Progetto e realizzazione del sistema di gestione autonoma del volo e controllo in remoto per un velivolo UAV ad ala rotante

This PhD thesis presents the results, achieved at the Aerospace Engineering Department Laboratories of the University of Bologna, concerning the development of a small scale Rotary wing UAVs (RUAVs). In the first part of the work, a mission simulation environment for rotary wing UAVs was developed, as main outcome of the University of Bologna partnership in the CAPECON program (an EU funded research program aimed at studying the UAVs civil applications and economic effectiveness of the potential configuration solutions). The results achieved in cooperation with DLR (German Aerospace Centre) and with an helicopter industrial partners will be described. In the second part of the work, the set-up of a real small scale rotary wing platform was performed. The work was carried out following a series of subsequent logical steps from hardware selection and set-up to final autonomous flight tests. This thesis will focus mainly on the RUAV avionics package set-up, on the onboard software development and final experimental tests. The setup of the electronic package allowed recording of helicopter responses to pilot commands and provided deep insight into the small scale rotorcraft dynamics, facilitating the development of helicopter models and control systems in a Hardware In the Loop (HIL) simulator. A neested PI velocity controller1 was implemented on the onboard computer and autonomous flight tests were performed. Comparison between HIL simulation and experimental results showed good agreement.

Mixed-domain simulation and hybrid wafer-level packaging of RF-MEMS devices for wireless applications

In questa tesi verranno trattati sia il problema della creazione di un ambiente di simulazione a domini fisici misti per dispositivi RF-MEMS, che la definizione di un processo di fabbricazione ad-hoc per il packaging e l’integrazione degli stessi. Riguardo al primo argomento, sarà mostrato nel dettaglio lo sviluppo di una libreria di modelli MEMS all’interno dell’ambiente di simulazione per circuiti integrati Cadence c . L’approccio scelto per la definizione del comportamento elettromeccanico dei MEMS è basato sul concetto di modellazione compatta (compact modeling). Questo significa che il comportamento fisico di ogni componente elementare della libreria è descritto per mezzo di un insieme limitato di punti (nodi) di interconnessione verso il mondo esterno. La libreria comprende componenti elementari, come travi flessibili, piatti rigidi sospesi e punti di ancoraggio, la cui opportuna interconnessione porta alla realizzazione di interi dispositivi (come interruttori e capacità variabili) da simulare in Cadence c . Tutti i modelli MEMS sono implementati per mezzo del linguaggio VerilogA c di tipo HDL (Hardware Description Language) che è supportato dal simulatore circuitale Spectre c . Sia il linguaggio VerilogA c che il simulatore Spectre c sono disponibili in ambiente Cadence c . L’ambiente di simulazione multidominio (ovvero elettromeccanico) così ottenuto permette di interfacciare i dispositivi MEMS con le librerie di componenti CMOS standard e di conseguenza la simulazione di blocchi funzionali misti RF-MEMS/CMOS. Come esempio, un VCO (Voltage Controlled Oscillator) in cui l’LC-tank è realizzato in tecnologia MEMS mentre la parte attiva con transistor MOS di libreria sarà simulato in Spectre c . Inoltre, nelle pagine successive verrà mostrata una soluzione tecnologica per la fabbricazione di un substrato protettivo (package) da applicare a dispositivi RF-MEMS basata su vie di interconnessione elettrica attraverso un wafer di Silicio. La soluzione di packaging prescelta rende possibili alcune tecniche per l’integrazione ibrida delle parti RF-MEMS e CMOS (hybrid packaging). Verranno inoltre messe in luce questioni riguardanti gli effetti parassiti (accoppiamenti capacitivi ed induttivi) introdotti dal package che influenzano le prestazioni RF dei dispositivi MEMS incapsulati. Nel dettaglio, tutti i gradi di libertà del processo tecnologico per l’ottenimento del package saranno ottimizzati per mezzo di un simulatore elettromagnetico (Ansoft HFSSTM) al fine di ridurre gli effetti parassiti introdotti dal substrato protettivo. Inoltre, risultati sperimentali raccolti da misure di strutture di test incapsulate verranno mostrati per validare, da un lato, il simulatore Ansoft HFSSTM e per dimostrate, dall’altro, la fattibilit`a della soluzione di packaging proposta. Aldilà dell’apparente debole legame tra i due argomenti sopra menzionati è possibile identificare un unico obiettivo. Da un lato questo è da ricercarsi nello sviluppo di un ambiente di simulazione unificato all’interno del quale il comportamento elettromeccanico dei dispositivi RF-MEMS possa essere studiato ed analizzato. All’interno di tale ambiente, l’influenza del package sul comportamento elettromagnetico degli RF-MEMS può essere tenuta in conto per mezzo di modelli a parametri concentrati (lumped elements) estratti da misure sperimentali e simulazioni agli Elementi Finiti (FEM) della parte di package. Infine, la possibilità offerta dall’ambiente Cadence c relativamente alla simulazione di dipositivi RF-MEMS interfacciati alla parte CMOS rende possibile l’analisi di blocchi funzionali ibridi RF-MEMS/CMOS completi.

Procedimenti di ottimizzazione di sistemi smorzati

La presente tesi riguarda lo studio di procedimenti di ottimizzazione di sistemi smorzati. In particolare, i sistemi studiati sono strutture shear-type soggette ad azioni di tipo sismico impresse alla base. Per effettuare l’ottimizzazione dei sistemi in oggetto si agisce sulle rigidezze di piano e sui coefficienti di smorzamento effettuando una ridistribuzione delle quantità suddette nei piani della struttura. È interessante effettuare l’ottimizzazione di sistemi smorzati nell’ottica della progettazione antisismica, in modo da ridurre la deformata della struttura e, conseguentemente, anche le sollecitazioni che agiscono su di essa. Il lavoro consta di sei capitoli nei quali vengono affrontate tre procedure numerico-analitiche per effettuare l’ottimizzazione di sistemi shear-type. Nel primo capitolo si studia l’ottimizzazione di sistemi shear-type agendo su funzioni di trasferimento opportunamente vincolate. In particolare, le variabili di progetto sono le rigidezze di piano, mentre i coefficienti di smorzamento e le masse di piano risultano quantità note e costanti durante tutto il procedimento di calcolo iterativo; per effettuare il controllo dinamico della struttura si cerca di ottenere una deformata pressoché rettilinea. Tale condizione viene raggiunta ponendo le ampiezze delle funzioni di trasferimento degli spostamenti di interpiano pari all’ampiezza della funzione di trasferimento del primo piano. Al termine della procedura si ottiene una ridistribuzione della rigidezza complessiva nei vari piani della struttura. In particolare, si evince un aumento della rigidezza nei piani più bassi che risultano essere quelli più sollecitati da una azione impressa alla base e, conseguentemente, si assiste ad una progressiva riduzione della variabile di progetto nei piani più alti. L’applicazione numerica di tale procedura viene effettuata nel secondo capitolo mediante l’ausilio di un programma di calcolo in linguaggio Matlab. In particolare, si effettua lo studio di sistemi a tre e a cinque gradi di libertà. La seconda procedura numerico-analitica viene presentata nel terzo capitolo. Essa riguarda l’ottimizzazione di sistemi smorzati agendo simultaneamente sulla rigidezza e sullo smorzamento e consta di due fasi. La prima fase ricerca il progetto ottimale della struttura per uno specifico valore della rigidezza complessiva e dello smorzamento totale, mentre la seconda fase esamina una serie di progetti ottimali in funzione di diversi valori della rigidezza e dello smorzamento totale. Nella prima fase, per ottenere il controllo dinamico della struttura, viene minimizzata la somma degli scarti quadratici medi degli spostamenti di interpiano. Le variabili di progetto, aggiornate dopo ogni iterazione, sono le rigidezze di piano ed i coefficienti di smorzamento. Si pone, inoltre, un vincolo sulla quantità totale di rigidezza e di smorzamento, e i valori delle rigidezze e dei coefficienti di smorzamento di ogni piano non devono superare un limite superiore posto all’inizio della procedura. Anche in questo caso viene effettuata una ridistribuzione delle rigidezze e dei coefficienti di smorzamento nei vari piani della struttura fino ad ottenere la minimizzazione della funzione obiettivo. La prima fase riduce la deformata della struttura minimizzando la somma degli scarti quadrarici medi degli spostamenti di interpiano, ma comporta un aumento dello scarto quadratico medio dell’accelerazione assoluta dell’ultimo piano. Per mantenere quest’ultima quantità entro limiti accettabili, si passa alla seconda fase in cui si effettua una riduzione dell’accelerazione attraverso l’aumento della quantità totale di smorzamento. La procedura di ottimizzazione di sistemi smorzati agendo simultaneamente sulla rigidezza e sullo smorzamento viene applicata numericamente, mediante l’utilizzo di un programma di calcolo in linguaggio Matlab, nel capitolo quattro. La procedura viene applicata a sistemi a due e a cinque gradi di libertà. L’ultima parte della tesi ha come oggetto la generalizzazione della procedura che viene applicata per un sistema dotato di isolatori alla base. Tale parte della tesi è riportata nel quinto capitolo. Per isolamento sismico di un edificio (sistema di controllo passivo) si intende l’inserimento tra la struttura e le sue fondazioni di opportuni dispositivi molto flessibili orizzontalmente, anche se rigidi in direzione verticale. Tali dispositivi consentono di ridurre la trasmissione del moto del suolo alla struttura in elevazione disaccoppiando il moto della sovrastruttura da quello del terreno. L’inserimento degli isolatori consente di ottenere un aumento del periodo proprio di vibrare della struttura per allontanarlo dalla zona dello spettro di risposta con maggiori accelerazioni. La principale peculiarità dell’isolamento alla base è la possibilità di eliminare completamente, o quantomeno ridurre sensibilmente, i danni a tutte le parti strutturali e non strutturali degli edifici. Quest’ultimo aspetto è importantissimo per gli edifici che devono rimanere operativi dopo un violento terremoto, quali ospedali e i centri operativi per la gestione delle emergenze. Nelle strutture isolate si osserva una sostanziale riduzione degli spostamenti di interpiano e delle accelerazioni relative. La procedura di ottimizzazione viene modificata considerando l’introduzione di isolatori alla base di tipo LRB. Essi sono costituiti da strati in elastomero (aventi la funzione di dissipare, disaccoppiare il moto e mantenere spostamenti accettabili) alternati a lamine in acciaio (aventi la funzione di mantenere una buona resistenza allo schiacciamento) che ne rendono trascurabile la deformabilità in direzione verticale. Gli strati in elastomero manifestano una bassa rigidezza nei confronti degli spostamenti orizzontali. La procedura di ottimizzazione viene applicata ad un telaio shear-type ad N gradi di libertà con smorzatori viscosi aggiunti. Con l’introduzione dell’isolatore alla base si passa da un sistema ad N gradi di libertà ad un sistema a N+1 gradi di libertà, in quanto l’isolatore viene modellato alla stregua di un piano della struttura considerando una rigidezza e uno smorzamento equivalente dell’isolatore. Nel caso di sistema sheat-type isolato alla base, poiché l’isolatore agisce sia sugli spostamenti di interpiano, sia sulle accelerazioni trasmesse alla struttura, si considera una nuova funzione obiettivo che minimizza la somma incrementata degli scarti quadratici medi degli spostamenti di interpiano e delle accelerazioni. Le quantità di progetto sono i coefficienti di smorzamento e le rigidezze di piano della sovrastruttura. Al termine della procedura si otterrà una nuova ridistribuzione delle variabili di progetto nei piani della struttura. In tal caso, però, la sovrastruttura risulterà molto meno sollecitata in quanto tutte le deformazioni vengono assorbite dal sistema di isolamento. Infine, viene effettuato un controllo sull’entità dello spostamento alla base dell’isolatore perché potrebbe raggiungere valori troppo elevati. Infatti, la normativa indica come valore limite dello spostamento alla base 25cm; valori più elevati dello spostamento creano dei problemi soprattutto per la realizzazione di adeguati giunti sismici. La procedura di ottimizzazione di sistemi isolati alla base viene applicata numericamente mediante l’utilizzo di un programma di calcolo in linguaggio Matlab nel sesto capitolo. La procedura viene applicata a sistemi a tre e a cinque gradi di libertà. Inoltre si effettua il controllo degli spostamenti alla base sollecitando la struttura con il sisma di El Centro e il sisma di Northridge. I risultati hanno mostrato che la procedura di calcolo è efficace e inoltre gli spostamenti alla base sono contenuti entro il limite posto dalla normativa. Giova rilevare che il sistema di isolamento riduce sensibilmente le grandezze che interessano la sovrastruttura, la quale si comporta come un corpo rigido al di sopra dell’isolatore. In futuro si potrà studiare il comportamento di strutture isolate considerando diverse tipologie di isolatori alla base e non solo dispositivi elastomerici. Si potrà, inoltre, modellare l’isolatore alla base con un modello isteretico bilineare ed effettuare un confronto con i risultati già ottenuti per il modello lineare.

Utilizzo metrico di immagini panoramiche satellitari CORONA

CAPITOLO 1 INTRODUZIONE Il lavoro presentato è relativo all’utilizzo a fini metrici di immagini satellitari storiche a geometria panoramica; in particolare sono state elaborate immagini satellitari acquisite dalla piattaforma statunitense CORONA, progettata ed impiegata essenzialmente a scopi militari tra gli anni ’60 e ’70 del secolo scorso, e recentemente soggette ad una declassificazione che ne ha consentito l’accesso anche a scopi ed utenti non militari. Il tema del recupero di immagini aeree e satellitari del passato è di grande interesse per un ampio spettro di applicazioni sul territorio, dall’analisi dello sviluppo urbano o in ambito regionale fino ad indagini specifiche locali relative a siti di interesse archeologico, industriale, ambientale. Esiste infatti un grandissimo patrimonio informativo che potrebbe colmare le lacune della documentazione cartografica, di per sé, per ovvi motivi tecnici ed economici, limitata a rappresentare l’evoluzione territoriale in modo asincrono e sporadico, e con “forzature” e limitazioni nel contenuto informativo legate agli scopi ed alle modalità di rappresentazione delle carte nel corso del tempo e per diversi tipi di applicazioni. L’immagine di tipo fotografico offre una rappresentazione completa, ancorché non soggettiva, dell’esistente e può complementare molto efficacemente il dato cartografico o farne le veci laddove questo non esista. La maggior parte del patrimonio di immagini storiche è certamente legata a voli fotogrammetrici che, a partire dai primi decenni del ‘900, hanno interessato vaste aree dei paesi più avanzati, o regioni di interesse a fini bellici. Accanto a queste, ed ovviamente su periodi più vicini a noi, si collocano le immagini acquisite da piattaforma satellitare, tra le quali rivestono un grande interesse quelle realizzate a scopo di spionaggio militare, essendo ad alta risoluzione geometrica e di ottimo dettaglio. Purtroppo, questo ricco patrimonio è ancora oggi in gran parte inaccessibile, anche se recentemente sono state avviate iniziative per permetterne l’accesso a fini civili, in considerazione anche dell’obsolescenza del dato e della disponibilità di altre e migliori fonti di informazione che il moderno telerilevamento ci propone. L’impiego di immagini storiche, siano esse aeree o satellitari, è nella gran parte dei casi di carattere qualitativo, inteso ad investigare sulla presenza o assenza di oggetti o fenomeni, e di rado assume un carattere metrico ed oggettivo, che richiederebbe tra l’altro la conoscenza di dati tecnici (per esempio il certificato di calibrazione nel caso delle camere aerofotogrammetriche) che sono andati perduti o sono inaccessibili. Va ricordato anche che i mezzi di presa dell’epoca erano spesso soggetti a fenomeni di distorsione ottica o altro tipo di degrado delle immagini che ne rendevano difficile un uso metrico. D’altra parte, un utilizzo metrico di queste immagini consentirebbe di conferire all’analisi del territorio e delle modifiche in esso intercorse anche un significato oggettivo che sarebbe essenziale per diversi scopi: per esempio, per potere effettuare misure su oggetti non più esistenti o per potere confrontare con precisione o co-registrare le immagini storiche con quelle attuali opportunamente georeferenziate. Il caso delle immagini Corona è molto interessante, per una serie di specificità che esse presentano: in primo luogo esse associano ad una alta risoluzione (dimensione del pixel a terra fino a 1.80 metri) una ampia copertura a terra (i fotogrammi di alcune missioni coprono strisce lunghe fino a 250 chilometri). Queste due caratteristiche “derivano” dal principio adottato in fase di acquisizione delle immagini stesse, vale a dire la geometria panoramica scelta appunto perché l’unica che consente di associare le due caratteristiche predette e quindi molto indicata ai fini spionaggio. Inoltre, data la numerosità e la frequenza delle missioni all’interno dell’omonimo programma, le serie storiche di questi fotogrammi permettono una ricostruzione “ricca” e “minuziosa” degli assetti territoriali pregressi, data appunto la maggior quantità di informazioni e l’imparzialità associabili ai prodotti fotografici. Va precisato sin dall’inizio come queste immagini, seppur rappresentino una risorsa “storica” notevole (sono datate fra il 1959 ed il 1972 e coprono regioni moto ampie e di grandissimo interesse per analisi territoriali), siano state molto raramente impiegate a scopi metrici. Ciò è probabilmente imputabile al fatto che il loro trattamento a fini metrici non è affatto semplice per tutta una serie di motivi che saranno evidenziati nei capitoli successivi. La sperimentazione condotta nell’ambito della tesi ha avuto due obiettivi primari, uno generale ed uno più particolare: da un lato il tentativo di valutare in senso lato le potenzialità dell’enorme patrimonio rappresentato da tali immagini (reperibili ad un costo basso in confronto a prodotti simili) e dall’altro l’opportunità di indagare la situazione territoriale locale per una zona della Turchia sud orientale (intorno al sito archeologico di Tilmen Höyük) sulla quale è attivo un progetto condotto dall’Università di Bologna (responsabile scientifico il Prof. Nicolò Marchetti del Dipartimento di Archeologia), a cui il DISTART collabora attivamente dal 2005. L’attività è condotta in collaborazione con l’Università di Istanbul ed il Museo Archeologico di Gaziantep. Questo lavoro si inserisce, inoltre, in un’ottica più ampia di quelle esposta, dello studio cioè a carattere regionale della zona in cui si trovano gli scavi archeologici di Tilmen Höyük; la disponibilità di immagini multitemporali su un ampio intervallo temporale, nonché di tipo multi sensore, con dati multispettrali, doterebbe questo studio di strumenti di conoscenza di altissimo interesse per la caratterizzazione dei cambiamenti intercorsi. Per quanto riguarda l’aspetto più generale, mettere a punto una procedura per il trattamento metrico delle immagini CORONA può rivelarsi utile all’intera comunità che ruota attorno al “mondo” dei GIS e del telerilevamento; come prima ricordato tali immagini (che coprono una superficie di quasi due milioni di chilometri quadrati) rappresentano un patrimonio storico fotografico immenso che potrebbe (e dovrebbe) essere utilizzato sia a scopi archeologici, sia come supporto per lo studio, in ambiente GIS, delle dinamiche territoriali di sviluppo di quelle zone in cui sono scarse o addirittura assenti immagini satellitari dati cartografici pregressi. Il lavoro è stato suddiviso in 6 capitoli, di cui il presente costituisce il primo. Il secondo capitolo è stato dedicato alla descrizione sommaria del progetto spaziale CORONA (progetto statunitense condotto a scopo di fotoricognizione del territorio dell’ex Unione Sovietica e delle aree Mediorientali politicamente correlate ad essa); in questa fase vengono riportate notizie in merito alla nascita e all’evoluzione di tale programma, vengono descritti piuttosto dettagliatamente gli aspetti concernenti le ottiche impiegate e le modalità di acquisizione delle immagini, vengono riportati tutti i riferimenti (storici e non) utili a chi volesse approfondire la conoscenza di questo straordinario programma spaziale. Nel terzo capitolo viene presentata una breve discussione in merito alle immagini panoramiche in generale, vale a dire le modalità di acquisizione, gli aspetti geometrici e prospettici alla base del principio panoramico, i pregi ed i difetti di questo tipo di immagini. Vengono inoltre presentati i diversi metodi rintracciabili in bibliografia per la correzione delle immagini panoramiche e quelli impiegati dai diversi autori (pochi per la verità) che hanno scelto di conferire un significato metrico (quindi quantitativo e non solo qualitativo come è accaduto per lungo tempo) alle immagini CORONA. Il quarto capitolo rappresenta una breve descrizione del sito archeologico di Tilmen Höyuk; collocazione geografica, cronologia delle varie campagne di studio che l’hanno riguardato, monumenti e suppellettili rinvenute nell’area e che hanno reso possibili una ricostruzione virtuale dell’aspetto originario della città ed una più profonda comprensione della situazione delle capitali del Mediterraneo durante il periodo del Bronzo Medio. Il quinto capitolo è dedicato allo “scopo” principe del lavoro affrontato, vale a dire la generazione dell’ortofotomosaico relativo alla zona di cui sopra. Dopo un’introduzione teorica in merito alla produzione di questo tipo di prodotto (procedure e trasformazioni utilizzabili, metodi di interpolazione dei pixel, qualità del DEM utilizzato), vengono presentati e commentati i risultati ottenuti, cercando di evidenziare le correlazioni fra gli stessi e le problematiche di diversa natura incontrate nella redazione di questo lavoro di tesi. Nel sesto ed ultimo capitolo sono contenute le conclusioni in merito al lavoro in questa sede presentato. Nell’appendice A vengono riportate le tabelle dei punti di controllo utilizzati in fase di orientamento esterno dei fotogrammi.

Monitoraggio e analisi di segnali ORP, pH, DO finalizzato al controllo del processo di predenitrificazione eseguito su impianto pilota a F.A.

Il lavoro sperimentale condotto nell’ambito della presente tesi è stato svolto su un impianto pilota a flusso continuo con schema predenitro/nitro in scala di laboratorio, alimentato con refluo sintetico ed installato presso i laboratori della Sezione ACS PROT IDR - Gestione Risorse Idriche dell’ENEA (sede di Bologna). Le finalità della sperimentazione erano mirate ad una verifica preliminare sull’utilizzo di segnali indiretti, quali pH, ORP, DO, nel monitoraggio in tempo reale dei processi biologici, mirata alla possibilità di implementare un sistema di controllo automatico di un impianto di depurazione, capace di minimizzare i costi di gestione e in grado di garantire, in ogni caso, elevate efficienze depurative. Nel presente studio sono stati esaminati gli aspetti metodologici e tecnologici alla base dell’automazione di un impianto di trattamento di acque reflue, avendo il duplice obiettivo di garantire una buona qualità dell’effluente e un contestuale risparmio energetico. In particolare si è studiato un problema molto diffuso: il controllo della rimozione dell’azoto in un sistema a fanghi attivi con predenitrificazione per l’ossidazione congiunta di carbonio ed azoto, ponendolo in relazione con la variazione dei tempi di commutazione in un processo SBR. L’obiettivo primario della sperimentazione effettuata è stato quello di portare il sistema in un regime di equilibrio stazionario, in modo da poter definire delle condizioni di regime per le quali, ad un ingresso costante e noto, corrispondesse un’uscita altrettanto costante che mantenesse tali condizioni fino a quando non fosse cambiato l’ingresso e/o le condizioni al contorno. A questo scopo si è provveduto, in primo luogo, allo studio di un influente sintetico con cui alimentare l’impianto, di composizione tale da simulare in tutte le sue caratteristiche un refluo civile reale e, successivamente, alla valutazione di una configurazione impiantistica idonea per il raggiungimento dell’equilibrio dei processi. La prima parte della sperimentazione è stata dedicata all’avviamento dell’impianto, effettuando un monitoraggio continuo dell’intero sistema allo scopo di impostare i parametri operativi e in modo da ottenere condizioni stabili per effettuare le successive sperimentazioni.