Progetto PCB di un circuito per la gestione di micropotenze per nodi sensori energeticamente autonomi

L’obiettivo di questa tesi consiste nel progetto e nella realizzazione di un PCB (Printed Circuit Board) per la gestione di micropotenze per nodi sensori energeticamente autonomi, implementato con software di progettazione CAD. In primo luogo è affrontato il tema dell’ Energy Harvesting, sono descritte le tipologie di fonti energetiche principali previste e le prospettive future di questa nuova tecnologia. In secondo luogo sono descritti i processi e i meccanismi per la conversione dell’energia, con un particolare sguardo ai circuiti integrati per la conversione e gestione della potenza (PMIC). Successivamente vengono illustrate le fasi del progetto, basato su un PMIC commerciale: la progettazione dello schema elettrico, la scelta dei componenti (BOM - Bill of Materials) e la progettazione del layout del circuito stampato. Infine sono mostrati il processo di montaggio della scheda e i test realizzati mediante oscilloscopio insieme ad alcune stime di potenza.

Convertitori elettronici di potenza ad alta frequenza di commutazione con isolamento galvanico

L’importanza sempre crescente dell’elettronica è accompagnata da una crescente necessità di compattezza ed efficienza energetica. Una parte sostanziale del costo e delle dimensioni dei moderni dispositivi elettronici è legata ai sistemi di conversione di potenza, il cui volume è dominato dai passivi. Per poter affrontare la miniaturizzazione dei circuiti elettronici di potenza sono dunque necessari metodi di design e tecnologie che permettano di ridurre i requisiti di immagazzinamento di energia. Un possibile approccio è aumentare la frequenza di commutazione nel range delle decine di MHz facendo in modo che l’efficienza non venga penalizzata dall’aumento delle perdite in commutazione. Ciò è reso possibile dall’impiego di topologie di convertitori risonanti che implementano la condizione ZVS. Oltre all’impiego di convertitori risonanti, l’aumento della frequenza operativa, mantenendo elevata l’efficienza, è abilitato dall’impiego di dispositivi a semiconduttore a largo band-gap come il nitruro di gallio (GaN), i quali mostrano performance superiori al silicio in termini di temperature operative, frequenze di funzionamento e densità di potenza. Inoltre, ad elevate frequenze di commutazione, l’utilizzo di magnetici coreless diventa una valida alterativa ai magnetici tradizionali, con vantaggi in termini di costo, ingombro e di efficienza. Il focus di questa tesi è il progetto di un convertitore DC-DC risonante con isolamento coreless ad alta efficienza e ad alta frequenza in tecnologia GaN a 650 V pensato per applicazioni wall-adapter. A seguito dello studio di alcune topologie di inverter risonanti e dei rispettivi rettificatori, si è scelta la topologia phi2 per il design del convertitore DC-DC double phi2 isolato (simulato con LTspice). È stato poi effettuato il design di un trasformatore coreless su PCB tramite simulatore elettromagnetico (ADS Keysight Momentum). Il convertitore complessivo presenta un’efficienza del 95,8% con una efficienza del link del 98%.

AlmaBike: una piattaforma web per aggregare e visualizzare dati sull'inquinamento da sensori IoT

L'inquinamento è un pensiero costante nel ventunesimo secolo. Ogni anno, i ricercatori cercano di trovare nuove metodologie e tecnologie per controllarlo e ridurlo. Per questo motivo l’Università di Bologna ha avviato svariati progetti per contrastare le problematiche ambientali. Una delle iniziative è AlmaBike. Sono biciclette che vengono assegnate nella forma di comodato gratuito al personale universitario e agli studenti. Nell'ultimo periodo, 50 AlmaBike sono state dotate di un pacchetto sensori in grado di rilevare posizione GPS, la qualità dell’aria, il rumore e alcuni parametri ambientali. Gli obiettivi perseguiti sono: sperimentare un sistema che permetta la misurazione di dati in merito alla qualità ambientale del comune di Bologna e misurare la rilevanza della consapevolezza della qualità dell’aria nella scelta di percorsi da parte di un utente, ad esempio casa-lavoro. L’obiettivo di questa tesi è quello di creare un applicativo che permetta la fruizione dei dati raccolti dai vari sensori attraverso l’uso di tecniche di Data Visualization. I dati vengono elaborati e organizzati con lo scopo di permetterne la comprensione anche ad utenti inesperti. La tesi è suddivisa in tre capitoli: nel primo capitolo sono stati approfonditi i concetti inerenti alla sostenibilità riprendendo quanto detto a proposito degli obiettivi dell'Agenda 2030, facendo anche una breve introduzione sul concetto di IoT e sensori; nel secondo capitolo vengono presentate le tecnologie utilizzate per la realizzazione dell’applicativo tra cui: Docker, MySQL, Angular, Typescript, Golang; nel terzo capitolo viene mostrata nel dettaglio l'applicazione creata: dalle scelte progettuali, fino ad arrivare al risultato finale.

Energy and memory consumption of SHA256 algorithm

L'efficienza dei computer ha un limite inferiore dettato dal principio di Landauer. La distruzione di una qualsiasi informazione ha un costo energetico per la dissipazione dei bit che la formavano. L'unico modo per aggirare il principio di Landauer è attraverso la reversibilità. Questa tecnica di computazione ci permette di eseguire un programma senza dover distruggere informazioni e quindi, senza dissipare bit. Molti algoritmi ai giorni nostri hanno un grande impatto energetico sul mondo, ed uno di questi è SHA256, l'algoritmo usato nella block-chain di Bitcoin. Questa tesi si pone l'obbiettivo di analizzare il consumo energetico e di memoria di una implementazione di SHA256 reversibile ideale.

Implementazione e caratterizzazione di PLL digitali per doppler tracking di sonde deep space

I Phase-Locked Loops sono circuiti ancora oggi utilizzati per la generazione di segnali coerenti in frequenza e in fase con i segnali in ingresso, motivo per cui sono uno degli strumenti della radio scienza per la ricostruzione dei segnali scambiati con le sonde e nascosti dal rumore accumulato nel tragitto che separa le sonde stesse dalle stazioni di tracking a terra. Questa tesi illustra l'implementazione di un PLL digitale linearizzato in Matlab e Simulink in una nuova veste rispetto al modello implementato durante l'attività di tirocinio curricolare, al fine di migliorarne le prestazioni per bassi carrier-to-noise density ratios. Il capitolo 1 si compone di due parti: la prima introduce all'ambito nel quale si inserisce il lavoro proposto, ossia la determinazione d'orbita; la seconda illustra i fondamenti della teoria dei segnali. Il capitolo 2 è incentrato sull'analisi dei Phase-Locked Loops, partendo da un'introduzione teorica e approdando all'implementazione di un modello in Simulink. Il capitolo 3, infine, mostra i risultati dell'applicazione del modello implementato in Simulink nell'analisi dei segnali di una missione realmente svolta.

Development of a heterogeneous clustering algorithm for particle shower reconstruction in high energy physics using the SYCL abstraction layer

Nei prossimi anni è atteso un aggiornamento sostanziale di LHC, che prevede di aumentare la luminosità integrata di un fattore 10 rispetto a quella attuale. Tale parametro è proporzionale al numero di collisioni per unità di tempo. Per questo, le risorse computazionali necessarie a tutti i livelli della ricostruzione cresceranno notevolmente. Dunque, la collaborazione CMS ha cominciato già da alcuni anni ad esplorare le possibilità offerte dal calcolo eterogeneo, ovvero la pratica di distribuire la computazione tra CPU e altri acceleratori dedicati, come ad esempio schede grafiche (GPU). Una delle difficoltà di questo approccio è la necessità di scrivere, validare e mantenere codice diverso per ogni dispositivo su cui dovrà essere eseguito. Questa tesi presenta la possibilità di usare SYCL per tradurre codice per la ricostruzione di eventi in modo che sia eseguibile ed efficiente su diversi dispositivi senza modifiche sostanziali. SYCL è un livello di astrazione per il calcolo eterogeneo, che rispetta lo standard ISO C++. Questo studio si concentra sul porting di un algoritmo di clustering dei depositi di energia calorimetrici, CLUE, usando oneAPI, l'implementazione SYCL supportata da Intel. Inizialmente, è stato tradotto l'algoritmo nella sua versione standalone, principalmente per prendere familiarità con SYCL e per la comodità di confronto delle performance con le versioni già esistenti. In questo caso, le prestazioni sono molto simili a quelle di codice CUDA nativo, a parità di hardware. Per validare la fisica, l'algoritmo è stato integrato all'interno di una versione ridotta del framework usato da CMS per la ricostruzione. I risultati fisici sono identici alle altre implementazioni mentre, dal punto di vista delle prestazioni computazionali, in alcuni casi, SYCL produce codice più veloce di altri livelli di astrazione adottati da CMS, presentandosi dunque come una possibilità interessante per il futuro del calcolo eterogeneo nella fisica delle alte energie.

Sviluppo di sensori indossabili per il monitoraggio di essudato di ferite

I sensori indossabili rappresentano una frontiera della ricerca scientifica e, allo stesso tempo, a livello commerciale sono un nuovo mercato emergente. La possibilità di studiare diversi parametri fisiologici con dispositivi versatili e di dimensioni ridotte è importante per raggiungere una comprensione più profonda dei diversi fenomeni che avvengono nel nostro corpo. In maniera simile, la composizione dell’essudato di una ferita è finemente legata all’evoluzione del processo di guarigione, che comporta diversi meccanismi di rigenerazione del tessuto connettivo e dell’epitelio. Grazie ai dispositivi indossabili, si apre la possibilità di monitorare i componenti chiave di questi processi. I wearable devices costituiscono quindi sia uno strumento diagnostico, che uno strumento clinico per l’identificazione e la valutazione di strategie terapeutiche più efficienti. Il mio lavoro di tirocinio si è incentrato sulla fabbricazione, caratterizzazione e sperimentazione delle performance di transistor elettrochimici a base organica (OECT) tessili per la misurazione dei livelli di pH ed acido urico. L’obbiettivo del gruppo di ricerca è quello di realizzare un cerotto intelligente che abbia due diversi elementi sensibili, uno per l’acido urico e l’altro per la concentrazione idrogenionica. Per il raggiungimento di tale scopo, si è sfruttato uno dei semiconduttori organici più utilizzati e studiati nell’ultimo periodo, il PEDOT, ovvero il poli(3,4-etilen-diossi-tiofene), che risulta anche uno dei materiali principalmente impiegati nella ricerca sui sensori tessili.

Analisi e utilizzo di tecniche di stimolazione epidurale per il ripristino dell’attività locomotoria in soggetti con lesioni spinali

La lesione del midollo spinale (LM) è una complessa condizione fisica che racchiude in sé sfide di carattere biomedico nonché etico-giuridico. La complessità della LM nonché la diversificazione delle esperienze dei singoli soggetti affetti da LM rendono questo un topic di grande interesse per la ricerca biomedicale, in relazione a nuovi metodi di cura e di riabilitazione dei soggetti. In particolare, la sinergia tra i saperi medico, informatici e ingegneristici ha permesso di sviluppare nuove tecnologie di comunicazione e di controllo neurologico e motorio che, capaci di sopperire a deficit cerebrali e/o motori causati da LM, consentono ai pazienti di avere una qualità di vita sensibilmente migliore, anche in termini di autonomia. Tra queste nuove tecnologie assistive primeggiano per efficacia e frequenza di utilizzo le Brain Computer Interfaces (BCI), strumenti ingegneristici che, attraverso la misurazione e l’analisi di segnali provenienti dall’attività cerebrale, traducono il segnale registrato in specifici comandi, rappresentando per l’utente con LM un canale di comunicazione con l’ambiente esterno, alternativo alle normali vie neurali. In questo elaborato l’analisi di due sperimentazioni, una su scimmia l’altra su uomo, entrambi affetti da LM, con differenti sistemi di monitoraggio dell’attività neurale, ha permesso di evidenziare un limite della ricerca sul topic: nonostante i promettenti risultati ottenuti su primati non umani, il carattere invasivo del sistema BCI–EES rende difficile traslare la sperimentazione su uomo. La sperimentazione su LM pone delle sfide anche dal punto di vista etico: sebbene siano auspicati lo sviluppo e l’applicazione di metodi alternativi alla sperimentazione animale, l’impiego di primati non umani appare ancora una scelta obbligata nel campo della ricerca di soluzioni terapeutiche finalizzate al ripristino della funzione locomotoria, per via della stretta affinità in termini di conformazione fisica, genetica e anatomica.

Gli integrali di cammino

Normalmente la meccanica quantistica non relativistica è ricavata a partire dal fatto che una particella al tempo t non può essere descritta da una posizione $x$ definita, ma piuttosto è descritta da una funzione, chiamata funzione d'onda, per cui vale l'equazione differenziale di Schr\"odinger, e il cui modulo quadro in $x$ viene interpretato come la probabilità di rilevare la particella in tale posizione. Quindi grazie all'equazione di Schr\"odinger si studia la dinamica della funzione d'onda, la sua evoluzione temporale. Seguendo quest'approccio bisogna quindi abbandonare il concetto classico di traiettoria di una particella, piuttosto quello che si studia è la "traiettoria" della funzione d'onda nei vari casi di campi di forze che agiscono sulla particella. In questa tesi si è invece scelto di studiare un approccio diverso, ma anch'esso efficace nel descrivere i fenomeni della meccanica quantistica non relativistica, formulato per la prima volta negli anni '50 del secolo scorso dal dott. Richard P. Feynman. Tale approccio consiste nel considerare una particella rilevata in posizione $x_a$ nell'istante $t_a$, e studiarne la probabilità che questa ha, nelle varie configurazioni dei campi di forze in azione, di giungere alla posizione $x_b$ ad un successivo istante $t_b$. Per farlo si associa ad ogni percorso che congiunge questi due punti spazio-temporali $a$ e $b$ una quantità chiamata ampiezza di probabilità del percorso, e si sviluppa una tecnica che permette di sommare le ampiezze relative a tutti gli infiniti cammini possibili che portano da $a$ a $b$, ovvero si integra su tutte le traiettorie $x(t)$, questo tipo di integrale viene chiamato integrale di cammino o più comunemente path integral. Il modulo quadro di tale quantità darà la probabilità che la particella rilevata in $a$ verrà poi rilevata in $b$.

Utilizzo congiunto di aerofotogrammetria e Laser Scanner terrestre per il rilievo del torrente Ravone di Bologna

La città di Bologna è sicuramente famosa per le sue due torri, ma anche per la fitta rete idraulica ormai nascosta sotto le strade e sotto gli edifici. I primi canali di Bologna furono realizzati tra il XII e il XVI secolo a seguito della costruzione delle due opere fondamentali: le chiuse di San Ruffillo e di Casalecchio. Queste due opere di presa servivano e, servono ancora oggi, ad alimentare i canali del Navile, del Reno, del Savena, del Cavaticcio e delle Moline. Oltre a questi canali alimentati dalle acque dei fiumi, sotto la città di Bologna scorrono torrenti che drenano le acque prevalentemente meteoriche della zona pedecollinare della città, come ad esempio il torrente Ravone. Il presente lavoro di tesi ha come caso di studio proprio quest’ultimo. Il Ravone, in origine, scorreva a cielo aperto attraversando la città, ma per permettere l’urbanizzazione fuori dalle mura, è stato tombato in diversi tratti e in diverse epoche. La scarsità di informazioni riguardo la sua esatta posizione e la mancanza di elaborati grafici in grado di descriverne la sua geometria, ha spinto le autorità a richiedere un accurato rilievo al LARIG dell’UniBo. Le operazioni di rilievo si sono svolte con l’uso di tecniche geomatiche per la modellazione tridimensionale come l’aerofotogrammetria e l’acquisizione con laser scanner terrestre. Al fine di georeferenziare il dato acquisito, si è ricorso a tecniche di rilievo topografico come il posizionamento GNSS e la misurazione di angoli e distanze con stazione totale. I primi capitoli di questo elaborato sono dedicati alla descrizione dei fondamenti teorici della geodesia e delle tecniche di rilievo utilizzate per la restituzione del modello tridimensionale. Gli ultimi capitoli, invece, sono dedicati alla descrizione delle fasi di rilievo e all’analisi dei dati, dedicando particolare attenzione alla georeferenziazione delle nuvole di punti acquisite in ambienti confinati, come i tratti tombati del torrente Ravone.

Sviluppo di Metodi di Soft Labeling per la Multi-Document Summarization in Ambito Legale

In questo elaborato viene trattata l’analisi del problema di soft labeling applicato alla multi-document summarization, in particolare vengono testate varie tecniche per estrarre frasi rilevanti dai documenti presi in dettaglio, al fine di fornire al modello di summarization quelle di maggior rilievo e più informative per il riassunto da generare. Questo problema nasce per far fronte ai limiti che presentano i modelli di summarization attualmente a disposizione, che possono processare un numero limitato di frasi; sorge quindi la necessità di filtrare le informazioni più rilevanti quando il lavoro si applica a documenti lunghi. Al fine di scandire la metrica di importanza, vengono presi come riferimento metodi sintattici, semantici e basati su rappresentazione a grafi AMR. Il dataset preso come riferimento è Multi-LexSum, che include tre granularità di summarization di testi legali. L’analisi in questione si compone quindi della fase di estrazione delle frasi dai documenti, della misurazione delle metriche stabilite e del passaggio al modello stato dell’arte PRIMERA per l’elaborazione del riassunto. Il testo ottenuto viene poi confrontato con il riassunto target già fornito, considerato come ottimale; lavorando in queste condizioni l’obiettivo è di definire soglie ottimali di upper-bound per l’accuratezza delle metriche, che potrebbero ampliare il lavoro ad analisi più dettagliate qualora queste superino lo stato dell’arte attuale.

Realizzazione di un Energy Harvester ibrido per applicazioni di monitoraggio strutturale

In questo studio è affrontato il progetto di un energy harvester destinato ad alimentare un nodo sensore impiegato per scopi di monitoraggio strutturale. La applicazione in questione è specifica per l'ambito ferroviario, dovendo il sistema essere collocato sul tirante di poligonazione della linea area di contatto. Sono state indagate modalità di conversione dell'energia dalle vibrazioni generate dal contatto fra catenaria e pantografo, studiandone la possibile integrazione con la conversione dell'energia solare tramite celle fotovoltaiche. Sono stati quindi progettati e realizzati due prototipi di energy harvester a vibrazioni, basati su tecnica di conversione rispettivamente elettromagnetica e piezoelettrica. La fase di progettazione è stata affinata tramite simulazioni MATLAB e COMSOL, utilizzando il metodo degli elementi finiti, ed è stato curato il progetto dei circuiti di regolazione della tensione generata dai dispositivi. Sulla base del consumo del nodo sensore misurato ne è stata simulata la alimentazione da parte di un energy harvester solare al variare del periodo dell'anno. I dispostivi realizzati sono stati valutati attraverso varie misurazioni e sono state indagate tra gli sviluppi futuri possibili approcci per il miglioramento della tecnologia realizzata.

Analisi numerica e sperimentale di un soft-gripper Fin Ray integrato con un dispositivo elettroadesivo

Una delle applicazioni maggiormente richieste in ambito industriale è quella della presa e movimentazioni di oggetti. Questa tipologia di operazione trova diverse soluzioni nel mondo della robotica e automazione. Nella loro forma più comune un dispositivo di presa si presenta come una pinza motorizzata attraverso la quale è possibile eseguire l’afferraggio di oggetti. Tra essi si possono distinguere i Soft Gripper, ovvero quella classe di pinze che ricorrono a componenti flessibili e parti in materiali soffici che nell’azione di presa si conformano all’oggetto per deformazione dei componenti. Un esempio di questa tipologia di strumenti di presa è il Fin Ray. Tuttavia, questa tipologia di soft-gripper possiede delle limitazioni, come il carico massimo movimentabile determinato sostanzialmente dalla rigidezza della struttura. In questo contesto, al fine di superare tale limite, viene proposto di implementare sulla superficie di contatto un dispositivo a film-sottile elettroadesivo, per generare forze di taglio superficiali per principio elettrostatico, che aumentino la capacità di sollevamento del soft-gripper senza intaccare la sua caratteristica principale di conformità. Lo scopo della tesi è proprio un’analisi numerica e sperimentale di un Fin Ray integrato con un dispositivo elettroadesivo, con lo scopo di analizzare la forza scambiata con un oggetto. Il gripper progettato in questo lavoro, è così prima simulato, e poi realizzato in laboratorio per eseguire la caratterizzazione sperimentale. Gli esperimenti sono stati condotti su un banco prova per la misurazione della forza di contatto scambiata durante l’afferraggio. Per ottenere una validazione del modello sviluppato, sono stati realizzati dei gripper con due differenti materiali altamente deformabili, e con una combinazione di parametri fondamentali diversi, come la posizione e la dimensione dell’oggetto in presa, ottenendo infine una caratterizzazione completa del gripper sviluppato.

Benchmarking di sistemi di additive manufacturing in termini di precisione di forma con ispirazione al sistema GD&T

Questo studio si pone come obiettivo lo sviluppo e la sperimentazione di un metodo per eseguire un benchmarking di due diversi sistemi di Additive Manufacturing mediante macchina di misura a coordinate Renishaw Cyclone. In particolare sono valutate le prestazioni in termini di precisione di forma di un sistema di tipo FDM e di uno di tipo PolyJet al fine di ottenere dati indicanti le potenzialità di queste due tecnologie per parti di piccole dimensioni. Dopo un’introduzione generale sull’Additive Manufacturing, si scende nei dettagli delle due tecniche oggetto dello studio e si discute di come strutturare il piano sperimentale in funzione degli obiettivi dell’attività e dei metodi scelti per l’acquisizione e la valutazione dei dati. Si parte, infatti, con la fabbricazione di un modello di benchmark, le cui geometrie vengono poi rilevate tramite una macchina di misura a coordinate per ottenere i valori di precisione di forma, che sono presentati come tolleranze geometriche del sistema GD&T. Successivamente, si descrivono tutte le fasi dell’attività sperimentale, iniziando con l’ideazione del modello di benchmark e proseguendo con i processi di fabbricazione e misurazione, per poi arrivare alla deduzione dei valori di precisione di forma tramite un post-processing dei dati. Infine, si presentano i valori di tolleranza ottenuti e si traggono le conclusioni riguardo la riuscita dell’attività sperimentale e il confronto tra le due tecnologie di Additive Manufacturing.

Materia degenere: fisica e applicazioni astrofisiche

La Degenerazione è un determinato stato della materia causato da particolari condizioni di temperatura e densità. E' un fenomeno che è necessario valutare quando la fisica che descrive un sistema non può fare a meno di considerare la trattazione quantistica per caratterizzare le sue proprietà. Proprio per questo motivo è necessario abbandonare l'approccio deterministico della Meccanica Classica e abbracciare quello probabilistico della Meccanica Quantistica, che vede le particelle dividersi in due categorie: Fermioni e Bosoni. Per entrambe le specie, la materia, mediante specifiche condizioni, può dunque ritrovarsi ad essere in uno stato degenere, presentando diversi fenomeni a seconda della tipologia di particelle che compongono un gas in analisi. Tale fisica della materia degenere, in particolare dei Fermioni degeneri, ha importanti applicazioni nel campo dell'astrofisica: il regime che domina il comportamento del gas interno ad una struttura stellare determina completamente lo sviluppo della sua evoluzione, per via dei differenti contributi di pressione che ogni stato apporta al sostenimento di questi corpi celesti. La degenerazione della materia riveste un ruolo fondamentale anche negli stadi evolutivi finali delle stelle: é il caso delle Nane Bianche e delle Stelle di Neutroni, nelle quali la sola pressione di degenerazione fermionica, entro certi limiti, contrasta la pressione gravitazionale che guida la loro contrazione, mantenendo così l'Equilibrio Idrostatico di queste strutture stellari.