Design and implementation of motorbike lean angle observers

This thesis focuses on the investigation and the implementation of different observers for the estimation of the roll angle of a motorbike. The central core of the activity is applying a Model-Based design in order to outline, simulate and implement the filters with the aim of a final comparison of the performances. This approach is crucially underlined among the chapters that articulate this document: first the design and tuning of an Extended Kalman Filter and a Complementary Filter in a pure simulation environment emphasize the most accurate choice for the particular problem. After this, several steps were performed in order to move from the aforementioned simulation environment to a real hardware application. In conclusion, several sensor configurations were tested and compared in order to highlight which sensor suite gives the best performances.

Machine Learning Unsupervised Methods in the Design of an On-board Health Monitoring System for Satellite Applications

The dissertation starts by providing a description of the phenomena related to the increasing importance recently acquired by satellite applications. The spread of such technology comes with implications, such as an increase in maintenance cost, from which derives the interest in developing advanced techniques that favor an augmented autonomy of spacecrafts in health monitoring. Machine learning techniques are widely employed to lay a foundation for effective systems specialized in fault detection by examining telemetry data. Telemetry consists of a considerable amount of information; therefore, the adopted algorithms must be able to handle multivariate data while facing the limitations imposed by on-board hardware features. In the framework of outlier detection, the dissertation addresses the topic of unsupervised machine learning methods. In the unsupervised scenario, lack of prior knowledge of the data behavior is assumed. In the specific, two models are brought to attention, namely Local Outlier Factor and One-Class Support Vector Machines. Their performances are compared in terms of both the achieved prediction accuracy and the equivalent computational cost. Both models are trained and tested upon the same sets of time series data in a variety of settings, finalized at gaining insights on the effect of the increase in dimensionality. The obtained results allow to claim that both models, combined with a proper tuning of their characteristic parameters, successfully comply with the role of outlier detectors in multivariate time series data. Nevertheless, under this specific context, Local Outlier Factor results to be outperforming One-Class SVM, in that it proves to be more stable over a wider range of input parameter values. This property is especially valuable in unsupervised learning since it suggests that the model is keen to adapting to unforeseen patterns.

Progettare l'inserimento di General Purpose Technologies nelle Organizzazioni con il Design Thinking: evidenze dal campo e metodologia proposta

Vista la crescente necessità di svolgere progetti d'innovazione guidati dalle nuove tecnologie, la presente ricerca risponde all'esigenza di trovare una metodologia efficace per poterli affrontare proficuamente. In un primo momento, l'elaborato propone una metodologia che permette di elaborare una classificazione dei progetti d'innovazione technology-driven in classi ed un pacchetto di tools funzionali al riconoscimento dell'appartenenza alle stesse. In un secondo momento, giunti a comprensione del fatto che ad ognuna delle classi corrisponde uno specifico fine raggiungibile con una specifica metodologia, lo studio descrive la metodologia seguita per raggiungere una efficace e ripetibile elaborazione di principi progettuali, buone pratiche e strumenti che permettano ad una Organizzazione di appropriarsi del valore di una tecnologia General Purpose (GPT) attraverso l'ideazione di soluzioni innovativa. La progettazione è figlia di un approccio di Design Thinking (DT), sia poichè esso è stato usato nello svolgimento stesso della ricerca, sia perchè la metodologia DT è alla base della modellazione del processo proposto per la classe.

Design and implementation of a Reinforcement Learning framework for iOS devices

Reinforcement Learning is an increasingly popular area of Artificial Intelligence. The applications of this learning paradigm are many, but its application in mobile computing is in its infancy. This study aims to provide an overview of current Reinforcement Learning applications on mobile devices, as well as to introduce a new framework for iOS devices: Swift-RL Lib. This new Swift package allows developers to easily support and integrate two of the most common RL algorithms, Q-Learning and Deep Q-Network, in a fully customizable environment. All processes are performed on the device, without any need for remote computation. The framework was tested in different settings and evaluated through several use cases. Through an in-depth performance analysis, we show that the platform provides effective and efficient support for Reinforcement Learning for mobile applications.

Pattern peristaltico uterino nell'adenomiosi isolata: studio prospettico

Obiettivi dello studio: valutare con l’ecografia transvaginale la peristalsi uterina in fase periovulatoria in donne con adenomiosi isolata, confrontandola con un gruppo di controllo e, secondariamente, valutare il grado di accordo tra gli sperimentatori nella descrizione dei pattern di contrattilità. Disegno dello studio: studio osservazione prospettico condotto presso il Policlinico S. Orsola- Malpighi di Bologna, Italia. Materiali e Metodi: sono state reclutate pazienti afferenti al Centro per valutazione ambulatoriale, suddivise sulla base dei criteri di inclusione ed esclusione nei gruppi A (adenomiosi) e B (controlli) e sono state sottoposte da un unico ecografista esperto a ecografia transvaginale con registrazione di un video della durata di 180 secondi della scansione sagittale dell’utero. La registrazione è stata rivalutata off line da due sperimentatori esperti ecografisti, non a conoscenza della storia clinica delle pazienti e in cieco l’uno rispetto all’altro, che hanno descritto il pattern contrattile. È stata stimata una numerosità campionaria di 18 pazienti per gruppo per ottenere una differenza del 20% nell’obiettivo primario con una significatività del 5% (power 80%). Risultati: di 51 pazienti reclutate nello studio, a seguito di drop out 36 sono state sottoposte alla videoregistrazione ecografica (18 per gruppo). Il pattern peristaltico nel gruppo A è risultato alterato in maniera statisticamente significativa rispetto al gruppo B con un p value= 0,02. Sono stati osservati un pattern retrogrado nel 27,8% vs 72,2%, anterogrado del 11,1% vs 16,7%, opposto 38,9% vs 5,6% e random nel 22,2% vs 5,6%, rispettivamente nel gruppo A e B. Il calcolo dell’accordo interosservatore ha portato a un κ value di 0,92. Conclusioni: l’adenomiosi isolata è associata a disperistalsi uterina, che concorrerebbe nello sviluppo dei sintomi tipici dell’adenomiosi. L’ecografia transvaginale rappresenta uno strumento accessibile e utile nella valutazione della contrattilità uterina in quanto il grado di accordo tra gli sperimentatori è ottimo.

Studio di una app a supporto delle attività quotidiane di utenti con disabilità cognitive

L’autonomia è una competenza imprescindibile per poter vivere nella società in maniera attiva e partecipativa. Tuttavia, l’apprendimento di questa abilità non è per nulla scontato, soprattutto quando sono coinvolte persone con disabilità intellettive: infatti, un’attività di vita quotidiana relativa all’ambito dell’autonomia è composta da un certo numero di azioni che devono essere eseguite in una sequenza precisa da memorizzare. Questo può rappresentare uno scoglio complesso da superare, con il risultato che spesso il compito viene portato a termine solo ed esclusivamente in presenza di una persona di supporto, come un caregiver o un genitore, che si occupa di guidare l’assistito durante l’attività. Nasce quindi l’esigenza di fornire un supporto ed un sostegno all’acquisizione di alcune competenze di autonomia, il quale si sostituisca gradualmente all’aiuto di persone terze, compatibilmente al grado di abilità degli individui. In questo scenario si colloca il lavoro di tesi, che consiste nella progettazione, sviluppo e testing di una tecnologia assistiva che permetta di creare scenari di apprendimento per l’acquisizione di alcune competenze relative all’ambito dell’autonomia della vita quotidiana. Il documento ha l’obiettivo di presentare il contesto di partenza del progetto per poi illustrare tutte le fasi di design e progettazione, motivando le scelte implementative. Tutto il lavoro è stato fortemente condizionato dai principi del Design Thinking, ovvero metodologie di design che puntano a sviluppare soluzioni inclusive e accessibili, incentrate sui reali bisogni degli individui. Per questo motivo è stato indispensabile coinvolgere diversi utenti e stakeholder sin dagli inizi del progetto. I test presentati dimostrano che l’applicazione si può considerare una buona base per diventare una tecnologia assistiva accessibile e che possa rispondere a diversi bisogni educativi nell’ambito dell’acquisizione delle autonomie di vita quotidiana.

What Bees Want: Algorithm-Aided Design di un'arnia progettata per le api e realizzata in Additive Manufacturing

L’importanza delle api per la vita sulla Terra ed il rischio alle quali sono sottoposte per via dell’azione dell’uomo sono ormai un dato di fatto. La concezione antropocentrica della natura e l’allevamento al solo fine produttivo di questi piccoli insetti, ha da sempre danneggiato il loro habitat e interferito con i loro cicli biologici. L’apicoltura, nata come un rapporto mutualistico in cui l’uomo offriva un rifugio alle api e loro in cambio provvedevano al suo nutrimento, si è trasformato in una dannosa dipendenza ed in un assoggettamento di questi insetti ai ritmi artificiali e tutt’altro che naturali della produzione rapida e seriale volta all’ottenimento di un profitto. Un’evidente prova di questa condizione, sono i rifugi per le api, le arnie. Ci siamo mai chiesti perché le arnie hanno questa forma? È quella che preferiscono le api, o quella che rende più pratici e veloci processi di costruzione, gestione e produzione? In natura le api colonizzano cavità quali tronchi cavi di alberi, forme lontane, per non dire diametralmente opposte a quelle in cui le vediamo vivere negli allevamenti. In questa ottica, il design e le nuove tecnologie, poste al servizio della Natura, conducono ad un punto di incontro tra le esigenze umane e quelle degli altri esseri viventi, delle api in questo caso. I concetti di Additive Manufacturing e Design Computazionale, permettono processi di produzione simili a quelli evolutivi naturali e trovano per questa motivazione un’applicazione ideale per progetti che si pongono come fine quello di discostarsi da una visione troppo artificiale, per riavvicinarsi alla perfezione e all’armonia delle leggi della Natura.

Progetto DERNetSoft: design e sviluppo di un'app mobile per un futuro più sostenibile

Da anni ormai siamo inconsapevolmente "in guerra" con la natura. Sfruttiamo e sprechiamo risorse naturali senza alcuna considerazione per le conseguenze. Le città sono considerate le principali fonti dei problemi ambientali e la regolamentazione del consumo energetico urbano è fondamentale per affrontare il cambiamento climatico globale. DERNetSoft Inc, start-up californiana, ha intravisto il problema come un’opportunità per creare un proprio business il cui scopo è quello di contribuire a costruire un futuro a basse emissioni di carbonio, fornendo un servizio tecnologico scalabile e conveniente per consentire la riduzione delle emissioni di gas a effetto serra a livello mondiale. Per farlo vengono utilizzati i concetti di DER Energy e Aggregation Energy. Nel volume di tesi si affrontano e descrivono la progettazione di un’applicazione mobile, multipiattaforma, sviluppata con il framework React Native. L’app sviluppata è supportata da un’architettura basata su dei micro servizi implementati tramite il cloud di Google. La principale funzionalità dell’applicazione sviluppata è quella di notificare gli utenti di un evento ELRP che, attraverso incentivi economici, promuove la riduzione del consumo energetico durante i periodi di forte stress o emergenza della rete elettrica.

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 of compliant mechanisms and their application to morphing wing technology

This thesis describes a study conducted for the development of a new approach for the design of compliant mechanisms. Currently compliant mechanisms are based on a 2.5D design method. The applications for which compliant mechanisms can be used this way, is limited. The proposed research suggests to use a 3D approach for the design of CM’s, to better exploit its useful properties. To test the viability of this method, a practical application was chosen. The selected application is related to morphing wings. During this project a working prototype of a variable sweep and variable AoA system was designed and made for an SUAV. A compliant hinge allows the system to achieve two DOF. This hinge has been designed using the proposed 3D design approach. To validate the capabilities of the design, two methods were used. One of these methods was by simulation. By using analysis software, a basic idea could be provided of the stress and deformation of the designed mechanism. The second validation was done by means of AM. Using FDM and material jetting technologies, several prototypes were manufactured. The result of the first model showed that the DOF could be achieved. Models manufactured using material jetting technology, proved that the designed model could provide the desired motion and exploit the positive characteristics of CM. The system could be manufactured successfully in one part. Being able to produce the system in one part makes the need for an extensive assembly process redundant. This improves its structural quality. The materials chosen for the prototypes were PLA, VeroGray and Rigur. The material properties were suboptimal for its final purpose, but successful results were obtained. The prototypes proved tough and were able to provide the desired motion. This proves that the proposed design method can be a useful tool for the design of improved CM’s. Furthermore, the variable sweep & AoA system could be used to boost the flight performance of SUAV’s.

Reg-Io. Innovare il Toys Design attraverso l'inclusione e la diversità

Reg-Io è un creatore di storie tramite il quale il bambino può divertirsi ad inventare racconti senza preoccuparsi della loro struttura narrativa. Il gioco invita il bambino a sperimentare le possibili relazioni tra le componenti così da poter trovare un modo per esprimere sé stessi e le proprie emozioni. Nella dinamica stessa del gioco non ci sono errori o scelte sbagliate, rendendo l'esperienza ludica totalmente libera e personale. L’obiettivo di Reg-Io è quello di abbattere l’insorgere di preconcetti e stereotipi sociali, che andrebbero radicandosi nel corso del tempo, tramite il gioco.

LQG control policy design against agent identity privacy problem

This thesis project studies the agent identity privacy problem in the scalar linear quadratic Gaussian (LQG) control system. For the agent identity privacy problem in the LQG control, privacy models and privacy measures have to be established first. It depends on a trajectory of correlated data rather than a single observation. I propose here privacy models and the corresponding privacy measures by taking into account the two characteristics. The agent identity is a binary hypothesis: Agent A or Agent B. An eavesdropper is assumed to make a hypothesis testing on the agent identity based on the intercepted environment state sequence. The privacy risk is measured by the Kullback-Leibler divergence between the probability distributions of state sequences under two hypotheses. By taking into account both the accumulative control reward and privacy risk, an optimization problem of the policy of Agent B is formulated. The optimal deterministic privacy-preserving LQG policy of Agent B is a linear mapping. A sufficient condition is given to guarantee that the optimal deterministic privacy-preserving policy is time-invariant in the asymptotic regime. An independent Gaussian random variable cannot improve the performance of Agent B. The numerical experiments justify the theoretic results and illustrate the reward-privacy trade-off. Based on the privacy model and the LQG control model, I have formulated the mathematical problems for the agent identity privacy problem in LQG. The formulated problems address the two design objectives: to maximize the control reward and to minimize the privacy risk. I have conducted theoretic analysis on the LQG control policy in the agent identity privacy problem and the trade-off between the control reward and the privacy risk.Finally, the theoretic results are justified by numerical experiments. From the numerical results, I expected to have some interesting observations and insights, which are explained in the last chapter.

Recupero e riutilizzo di uno scarpone da sci a fine vita. Ottimizzazione del processo di Design for Recycling con simulazione agli elementi finiti validata tramite correlazione di immagini digitale

Il presente elaborato di tesi è parte di un ampio progetto finalizzato alla realizzazione di uno scarpone da sci ottenuto per il 90% di materiale da riciclo di scarponi da sci a fine vita. L’obiettivo è di realizzare la progettazione del nuovo scarpone, e caratterizzarne le proprietà flessionali avvalendosi ti tecniche di simulazione numerica FEM validata attraverso Correlazione di Immagini Digitale. La caratterizzazione flessionale è realizzata con la prova del Flex Test, che consiste nell’imporre una flessione dorsale ad una protesi di gamba. Le prime simulazioni FEM di questo complesso modello hanno evidenziato delle criticità. La presente ricerca, si pone l’obiettivo di risolvere singolarmente questi problemi. Inizialmente, si è realizzata la blend polimerica dei materiali dello scafo e del gambetto dello scarpone. Si è effettuata la caratterizzazione meccanica del materiale, confrontandolo con il materiale vergine. Si è poi ricercato il modello costitutivo più adeguato di materiale iperelastico per il FEM. Successivamente, si è ottenuto il modello CAD della scarpetta attraverso l’approccio reverse engineering, con la tecnica della scansione 3D, la quale ha consentito di ottenere il file. STEP da aggiungere al modello FEM. La conoscenza della geometria effettiva ha consentito di realizzare il design della nuova scarpetta ottenuta da materiale riciclato. Infine, si è utilizzata la Correlazione di Immagini Digitali per studiare la cinematica della chiusura dei ganci dello scafo, e per studiare lo stato di deformazione residua a chiusura effettuata. Si è valutata l’influenza del piede della protesi, e della scarpetta, durante la chiusura dei ganci. In seguito, si è confrontato quanto ottenuto dalle evidenze sperimentali della DIC, con la simulazione agli elementi finiti. Si tratta di un approccio innovativo, che vede per la prima volta implementata la Correlazione di Immagini Digitali per realizzare la caratterizzazione meccanica di uno scarpone da sci.

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.

Upper-Limb Exoskeleton Design for Firefighter

Every day, firefighters are involved in emergency response tasks, which are both physically and psychologically exhausting. According to the National Fire Protection Association (NFPA), the number of firefighters who are injured or die while performing their job is incredibly high. When firefighters are injured, they must follow a rehabilitation therapy program to physically recover and depending on the severity of their injuries they may not fully recuperate at all. If they sustain a permanent injury that they cannot recover from, they may be out of work for the rest of their career. This research focuses on studying and developing a special device, known as an exoskeleton, aimed at assisting and preventing potential injuries among firefighters. Nowadays, the usage of human exoskeletons is becoming more common in a variety of fields. In fact, it is currently being researched and developed for soldiers, athletes, and critical care patients around the world. Most of the existing exoskeletons have been developed for the assistance of the lower human body. The research that I have done in my thesis instead relates to mobility of the upper body. Many of the existing exoskeletons have been analyzed and compared to each other and the human body, such as the study of human arm parts and their movements around three principal joints: shoulder, elbow, and wrist. The correct design of the shoulder exoskeleton join is still a big challenge for designers because of the complexity of biomechanical human movements. The exoskeleton must fit perfectly to the human body, otherwise it could be harmful for both the recovery and the safety of the user. The goal of this thesis is to design an upper-body arm exoskeleton worn by firefighters and develop and test a PID control system to prevent the risk of injuries while performing their job.