Integrazione di algoritmi di visione basati su flusso ottico per il controllo di un velivolo senza pilota

Il lavoro svolto in questa tesi si colloca nell’area della robotica aerea e della visione artificiale attraverso l’integrazione di algoritmi di visione per il controllo di un velivolo senza pilota. Questo lavoro intende dare un contributo al progetto europeo SHERPA (Smart collaboration between Humans and ground-aErial Robots for imProving rescuing activities in Alpine environments), coordinato dall’università di Bologna e con la compartecipazione delle università di Brema, Zurigo, Twente, Leuven, Linkopings, del CREATE (Consorzio di Ricerca per l’Energia e le Applicazioni Tecnologiche dell’Elettromagnetismo), di alcune piccole e medie imprese e del club alpino italiano, che consiste nel realizzare un team di robots eterogenei in grado di collaborare con l’uomo per soccorrere i dispersi nell’ambiente alpino. L’obiettivo di SHERPA consiste nel progettare e integrare l’autopilota all’interno del team. In tale contesto andranno gestiti problemi di grande complessità, come il controllo della stabilità del velivolo a fronte di incertezze dovute alla presenza di vento, l’individuazione di ostacoli presenti nella traiettoria di volo, la gestione del volo in prossimità di ostacoli, ecc. Inoltre tutte queste operazioni devono essere svolte in tempo reale. La tesi è stata svolta presso il CASY (Center for Research on Complex Automated Systems) dell’università di Bologna, utilizzando per le prove sperimentali una PX4FLOW Smart Camera. Inizialmente è stato studiato un autopilota, il PIXHAWK, sul quale è possibile interfacciare la PX4FLOW, in seguito sono stati studiati e simulati in MATLAB alcuni algoritmi di visione basati su flusso ottico. Infine è stata studiata la PX4FLOW Smart Camera, con la quale sono state svolte le prove sperimentali. La PX4FLOW viene utilizzata come interfaccia alla PIXHAWK, in modo da eseguire il controllo del velivolo con la massima efficienza. E’ composta da una telecamera per la ripresa della scena, un giroscopio per la misura della velocità angolare, e da un sonar per le misure di distanza. E’ in grado di fornire la velocità di traslazione del velivolo, e quest’ultima, integrata, consente di ricostruire la traiettoria percorsa dal velivolo.

Progetto di una macchina bicchieratrice con movimentazione mediante attuatori elettromeccanici

Questa tesi è nata all'interno dell'ufficio tecnico di I.P.M. Engineering, dove ho potuto analizzare le diverse fasi del processo di formatura dei tubi plastici. I tubi di materiale plastico già da molti anni vengono utilizzati in moltissimi campi, come ad esempio l’edilizia; questo comporta la nascita di linee automatiche in grado di produrre una grande quantità di tubi. Per portare il tubo dal luogo di produzione a quello di utilizzo si è reso necessario il taglio dei tubi e per realizzare reti per il trasporto di gas, liquidi o cavi, si è rivelata fondamentale la nascita del “bicchiere”, una svasatura che consente di collegare due spezzoni tra loro. Nel mio lavoro di tesi sono partito analizzando le varie fasi del processo produttivo dei tubi in materiale plastico e poi mi sono focalizzato sul processo di bicchieratura, che è un processo fondamentale e molto delicato. In seguito all’analisi della bicchieratrice standard, ho studiato una soluzione innovativa, eliminando l’impianto oleodinamico, in modo da renderla più prestazionale, più solida e diminuire i costi di manutenzione. È stato eseguito uno studio della nuova struttura adattata per poter inserire la nuova componentistica. La tipologia di macchina scelta produce tubi di diametro 250 mm, dimensioni intermedie nella gamma prodotta da I.P.M., perché è quella più significativa dal punto di vista della adattabilità. Il nuovo metodo di movimentazione elettromeccanico potrà poi essere utilizzato anche nelle altre macchine di taglia diversa.

Simulazioni realistiche di algoritmi di Crowd Steering

La simulazione realistica del movimento di pedoni riveste una notevole importanza nei mondi dell'architettonica e della sicurezza (si pensi ad esempio all'evacuazione di ambienti), nell'industria dell'entertainment e in molti altri ambiti, importanza che è aumentata negli ultimi anni. Obiettivo di questo lavoro è l'analisi di un modello di pedone esistente e l'applicazione ad esso di algoritmi di guida, l'implementazione di un modello più realistico e la realizzazione di simulazioni con particolare attenzione alla scalabilità. Per la simulazione è stato utilizzato il framework Alchemist, sviluppato all'interno del laboratorio di ricerca APICe, realizzando inoltre alcune estensioni che potranno essere inglobate nel pacchetto di distribuzione del sistema stesso. I test effettuati sugli algoritmi presi in esame evidenziano un buon guadagno in termini di tempo in ambienti affollati e il nuovo modello di pedone risulta avere un maggiore realismo rispetto a quello già esistente, oltre a superarne alcuni limiti evidenziati durante i test e ad essere facilmente estensibile.

Algoritmi di regolarizzazione con variazione totale nella ricostruzione di immagini di tomosintesi

La tomografia computerizzata (CT) è una metodica di diagnostica per immagini che consiste in una particolare applicazione dei raggi X. Essa, grazie ad una valutazione statistico-matematica (computerizzata) dell'assorbimento di tali raggi da parte delle strutture corporee esaminate, consente di ottenere immagini di sezioni assiali del corpo umano. Nonostante le dosi di radiazioni somministrate durante un esame siano contenute, questa tecnica rimane sconsigliata per pazienti sensibili, perciò nasce il tentativo della tomosintesi: ottenere lo stesso risultato della CT diminuendo le dosi somministrate. Infatti un esame di tomosintesi richiede poche proiezioni distribuite su un range angolare di appena 40°. Se da una parte la possibilità di una ingente diminuzione di dosi e tempi di somministrazione costituisce un grosso vantaggio dal punto di vista medico-diagnostico, dal punto di vista matematico esso comporta un nuovo problema di ricostruzione di immagini: infatti non è banale ottenere risultati validi come per la CT con un numero basso di proiezioni,cosa che va a infierire sulla mal posizione del problema di ricostruzione. Un possibile approccio al problema della ricostruzione di immagini è considerarlo un problema inverso mal posto e studiare tecniche di regolarizzazione opportune. In questa tesi viene discussa la regolarizzazione tramite variazione totale: verranno presentati tre algoritmi che implementano questa tecnica in modi differenti. Tali algoritmi verranno mostrati dal punto di vista matematico, dimostrandone ben posizione e convergenza, e valutati dal punto di vista qualitativo, attraverso alcune immagini ricostruite. Lo scopo è quindi stabilire se ci sia un metodo più vantaggioso e se si possano ottenere buoni risultati in tempi brevi, condizione necessaria per una applicazione diffusa della tomosintesi a livello diagnostico. Per la ricostruzione si è fatto riferimento a problemi-test cui è stato aggiunto del rumore, così da conoscere l'immagine originale e poter vedere quanto la ricostruzione sia ad essa fedele. Il lavoro principale dunque è stata la sperimentazione degli algoritmi su problemi test e la valutazione dei risultati, in particolare per gli algoritmi SGP e di Vogel, che in letteratura sono proposti per problemi di image deblurring.

Sviluppo di algoritmi di grid data clustering basati su metodi statistici

Lo scopo del clustering è quindi quello di individuare strutture nei dati significative, ed è proprio dalla seguente definizione che è iniziata questa attività di tesi , fornendo un approccio innovativo ed inesplorato al cluster, ovvero non ricercando la relazione ma ragionando su cosa non lo sia. Osservando un insieme di dati ,cosa rappresenta la non relazione? Una domanda difficile da porsi , che ha intrinsecamente la sua risposta, ovvero l’indipendenza di ogni singolo dato da tutti gli altri. La ricerca quindi dell’indipendenza tra i dati ha portato il nostro pensiero all’approccio statistico ai dati , in quanto essa è ben descritta e dimostrata in statistica. Ogni punto in un dataset, per essere considerato “privo di collegamenti/relazioni” , significa che la stessa probabilità di essere presente in ogni elemento spaziale dell’intero dataset. Matematicamente parlando , ogni punto P in uno spazio S ha la stessa probabilità di cadere in una regione R ; il che vuol dire che tale punto può CASUALMENTE essere all’interno di una qualsiasi regione del dataset. Da questa assunzione inizia il lavoro di tesi, diviso in più parti. Il secondo capitolo analizza lo stato dell’arte del clustering, raffrontato alla crescente problematica della mole di dati, che con l’avvento della diffusione della rete ha visto incrementare esponenzialmente la grandezza delle basi di conoscenza sia in termini di attributi (dimensioni) che in termini di quantità di dati (Big Data). Il terzo capitolo richiama i concetti teorico-statistici utilizzati dagli algoritimi statistici implementati. Nel quarto capitolo vi sono i dettagli relativi all’implementazione degli algoritmi , ove sono descritte le varie fasi di investigazione ,le motivazioni sulle scelte architetturali e le considerazioni che hanno portato all’esclusione di una delle 3 versioni implementate. Nel quinto capitolo gli algoritmi 2 e 3 sono confrontati con alcuni algoritmi presenti in letteratura, per dimostrare le potenzialità e le problematiche dell’algoritmo sviluppato , tali test sono a livello qualitativo , in quanto l’obbiettivo del lavoro di tesi è dimostrare come un approccio statistico può rivelarsi un’arma vincente e non quello di fornire un nuovo algoritmo utilizzabile nelle varie problematiche di clustering. Nel sesto capitolo saranno tratte le conclusioni sul lavoro svolto e saranno elencati i possibili interventi futuri dai quali la ricerca appena iniziata del clustering statistico potrebbe crescere.

Esecuzione di applicazioni su macchina virtuale Android con esperimenti su ART

Si continua il lavoro riguardo il porting di UMView su android studiando i problemi affrontati nelle tesi precedenti e suggerendo soluzioni per superarli. Sono stati effettuati anche esperimenti sulla nuova runtime di Android, ART, per studiare casi di possibili incompatibilità ed eventuali differenze di gestione rispetto a Dalvik.

Sviluppo di algoritmi di autolocalizzazione su dispositivi mobili

Negli ultimi anni, complice la rapida evoluzione degli elaboratori e dei sensori, spinta dal mercato smartphone, una tecnologia si sta sviluppando e si sta diffondendo rapidamente. Si tratta di quella relativa agli unmanned vehicles (UV), i veicoli senza pilota, spesso nel linguaggio comune chiamati “droni”. Questi particolari veicoli sono dotati della tecnologia adatta per svolgere in relativa autonomia particolari mansioni, senza la necessità della presenza di un pilota a bordo. In questa Tesi magistrale si descrivono brevemente le diverse categorie di UV e l’attuale livello di autonomia raggiunta nello svolgimento di alcune funzioni, grazie a tecnologie quali i linguaggi ad agenti, di cui si presentano anche alcune significative applicazioni allo stato dell’arte. Per rendere più efficaci eventuali nuove funzionalità, fornendo una metodologia di sviluppo, atta ad aumentare il grado di astrazione, viene proposto un approccio architetturale a tre livelli. In particolare, viene approfondito il secondo livello, presentando l’implementazione di una funzionalità, l’autolocalizzazione spaziale, utile ad un sistema di terzo livello per arricchire la propria conoscenza dell’ambiente, al fine di raggiungere la massima autonomia nel controllo del mezzo. Questa prima esperienza ha consentito di approfondire le necessità in termini di hardware e software, al fine di poter effettuare una scelta mirata per l’ottimizzazione dei risultati ed un eventuale porting on-board, nella prospettiva di svincolare il mezzo da eventuali collegamenti con una stazione di terra, fino ad ora necessaria per eseguire le attività più complesse. Un interessante caso di studio consente di verificare la bontà del modello proposto e i risultati raggiunti nell’autolocalizzazione. In conclusione, si propongono ulteriori sviluppi che potranno fornire gli strumenti necessari alla massima espressione del potenziale che gli UV possiedono.

Algoritmi di ricostruzione di immagini per sistemi a microonde dedicati all'imaging della mammella

Lo scopo di questa tesi è quello di presentare alcuni degli algoritmi di ricostruzione utilizzati nei sistemi a microonde per l'imaging della mammella. Sebbene, la mammografia a raggi X sia la tecnica che a oggi presenta le migliori caratteristiche per la rilevazione di lesioni tumorali ai tessuti del seno, la compressione necessaria nel processo di imaging e la probabilità non trascurabile di falsi negativi hanno portato alla ricerca e allo sviluppo di metodi alternativi di imaging alla mammella. Tra questi, l'imaging attraverso microonde sfrutta la differenza delle proprietà dielettriche tra tessuto sano e tumorale. Nel seguente elaborato verrà descritto come è ottenuta l'immagine dell'interno della mammella attraverso gli algoritmi di ricostruzione utilizzati da vari prototipi di sistemi di imaging. Successivamente verranno riportati degli esempi che mostrano i risultati ottenuti attraverso simulazioni o, quando possibile, in ambiente clinico.

Studio ed implementazione di algoritmi per la navigazione inerziale di velivoli autonomi ad ala rotante

I sistemi di navigazione inerziale, denominati INS, e quelli di navigazione inerziale assistita, ovvero che sfruttano anche sensori di tipo non inerziale come ad esempio il GPS, denominati in questo caso INS/GPS, hanno visto un forte incremento del loro utilizzo soprattutto negli ultimi anni. I filtri complementari sfruttano segnali in ingresso che presentano caratteristiche complementari in termine di banda. Con questo lavoro di tesi mi sono inserito nel contesto del progetto SHERPA (Smart collaboration between Humans and ground-aErial Robots for imProving rescuing activities in Alpine environments), un progetto europeo, coordinato dall'Università di Bologna, che prevede di mettere a punto una piattaforma robotica in grado di aiutare i soccorritori che operano in ambienti ostili, come quelli del soccorso alpino, le guardie forestali, la protezione civile. In particolare è prevista la possibilità di lanciare i droni direttamente da un elicottero di supporto, per cui potrebbe essere necessario effettuare l'avvio del sistema in volo. Ciò comporta che il sistema di navigazione dovrà essere in grado di convergere allo stato reale del sistema partendo da un grande errore iniziale, dal momento che la fase di inizializzazione funziona bene solo in condizioni di velivolo fermo. Si sono quindi ricercati, in special modo, schemi che garantissero la convergenza globale. Gli algoritmi implementati sono alla base della navigazione inerziale, assistita da GPS ed Optical Flow, della prima piattaforma aerea sviluppata per il progetto SHERPA, soprannominata DreamDroneOne, che include una grande varietà di hardware appositamente studiati per il progetto, come il laser scanner, la camera termica, ecc. Dopo una panoramica dell'architettura del sistema di Guida, Navigazione e Controllo (GNC) in cui mi sono inserito, si danno alcuni cenni sulle diverse terne di riferimento e trasformazioni, si descrivono i diversi sensori utilizzati per la navigazione, si introducono gli AHRS (Attitude Heading Rference System), per la determinazione del solo assetto sfruttando la IMU ed i magnetometri, si analizza l'AHRS basato su Extended Kalman Filter. Si analizzano, di seguito, un algoritmo non lineare per la stima dell'assetto molto recente, e il sistema INS/GPS basato su EKF, si presenta un filtro complementare molto recente per la stima di posizione ed assetto, si presenta un filtro complementare per la stima di posizione e velocità, si analizza inoltre l'uso di un predittore GPS. Infine viene presentata la piattaforma hardware utilizzata per l'implementazione e la validazione, si descrive il processo di prototipazione software nelle sue fasi e si mostrano i risultati sperimentali.

Studio ed ottimizzazione energetica di una macchina blisteratrice

ottimizzazione energetica di una macchina automatica blisteratrice

Implementazione ed analisi di un framework basato su Cloud per la valutazione di algoritmi di data Distribution Management

Il Data Distribution Management (DDM) è un componente dello standard High Level Architecture. Il suo compito è quello di rilevare le sovrapposizioni tra update e subscription extent in modo efficiente. All'interno di questa tesi si discute la necessità di avere un framework e per quali motivi è stato implementato. Il testing di algoritmi per un confronto equo, librerie per facilitare la realizzazione di algoritmi, automatizzazione della fase di compilazione, sono motivi che sono stati fondamentali per iniziare la realizzazione framework. Il motivo portante è stato che esplorando articoli scientifici sul DDM e sui vari algoritmi si è notato che in ogni articolo si creavano dei dati appositi per fare dei test. L'obiettivo di questo framework è anche quello di riuscire a confrontare gli algoritmi con un insieme di dati coerente. Si è deciso di testare il framework sul Cloud per avere un confronto più affidabile tra esecuzioni di utenti diversi. Si sono presi in considerazione due dei servizi più utilizzati: Amazon AWS EC2 e Google App Engine. Sono stati mostrati i vantaggi e gli svantaggi dell'uno e dell'altro e il motivo per cui si è scelto di utilizzare Google App Engine. Si sono sviluppati quattro algoritmi: Brute Force, Binary Partition, Improved Sort, Interval Tree Matching. Sono stati svolti dei test sul tempo di esecuzione e sulla memoria di picco utilizzata. Dai risultati si evince che l'Interval Tree Matching e l'Improved Sort sono i più efficienti. Tutti i test sono stati svolti sulle versioni sequenziali degli algoritmi e che quindi ci può essere un riduzione nel tempo di esecuzione per l'algoritmo Interval Tree Matching.

Geophotohunt: Studio di algoritmi di confronto di immagini per realizzare una caccia al tesoro fotografica

Questo studio si propone di realizzare un’applicazione per dispositivi Android che permetta, per mezzo di un gioco di ruolo strutturato come caccia al tesoro, di visitare in prima persona città d’arte e luoghi turistici. Gli utenti finali, grazie alle funzionalità dell’app stessa, potranno giocare, creare e condividere cacce al tesoro basate sulla ricerca di edifici, monumenti, luoghi di rilevanza artistico-storica o turistica; in particolare al fine di completare ciascuna tappa di una caccia al tesoro il giocatore dovrà scattare una fotografia al monumento o edificio descritto nell’obiettivo della caccia stessa. Il software grazie ai dati rilevati tramite GPS e giroscopio (qualora il dispositivo ne sia dotato) e per mezzo di un algoritmo di instance recognition sarà in grado di affermare se la foto scattata rappresenta la risposta corretta al quesito della tappa. L’applicazione GeoPhotoHunt rappresenta non solo uno strumento ludico per la visita di città turistiche o più in generale luoghi di interesse, lo studio propone, infatti come suo contributo originale, l’implementazione su piattaforma mobile di un Content Based Image Retrieval System (CBIR) del tutto indipendente da un supporto server. Nello specifico il server dell’applicazione non sarà altro che uno strumento di appoggio con il quale i membri della “community” di GeoPhotoHunt potranno pubblicare le cacce al tesoro da loro create e condividere i punteggi che hanno totalizzato partecipando a una caccia al tesoro. In questo modo quando un utente ha scaricato sul proprio smartphone i dati di una caccia al tesoro potrà iniziare l’avventura anche in assenza di una connessione internet. L’intero studio è stato suddiviso in più fasi, ognuna di queste corrisponde ad una specifica sezione dell’elaborato che segue. In primo luogo si sono effettuate delle ricerche, soprattutto nel web, con lo scopo di individuare altre applicazioni che implementano l’idea della caccia al tesoro su piattaforma mobile o applicazioni che implementassero algoritmi di instance recognition direttamente su smartphone. In secondo luogo si è ricercato in letteratura quali fossero gli algoritmi di riconoscimento di immagini più largamente diffusi e studiati in modo da avere una panoramica dei metodi da testare per poi fare la scelta dell’algoritmo più adatto al caso di studio. Quindi si è proceduto con lo sviluppo dell’applicazione GeoPhotoHunt stessa, sia per quanto riguarda l’app front-end per dispositivi Android sia la parte back-end server. Infine si è passati ad una fase di test di algoritmi di riconoscimento di immagini in modo di avere una sufficiente quantità di dati sperimentali da permettere di effettuare una scelta dell’algoritmo più adatto al caso di studio. Al termine della fase di testing si è deciso di implementare su Android un algoritmo basato sulla distanza tra istogrammi di colore costruiti sulla scala cromatica HSV, questo metodo pur non essendo robusto in presenza di variazioni di luminosità e contrasto, rappresenta un buon compromesso tra prestazioni, complessità computazionale in modo da rendere la user experience quanto più coinvolgente.

Algoritmi per la stima del rumore nella ricostruzione di immagini

In questa tesi viene analizzato un metodo di regolarizzazione nel quale il problema di regolarizzazione è formulato come un problema di ottimizzazione vincolata. In questa formulazione è fondamentale il termine noto del vincolo, parametro per il quale dipende la bontà della ricostruzione, che corrisponde ad una stima della norma del rumore sul dato. Il contributo della tesi è l'analisi di un algoritmo proposto per stimare il rumore in applicazioni di image deblurring utilizzando la decomposizione in valori singolari dell'operatore che descrive il blur. Sono stati fatti numerosi test per valutare sia i parametri dell'algoritmo di stima che l'efficacia della stima ottenuta quando è inserita nel termine noto del vincolo del problema di ottimizzazione per la ricostruzione dell'immagine.

Sviluppo e ottimizzazione di algoritmi per predire la risposta alla terapia di resincronizzazione cardiaca

La necessità di indagine sul fronte dell’insufficienza cardiaca deriva dall’elevato impatto sociale della patologia, non soltanto per l’effetto invalidante sulla condizione del paziente che ne è affetto, bensì anche per la notevole incidenza sui servizi sanitari nazionali, per l’importante valore di mortalità e morbilità che ne è associato. Il numero di ospedalizzazioni per scompenso cardiaco è consistente; ciò rende ragione dell’elevato assorbimento di risorse dovuto a questa patologia. Il razionale dell’impiego della Terapia di Resincronizzazione Cardiaca (CRT) consiste nella correzione della dissincronia cardiaca come causa di disfunzione meccanica atriale e ventricolare. Il metodo analitico sviluppato origina dalle indagini sugli spostamenti dell’elettrocatetere posizionato in Seno Coronarico, sulla base del fatto che il sito di stimolazione risulta un fattore determinante per la buona risposta alla terapia. Dovendo studiare le posizioni nel tempo del catetere, si è pensato di valutarne le variazioni nel periodo pre e post attivazione della CRT ricostruendone la traiettoria in 3D. Lo studio parametrico di quest’ultima ha permesso di individuare un indice predittore della risposta alla CRT al follow-up a sei mesi. La prosecuzione della ricerca presentata ha l’intento di migliorare gli algoritmi di elaborazione dei dati per rendere più robuste le misure, sfruttando tecniche che possano aumentare riproducibilità, ripetibilità, e ininfluenza rispetto alla variabilità delle condizioni analitiche. Sviluppando nuovi modelli si è eliminata l'interazione dell'operatore nelle fasi d'indagine, rendendo le analisi completamente automatiche. I metodi sono stati testati e applicati.

Confronto di algoritmi per l'inseguimento della massima potenza per convertitori fotovoltaici

Modellazione di un impianto fotovoltaico connesso alla rete. Simulazione con software Simulink del funzionamento dell'intero sistema fotovoltaico e confronto delle prestazioni legate all'utilizzo degli algoritmi MPPT più comuni, quali Hill Climbing e Incremental Conductance.