Analysis, Design, and Hardware-in-the-Loop Validation of Multi-Active Bridge Converters

This master's thesis investigates different aspects of Dual-Active-Bridge (DAB) Converter and extends aspects further to Multi-Active-Bridges (MAB). The thesis starts with an overview of the applications of the DAB and MAB and their importance. The analytical part of the thesis includes the derivation of the peak and RMS currents, which is required for finding the losses present in the system. The power converters, considered in this thesis are DAB, Triple-Active Bridge (TAB) and Quad-Active Bridge (QAB). All the theoretical calculations are compared with the simulation results from PLECS software for identifying the correctness of the reviewed and developed theory. The Hardware-in-the-Loop (HIL) simulation is conducted for checking the control operation in real-time with the help of the RT box from the Plexim. Additionally, as in real systems digital signal processor (DSP), system-on-chip or field programmable gate array is employed for the control of the power electronic systems, and the execution of the control in the real-time simulation (RTS) conducted is performed by DSP.

Evolution of the structural and fracture design of the ISS payloads due to the new launchers, specifically applied to Biolab IEC-2 projects

The relatively young discipline of astronautics represents one of the scientifically most fascinating and technologically advanced achievements of our time. The human exploration in space does not offer only extraordinary research possibilities but also demands high requirements from man and technology. The space environment provides a lot of attractive experimental tools towards the understanding of fundamental mechanism in natural sciences. It has been shown that especially reduced gravity and elevated radiation, two distinctive factors in space, influence the behavior of biological systems significantly. For this reason one of the key objectives on board of an earth orbiting laboratory is the research in the field of life sciences, covering the broad range from botany, human physiology and crew health up to biotechnology. The Columbus Module is the only European low gravity platform that allows researchers to perform ambitious experiments in a continuous time frame up to several months. Biolab is part of the initial outfitting of the Columbus Laboratory; it is a multi-user facility supporting research in the field of biology, e.g. effect of microgravity and space radiation on cell cultures, micro-organisms, small plants and small invertebrates. The Biolab IEC are projects designed to work in the automatic part of Biolab. In this moment in the TO-53 department of Airbus Defence & Space (formerly Astrium) there are two experiments that are in phase C/D of the development and they are the subject of this thesis: CELLRAD and CYTOSKELETON. They will be launched in soft configuration, that means packed inside a block of foam that has the task to reduce the launch loads on the payload. Until 10 years ago the payloads which were launched in soft configuration were supposed to be structural safe by themselves and a specific structural analysis could be waived on them; with the opening of the launchers market to private companies (that are not under the direct control of the international space agencies), the requirements on the verifications of payloads are changed and they have become much more conservative. In 2012 a new random environment has been introduced due to the new Space-X launch specification that results to be particularly challenging for the soft launched payloads. The last ESA specification requires to perform structural analysis on the payload for combined loads (random vibration, quasi-steady acceleration and pressure). The aim of this thesis is to create FEM models able to reproduce the launch configuration and to verify that all the margins of safety are positive and to show how they change because of the new Space-X random environment. In case the results are negative, improved design solution are implemented. Based on the FEM result a study of the joins has been carried out and, when needed, a crack growth analysis has been performed.

Requirements definition and testing of the new version of multi-mission generic monitoring system (GEMS) v 4.4 for operations at Eumetsat

EUMETSAT (www.eumetsat.int) e’ l’agenzia europea per operazioni su satelliti per monitorare clima, meteo e ambiente terrestre. Dal centro operativo situato a Darmstadt (Germania), si controllano satelliti meteorologici su orbite geostazionarie e polari che raccolgono dati per l’osservazione dell’atmosfera, degli oceani e della superficie terrestre per un servizio continuo di 24/7. Un sistema di monitoraggio centralizzato per programmi diversi all’interno dell’ambiente operazionale di EUMETSAT, e’ dato da GEMS (Generic Event Monitoring System). Il software garantisce il controllo di diverse piattaforme, cross-monitoring di diverse sezioni operative, ed ha le caratteristiche per potere essere esteso a future missioni. L’attuale versione della GEMS MMI (Multi Media Interface), v. 3.6, utilizza standard Java Server Pages (JSP) e fa uso pesante di codici Java; utilizza inoltre files ASCII per filtri e display dei dati. Conseguenza diretta e’ ad esempio, il fatto che le informazioni non sono automaticamente aggiornate, ma hanno bisogno di ricaricare la pagina. Ulteriori inputs per una nuova versione della GEMS MMI vengono da diversi comportamenti anomali riportati durante l’uso quotidiano del software. La tesi si concentra sulla definizione di nuovi requisiti per una nuova versione della GEMS MMI (v. 4.4) da parte della divisione ingegneristica e di manutenzione di operazioni di EUMETSAT. Per le attivita’ di supporto, i test sono stati condotti presso Solenix. Il nuovo software permettera’ una migliore applicazione web, con tempi di risposta piu’ rapidi, aggiornamento delle informazioni automatico, utilizzo totale del database di GEMS e le capacita’ di filtri, insieme ad applicazioni per telefoni cellulari per il supporto delle attivita’ di reperibilita’. La nuova versione di GEMS avra’ una nuova Graphical User Interface (GUI) che utilizza tecnologie moderne. Per un ambiente di operazioni come e’ quello di EUMETSAT, dove l’affidabilita’ delle tecnologie e la longevita’ dell’approccio scelto sono di vitale importanza, non tutti gli attuali strumenti a disposizione sono adatti e hanno bisogno di essere migliorati. Allo stesso tempo, un’ interfaccia moderna, in termini di visual design, interattivita’ e funzionalita’, e’ importante per la nuova GEMS MMI.

Groupme: city data and multi-preference activity allocation

Classic group recommender systems focus on providing suggestions for a fixed group of people. Our work tries to give an inside look at design- ing a new recommender system that is capable of making suggestions for a sequence of activities, dividing people in subgroups, in order to boost over- all group satisfaction. However, this idea increases problem complexity in more dimensions and creates great challenge to the algorithm’s performance. To understand the e↵ectiveness, due to the enhanced complexity and pre- cise problem solving, we implemented an experimental system from data collected from a variety of web services concerning the city of Paris. The sys- tem recommends activities to a group of users from two di↵erent approaches: Local Search and Constraint Programming. The general results show that the number of subgroups can significantly influence the Constraint Program- ming Approaches’s computational time and e�cacy. Generally, Local Search can find results much quicker than Constraint Programming. Over a lengthy period of time, Local Search performs better than Constraint Programming, with similar final results.

Actor Kit: Design and Development of an Actor Framework for Swift

Nell'ambito dello sviluppo software, la concorrenza è sempre stata vista come la strada del futuro. Tuttavia, questa è stata spesso ignorata a causa del continuo sviluppo dell'hardware che ha permesso agli sviluppatori di continuare a scrivere software sequenziale senza doversi preoccupare delle performance. In un'era in cui le nuove architetture hardware presentano processori multi-core, tutto questo non è più possibile. L'obiettivo di questa tesi è stato quello di considerare il Modello ad Attori come valida alternativa allo sviluppo di applicazioni in ambito mobile e quindi di progettare, sviluppare e distribuire un nuovo framework sulla base di tale modello. Il lavoro parte quindi da una panoramica di Swift, il nuovo linguaggio di programmazione presentato da Apple al WWDC 2014, in cui vengono analizzati nel dettaglio i meccanismi che abilitano alla concorrenza. Successivamente viene descritto il modello ad attori in termini di: attori, proprietà, comunicazione e sincronizzazione. Segue poi un'analisi delle principali implementazioni di questo modello, tra cui: Scala, Erlang ed Akka; quest'ultimo rappresenta la base su cui è stato ispirato il lavoro di progettazione e sviluppo del framework Actor Kit. Il quarto capitolo descrive tutti i concetti, le idee e i principi su cui il framework Actor Kit è stato progettato e sviluppato. Infine, l'ultimo capitolo presenta l'utilizzo del framework in due casi comuni della programmazione mobile: 1) Acquisizione dati da Web API e visualizzazione sull'interfaccia utente. 2) Acquisizione dati dai sensori del dispositivo. In conclusione Actor Kit abilita la progettazione e lo sviluppo di applicazioni secondo un approccio del tutto nuovo nell'ambito mobile. Un possibile sviluppo futuro potrebbe essere l'estensione del framework con attori che mappino i framework standard di Apple; proprio per questo sarà reso pubblico con la speranza che altri sviluppatori possano evolverlo e renderlo ancora più completo e performante.

Design and Implementation of a Cloud Infrastructure for Distributed Scientific Calculation

Cloud computing enables independent end users and applications to share data and pooled resources, possibly located in geographically distributed Data Centers, in a fully transparent way. This need is particularly felt by scientific applications to exploit distributed resources in efficient and scalable way for the processing of big amount of data. This paper proposes an open so- lution to deploy a Platform as a service (PaaS) over a set of multi- site data centers by applying open source virtualization tools to facilitate operation among virtual machines while optimizing the usage of distributed resources. An experimental testbed is set up in Openstack environment to obtain evaluations with different types of TCP sample connections to demonstrate the functionality of the proposed solution and to obtain throughput measurements in relation to relevant design parameters.

Design and implementation of BIRDY satellite data and Radiation Payload simulators

Numerical modelling and simulations are needed to develop and test specific analysis methods by providing test data before BIRDY would be launched. This document describes the "satellite data simulator" which is a multi-sensor, multi-spectral satellite simulator produced especially for the BIRDY mission which could be used as well to analyse data from other satellite missions providing energetic particles data in the Solar system.

Wind analysis of the Messina Strait Bridge design project proposal with stabilizing cables

A new study on suspension bridges has been prompted by the big disaster of the Tacoma Narrow Bridge at half its design speed. The aerodynamic instability of long-span bridges has been studied using wind tunnel tests. As a result of improved aerodynamic performance from the geometrical configuration of the bridge deck, the aerodynamic criteria for suspension and cable-stayed bridges have become well established in recent years, thereby allowing longer bridge spans to be developed. Although the Messina Strait Bridge has yet to be constructed, we are looking forward to evaluating the impact of different deck cross-sections on both aerodynamic stability and cost reduction. To further improve the aerodynamic characteristics of long-span suspension bridges, an optimized multi-box bridge deck model with two side decks for traffic lanes, two middle railway decks, and three gaps separating them has been proposed aerodynamic performance has been experimentally verified. 1:80 scale wind tunnel tests have been conducted. According to the current MIDAS Model, the first torsional and the first vertical frequency ratios are 1.27787 and 1.36[1] respectively. It is the torsional/vertical frequency ratio, combined with the deck aerodynamic properties, that determines the wind response properties of the bridge for the most dangerous possible form of aeroelastic instability. The classic flutter is caused by the coupling of torsional and vertical modes. Stabilizing cables to the deck could be a solution to this classic flutter by reducing lateral displacement of the deck and increasing frequency ratios. Stabilizing cables will be installed on the deck in three different orientations: vertical, inclined, and horizontal, with diameters of 80 cm, 60 cm, and 40 cm in each orientation respectively. An overview of the research undertaken on this topic will be presented, as well as the most important findings.

Design for uncertainty of aerospace structures

The aim of this work is to present a general overview of state-of-the-art related to design for uncertainty with a focus on aerospace structures. In particular, a simulation on a FCCZ lattice cell and on the profile shape of a nozzle will be performed. Optimization under uncertainty is characterized by the need to make decisions without complete knowledge of the problem data. When dealing with a complex problem, non-linearity, or optimization, two main issues are raised: the uncertainty of the feasibility of the solution and the uncertainty of the objective value of the function. In the first part, the Design Of Experiments (DOE) methodologies, Uncertainty Quantification (UQ), and then Uncertainty optimization will be deepened. The second part will show an application of the previous theories on through a commercial software. Nowadays multiobjective optimization on high non-linear problem can be a powerful tool to approach new concept solutions or to develop cutting-edge design. In this thesis an effective improvement have been reached on a rocket nozzle. Future work could include the introduction of multi scale modelling, multiphysics approach and every strategy useful to simulate as much possible real operative condition of the studied design.

Gusci temporanei e ricomponibili: Utilizzo di un sistema multi-agente per la generazione di un sistema costruttivo a tasselli planari per superfici a doppia curvatura

Lo scopo della ricerca è quello di sviluppare un metodo di design che integri gli apporti delle diverse discipline di architettura, ingegneria e fabbricazione all’interno del progetto, utilizzando come caso di studio l’uso di una tettonica ad elementi planari in legno per la costruzione di superfici a guscio da utilizzare come padiglioni temporanei. La maniera in cui ci si propone di raggiungere tale scopo è tramite l’utilizzo di un agent based system che funge da mediatore tra i vari obbiettivi che si vogliono considerare, in questo caso tra parametri estetici, legati alla geometria scelta, e di fabbricazione. Si sceglie di applicare questo sistema allo studio di una struttura a guscio, che grazie alla sua naturale rigidezza integra forma e capacità strutturale, tramite una tassellazione planare della superficie stessa. Il sistema studiato si basa sull’algoritmo di circle relaxation, che viene integrato tramite dei comportamenti che tengano conto della curvatura della superficie in questione e altri comportamenti scelti appositamente per agevolare il processo di tassellazione tramite tangent plane intersection. La scelta di studiare elementi planari è finalizzata ad una maggiore facilità di fabbricazione ed assemblaggio prevedendo l’uso di macchine a controllo numerico per la fabbricazione e un assemblaggio interamente a secco e che non necessita di impalcature . Il risultato proposto è quello quindi di un padiglione costituito da elementi planari ricomponibili in legno, con particolare attenzione alla facilità e velocità di montaggio degli stessi, utile per possibili strutture temporanee e/o di emergenza.

L'approccio Multi-stakeholder per la progettazione di servizi abilitati da tecnologia in sanità: il caso dell'Ospedale Maggiore di Parma

Alcuni cambiamenti demografici, come l’aumento dell’età media della popolazione, stanno spingendo il mondo sanitario ad innovarsi. In questo contesto, emergono i servizi abilitati da tecnologia che assicurano alcuni vantaggi essenziali per raggiungere un’assistenza sanitaria centrata sulle persone. Per progettare soluzioni tecnologiche innovative che stiano al passo con i cambiamenti, viene proposto l’approccio del service design. In particolare si presenta la CeHRes Roadmap che, attraverso sei steps iterativi, guida il team di progettazione dall’analisi del contesto alla realizzazione di una soluzione che soddisfi i bisogni degli stakeholder. Le prime tre fasi di tale metodologia sono state applicate ad un caso studio reale, quello dell’Ospedale Maggiore di Parma. In particolare, si è progettata una soluzione che rende più efficiente la presa in carico dei pazienti che necessitano di una visita specialistica urgente. Lo strumento di analisi preponderante sono state le interviste agli stakeholder dalle quali sono stati raccolti dati qualitativi grezzi. Dall’analisi e rielaborazione di questi ultimi, sono stati estrapolati i bisogni degli attori chiave in ottica di una visione orientata alle persone. Successivamente si è proposto il pretotipo di una soluzione che, a seguito di test con gli utilizzatori, è stato modificato sulla base dei loro feedback. Il prodotto finale del progetto è un pretotipo finale che rispetta tutti i requisiti emersi nel corso dell’intero processo di progettazione. Tuttavia, la CeHRes Roadmap, si concentra solo sulle relazioni diadiche tra stakeholder. Per questo il lavoro è stato approfondito in ottica multi-stakeholder con l’applicazione del Service Design For Value Network, una metodologia che pone l’accento sulle relazioni molti-a-molti. L’elaborato si conclude con la definizione degli steps futuri da percorrere per la realizzazione del pretotipo proposto, portando a termine la CeHRes Roadmap.

Sviluppo in Mixed Reality: i design pattern nei principali framework di sviluppo.

L'obbiettivo della seguente tesi è quello di analizzare quali sono ad oggi i migliori framework per lo sviluppo di software in Mixed Reality e studiare i design pattern più utili ad uno sviluppatore in questo ambito. Nel primo capitolo vengono introdotti i concetti di realtà estesa, virtuale, aumentata e mista con le relative differenze. Inoltre vengono descritti i diversi dispositivi che consentono la realtà mista, in particolare i due visori più utilizzati: Microsoft Hololens 2 e Magic Leap 1. Nello stesso capitolo vengono presentati anche gli aspetti chiave nello sviluppo in realtà mista, cioè tutti gli elementi che consentono un'esperienza in Mixed Reality. Nel secondo capitolo vengono descritti i framework e i kit utili per lo sviluppo di applicazioni in realtà mista multi-piattaforma. In particolare vengono introdotti i due ambienti di sviluppo più utilizzati: Unity e Unreal Engine, già esistenti e non specifici per lo sviluppo in MR ma che diventano funzionali se integrati con kit specifici come Mixed Reality ToolKit. Nel terzo capitolo vengono trattati i design pattern, comuni o nativi per applicazioni in realtà estesa, utili per un buono sviluppo di applicazioni MR. Inoltre, vengono presi in esame alcuni dei principali pattern più utilizzati nella programmazione ad oggetti e si verifica se e come sono implementabili correttamente su Unity in uno scenario di realtà mista. Questa analisi risulta utile per capire se l'utilizzo dei framework di sviluppo, metodo comunemente più utilizzato, comporta dei limiti nella libertà di sviluppo del programmatore.