno d’oggi può quindi essere interamente sviluppata utilizzando il linguaggio JavaScript, acquisendone sia i suoi vantaggi che gli svantaggi; le nuove tecnologie introdotte ambiscono quindi a diventare la soluzione per i problemi presenti in JavaScript e di conseguenza si propongono come potenziali nuovi linguaggi completi per la programmazione web del futuro, anticipando anche le prossime evoluzioni delle tecnologie già esistenti preannunciate dagli enti standard della programmazione web, il W3C ed ECMAScript. In questa tesi saranno affrontate le tematiche appena introdotte confrontando tra loro le tecnologie in gioco con lo scopo di ottenere un’ampia panoramica delle soluzioni che uno sviluppatore web dovrà prendere in considerazione per realizzare un sistema di importanti dimensioni; in particolare sarà approfondito il linguaggio TypeScript proposto da Microsoft, il quale è nato in successione a Dart apparentemente con lo stesso scopo, ma grazie alla compatibilità con JavaScript e soprattutto con il vasto mondo di librerie legate ad esso nate in questi ultimi anni, si presenta nel mercato come tecnologia facile da apprendere per tutti gli sviluppatori che già da tempo hanno sviluppato abilità nella programmazione JavaScript.

Non linear application of an in-house finite elements software

Questa tesi si pone come obiettivo l'analisi delle componenti di sollecitazione statica di un serbatoio, in acciaio API 5L X52, sottoposto a carichi di flessione e pressione interna attraverso il programma agli elementi finiti PLCd4, sviluppato presso l'International Center for Numerical Methods in Engineering (CIMNE - Barcelona). Questo tipo di analisi rientra nel progetto europeo ULCF, il cui traguardo è lo studio della fatica a bassissimo numero di cicli per strutture in acciaio. Prima di osservare la struttura completa del serbatoio è stato studiato il comportamento del materiale per implementare all'interno del programma una nuova tipologia di curva che rappresentasse al meglio l'andamento delle tensioni interne. Attraverso il lavoro di preparazione alla tesi è stato inserito all'interno del programma un algoritmo per la distribuzione delle pressioni superficiali sui corpi 3D, successivamente utilizzato per l'analisi della pressione interna nel serbatoio. Sono state effettuate analisi FEM del serbatoio in diverse configurazioni di carico ove si è cercato di modellare al meglio la struttura portante relativa al caso reale di "full scale test". Dal punto di vista analitico i risultati ottenuti sono soddisfacenti in quanto rispecchiano un corretto comportamento del serbatoio in condizioni di pressioni molto elevate e confermano la bontà del programma nell'analisi computazionale.

Sicurezza nelle reti di sensori wireless UWB: generazione di chiavi simmetriche da parametri fisici

Le reti di oggetti intelligenti costituiscono una realtà che si sta affermando nel mondo quotidiano. Dispositivi capaci di comunicare tra loro, oltre che svolgere la propria funzione primaria, possono comporre una nuvola che faccia riferimento al legittimo proprietario. Un aspetto fondamentale di questo scenario riguarda la sicurezza, in particolar modo per garantire una comunicazione protetta. Il soddisfacimento di questo requisito è fondamentale anche per altri punti come l'integrità dell'informazione condivisa e l'autenticazione. Lo strumento più antico e tutt'ora adatto alla riservatezza di una comunicazione è costituito dalla crittografia. Una tecnica crittografica è schematicamente composta da un algoritmo che, a seconda di una chiave e del messaggio in ingresso, restituisce in uscita un messaggio cifrato, il crittogramma. Questo viene poi inviato e al legittimo destinatario che, essendo in possesso della chiave e dell'algoritmo, lo converte nel messaggio originale. L'obiettivo è rendere impossibile ad un utente malevolo - non dotato di chiave - la ricostruzione del messaggio. L'assunzione che l'algoritmo possa essere noto anche a terze parti concentra l'attenzione sul tema della chiave. La chiave deve essere sufficientemente lunga e casuale, ma soprattutto deve essere nota ai due utenti che intendono instaurare la comunicazione. Quest'ultimo problema, noto come distribuzione della chiave, è stato risolto con il sistema RSA a chiave pubblica. Il costo computazionale di questa tecnica, specialmente in un contesto di dispositivi non caratterizzati da grandi potenze di calcolo, suggerisce però la ricerca di strade alternative e meno onerose. Una soluzione promettente ed attualmente oggetto di studio sembra essere costituita dalle proprietà del canale wireless. Un ponte radio è caratterizzato da una funzione di trasferimento che dipende dall'ambiente in cui ci si trova e, per il teorema di reciprocità, risulta essere lo stesso per i due utenti che l'hanno instaurato. Oggetto della tesi è lo studio ed il confronto di alcune delle tecniche possibili per estrarre una chiave segreta da un mezzo condiviso, come quello del canale wireless. Si presenterà il contesto in cui verrà sviluppato l'elaborato. Si affronteranno in particolare due casi di interesse, costituiti dalla attuale tecnologia di propagazione del segnale a banda stretta (impiegata per la maggior parte delle trasmissioni senza fili) per passare a quella relativamente più recente della banda Ultra-larga (UWB). Verranno poi illustrate delle tecniche per ottenere stringhe di bit dai segnali acquisiti, e saranno proposti dei metodi per la loro correzione da eventuali discordanze. Saranno infine riportate le conclusioni sul lavoro svolto e le possibili strade future.

Aggregazione delle query per sistemi pub/sub: il progetto SALES

I sistemi mobili rappresentano una classe di sistemi distribuiti caratterizzata dalla presenza di dispositivi portatili eterogenei quali PDA, laptop e telefoni cellulari che interagiscono tra loro mediante una rete di interconnessione wireless. Una classe di sistemi mobili di particolare interesse è costituita dai sistemi basati sul modello di interazione publish/subscribe. Secondo tale schema, i nodi all'interno di una rete possono assumere due ruoli differenti: i produttori di informazione, chiamati publisher, ed i consumatori di informazione, chiamati subscriber. Tipicamente, l'interazione tra essi è mediata da un gestore di eventi che indirizza correttamente le informazioni ricevute dai publisher verso i subscriber interessati, sulla base degli interessi espressi da questi ultimi tramite sottoscrizioni. Nella progettazione di sistemi mobili, a differenza di quelli tradizionali basati su nodi fissi, bisogna tenere conto di problemi quali la scarsa capacità computazionale dei dispositivi e la limitata larghezza di banda delle reti wireless. All'interno di tale ambito, stanno recentemente assumendo sempre maggiore importanza i sistemi context-aware, ovvero sistemi mobili che sfruttano i dati provenienti dall'ambiente circostante e dai dispositivi stessi per adattare il proprio comportamento e notificare agli utenti la presenza di informazioni potenzialmente utili. Nello studio di questi sistemi, si è notato che i nodi che si trovano nella stessa area geografica generano tipicamente delle sottoscrizioni che presentano tra loro un certo grado di similarità e coperture parziali o totali. Il gruppo di ricerca del DEIS dell’Università di Bologna ha sviluppato un'infrastruttura di supporto per sistemi mobili context-aware, chiamata SALES. Attualmente il sistema progettato non considera le similarità delle sottoscrizioni e quindi non sfrutta opportunamente tale informazione. In questo contesto si rende necessario l'adozione di opportune tecniche di aggregazione delle sottoscrizioni atte ad alleggerire la computazione dei nodi mobili e le comunicazioni tra loro. Il lavoro presentato in questa tesi sarà finalizzato alla ricerca, all'adattamento ed all'implementazione di una tecnica di aggregazione delle sottoscrizioni. Tale tecnica avrà lo scopo di rilevare e sfruttare le similarità delle sottoscrizioni ricevute dal sistema al fine di ridurne il numero; in questo modo, quando un nodo riceverà un dato, il processo di confronto tra l'insieme delle sottoscrizioni memorizzate e il dato ricevuto sarà più leggero, consentendo un risparmio di risorse computazionali. Inoltre, adattando tali tecniche, sarà possibile modulare anche il traffico dati scaturito dalle risposte alle sottoscrizioni. La struttura di questa tesi prevede un primo capitolo sui sistemi context-aware, descrivendone le principali caratteristiche e mettendo in luce le problematiche ad essi associate. Il secondo capitolo illustra il modello di comunicazione Publish/Subscribe, modello di riferimento per i moderni sistemi context-aware e per i sistemi mobili in generale. Il terzo capitolo descrive l'infrastruttura SALES sulla quale si è progettata, implementata e testata la soluzione proposta in questa tesi. Il quarto capitolo presenta le principali tecniche di aggregazione delle sottoscrizioni e spiega come possono essere adattate al contesto di questa tesi. Il quinto capitolo effettua l'analisi dei requisiti per comprendere meglio il comportamento della soluzione; seguono la progettazione e l’implementazione della soluzione su SALES. Infine, il sesto capitolo riporta in dettaglio i risultati ottenuti da alcuni degli esperimenti effettuati e vengono messi a confronto con quelli rilevati dal sistema di partenza.

Un algoritmo di visione artificiale per l'individuazione dello switching point nel processo di etichettatura markerless

La tesi descrive il progetto e il funzionamento di un algoritmo basato su un sistema di visione, studiato allo scopo di eliminare i marker, che vengono utilizzati dai sensori di contrasto nel processo di taglio delle singole etichette a partire dalle bobine che scorrono sul rullo.