Analisi e sviluppo di uno strumento di verifica di consistenza a supporto della metodologia SODA

Scopo di questa tesi è analizzare e sviluppare la parte preposta al controllo dell’integrità dei dati (Check&SODA), facente parte di un nuovo plugin per piattaforma Eclipse che supporti il progettista durante le attività di progettazione con SODA, tramite una componente grafica Graph&SODA.

Interfaccia grafica per l'elaborazione di immagini microscopiche di colture batteriche geneticamente modificate

Le moderne tecniche di imaging e i recenti sviluppi nel campo della visione computazionale consentono sempre più diffusamente l'utilizzo di metodi di image analysis, specialmente in ambito medico e biologico, permettendo un maggiore supporto sia alla diagnosi, sia alla ricerca. Il lavoro svolto in questa tesi si pone in un contesto di ricerca di carattere interdisciplinare, e riguarda il progetto e la realizzazione di un‘interfaccia grafica per l'analisi di colture batteriche geneticamente modificate, marcate con proteine fluorescenti (GFP), acquisite tramite un microscopio ad epifluorescenza. Nota la funzione di risposta del sistema di acquisizione delle immagini, l'analisi quantitativa delle colture batteriche è effettuata mediante la misurazione di proprietà legate all'intensità della risposta al marcatore fluorescente. L'interfaccia consente un'analisi sia globale dei batteri individuati nell'immagine, sia di singoli gruppi di batteri selezionati dall'utente, fornendo utili informazioni statistiche, sia in forma grafica che numerica. Per la realizzazione dell'interfaccia sono state adottate tecniche di ingegneria del software, con particolare enfasi alla interazione uomo-macchina e seguendo criteri di usability, al fine di consentire un corretto utilizzo dello strumento anche da parte di personale senza conoscenza in campo informatico.

New target tracking and monitoring guidance laws for UAV

A pursuer UAV tracking and loitering around a target is the problem analyzed in this thesis. The UAV is assumed to be a fixed-wing vehicle and constant airspeed together with bounded lateral accelerations are the main constraints of the problem. Three different guidance laws are designed for ensuring a continuos overfly on the target. Different proofs are presented to demonstrate the stability properties of the laws. All the algorithms are tested on a 6DoF Pioneer software simulator. Classic control design methods have been adopted to develop autopilots for implementig the simulation platform used for testing the guidance laws.

Utilizzo del Software OpenStack per la realizzazione di Piattaforme "Cloud"

Il Cloud computing è probabilmente l'argomento attualmente più dibattuto nel mondo dell'Information and Communication Technology (ICT). La diffusione di questo nuovo modo di concepire l'erogazione di servizi IT, è l'evoluzione di una serie di tecnologie che stanno rivoluzionando le modalit à in cui le organizzazioni costruiscono le proprie infrastrutture informatiche. I vantaggi che derivano dall'utilizzo di infrastrutture di Cloud Computing sono ad esempio un maggiore controllo sui servizi, sulla struttura dei costi e sugli asset impiegati. I costi sono proporzionati all'eettivo uso dei servizi (pay-per-use), evitando dunque gli sprechi e rendendo più efficiente il sistema di sourcing. Diverse aziende hanno già cominciato a provare alcuni servizi cloud e molte altre stanno valutando l'inizio di un simile percorso. La prima organizzazione a fornire una piattaforma di cloud computing fu Amazon, grazie al suo Elastic Computer Cloud (EC2). Nel luglio del 2010 nasce OpenStack, un progetto open-source creato dalla fusione dei codici realizzati dall'agenzia governativa della Nasa[10] e dell'azienda statunitense di hosting Rackspace. Il software realizzato svolge le stesse funzioni di quello di Amazon, a differenza di questo, però, è stato rilasciato con licenza Apache, quindi nessuna restrizione di utilizzo e di implementazione. Oggi il progetto Openstack vanta di numerose aziende partner come Dell, HP, IBM, Cisco, e Microsoft. L'obiettivo del presente elaborato è quello di comprendere ed analizzare il funzionamento del software OpenStack. Il fine principale è quello di familiarizzare con i diversi componenti di cui è costituito e di concepire come essi interagiscono fra loro, per poter costruire infrastrutture cloud del tipo Infrastructure as a service (IaaS). Il lettore si troverà di fronte all'esposizione degli argomenti organizzati nei seguenti capitoli. Nel primo capitolo si introduce la definizione di cloud computing, trattandone le principali caratteristiche, si descrivono poi, i diversi modelli di servizio e di distribuzione, delineando vantaggi e svantaggi che ne derivano. Nel secondo capitolo due si parla di una delle tecnologie impiegate per la realizzazione di infrastrutture di cloud computing, la virtualizzazione. Vengono trattate le varie forme e tipologie di virtualizzazione. Nel terzo capitolo si analizza e descrive in dettaglio il funzionamento del progetto OpenStack. Per ogni componente del software, viene illustrata l'architettura, corredata di schemi, ed il relativo meccanismo. Il quarto capitolo rappresenta la parte relativa all'installazione del software e alla configurazione dello stesso. Inoltre si espongono alcuni test effettuati sulla macchina in cui è stato installato il software. Infine nel quinto capitolo si trattano le conclusioni con le considerazioni sugli obiettivi raggiunti e sulle caratteristiche del software preso in esame.

Riconoscimento di gesti: estensione a movimenti fini su spazi limitati. Teoria e implementazione

Riconoscere un gesto, tracciarlo ed identificarlo è una operazione complessa ed articolata. Negli ultimi anni, con l’avvento massivo di interfacce interattive sempre più sofisticate, si sono ampliati gli approcci nell’interazione tra uomo e macchina. L’obiettivo comune, è quello di avere una comunicazione “trasparente” tra l’utente e il computer, il quale, deve interpretare gesti umani tramite algoritmi matematici. Il riconoscimento di gesti è un modo per iniziare a comprendere il linguaggio del corpo umano da parte della macchina. Questa disciplina, studia nuovi modi di interazione tra questi due elementi e si compone di due macro obiettivi : (a) tracciare i movimenti di un particolare arto; (b) riconoscere tale tracciato come un gesto identificativo. Ognuno di questi due punti, racchiude in sé moltissimi ambiti di ricerca perché moltissimi sono gli approcci proposti negli anni. Non si tratta di semplice cattura dell’immagine, è necessario creare un supporto, a volte molto articolato, nel quale i dati grezzi provenienti dalla fotocamera, necessitano di filtraggi avanzati e trattamenti algoritmici, in modo tale da trasformare informazioni grezze, in dati utilizzabili ed affidabili. La tecnologia riguardo la gesture recognition è rilevante come l’introduzione delle interfacce tattili sui telefoni intelligenti. L’industria oggi ha iniziato a produrre dispositivi in grado di offrire una nuova esperienza, la più naturale possibile, agli utenti. Dal videogioco, all’esperienza televisiva gestita con dei piccoli gesti, all’ambito biomedicale, si sta introducendo una nuova generazione di dispositivi i cui impieghi sono innumerevoli e, per ogni ambito applicativo, è necessario studiare al meglio le peculiarità, in modo tale da produrre un qualcosa di nuovo ed efficace. Questo lavoro di tesi ha l’obiettivo di apportare un contributo a questa disciplina. Ad oggi, moltissime applicazioni e dispositivi associati, si pongono l’obiettivo di catturare movimenti ampi: il gesto viene eseguito con la maggior parte del corpo e occupa una posizione spaziale rilevante. Questa tesi vuole proporre invece un approccio, nel quale i movimenti da seguire e riconoscere sono fatti “nel piccolo”. Si avrà a che fare con gesti classificati fini, dove i movimenti delle mani sono compiuti davanti al corpo, nella zona del torace, ad esempio. Gli ambiti applicativi sono molti, in questo lavoro si è scelto ed adottato l’ambito artigianale.

Riconoscimento di gesti: estensione a più punti del corpo e ad attori multipli

Negli ultimi anni si è assistito ad una radicale rivoluzione nell’ambito dei dispositivi di interazione uomo-macchina. Da dispositivi tradizionali come il mouse o la tastiera si è passati allo sviluppo di nuovi sistemi capaci di riconoscere i movimenti compiuti dall’utente (interfacce basate sulla visione o sull’uso di accelerometri) o rilevare il contatto (interfacce di tipo touch). Questi sistemi sono nati con lo scopo di fornire maggiore naturalezza alla comunicazione uomo-macchina. Le nuove interfacce sono molto più espressive di quelle tradizionali poiché sfruttano le capacità di comunicazione naturali degli utenti, su tutte il linguaggio gestuale. Essere in grado di riconoscere gli esseri umani, in termini delle azioni che stanno svolgendo o delle posture che stanno assumendo, apre le porte a una serie vastissima di interessanti applicazioni. Ad oggi sistemi di riconoscimento delle parti del corpo umano e dei gesti sono ampiamente utilizzati in diversi ambiti, come l’interpretazione del linguaggio dei segni, in robotica per l’assistenza sociale, per indica- re direzioni attraverso il puntamento, nel riconoscimento di gesti facciali [1], interfacce naturali per computer (valida alternativa a mouse e tastiera), ampliare e rendere unica l’esperienza dei videogiochi (ad esempio Microsoft 1 Introduzione Kinect© e Nintendo Wii©), nell’affective computing1 . Mostre pubbliche e musei non fanno eccezione, assumendo un ruolo cen- trale nel coadiuvare una tecnologia prettamente volta all’intrattenimento con la cultura (e l’istruzione). In questo scenario, un sistema HCI deve cercare di coinvolgere un pubblico molto eterogeneo, composto, anche, da chi non ha a che fare ogni giorno con interfacce di questo tipo (o semplicemente con un computer), ma curioso e desideroso di beneficiare del sistema. Inoltre, si deve tenere conto che un ambiente museale presenta dei requisiti e alcune caratteristiche distintive che non possono essere ignorati. La tecnologia immersa in un contesto tale deve rispettare determinati vincoli, come: - non può essere invasiva; - deve essere coinvolgente, senza mettere in secondo piano gli artefatti; - deve essere flessibile; - richiedere il minor uso (o meglio, la totale assenza) di dispositivi hardware. In questa tesi, considerando le premesse sopracitate, si presenta una sistema che può essere utilizzato efficacemente in un contesto museale, o in un ambiente che richieda soluzioni non invasive. Il metodo proposto, utilizzando solo una webcam e nessun altro dispositivo personalizzato o specifico, permette di implementare i servizi di: (a) rilevamento e (b) monitoraggio dei visitatori, (c) riconoscimento delle azioni.

Cooperative teleoperation systems

This thesis deals with the studies on the Cooperative Teleoperation Systems. The literature on cooperative teleoperation did not take into account control architectures composed of pairs of wave-based bilateral teleoperators operating in a shared environment. In this work The author two cooperative control schemes based on wave variables by considering two pairs of single-master/single-slave devices collaborating to carry out operations in a shared remote environment are proposed. Such architectures have been validated both with simulations and experimental tests. Ch. 2 introduces a description of the two control architectures proposed and presents some simulation results where the cooperative teleoperation systems evolve in free space and in contact with a stiff wall. In the Ch. 3 some experimental results which confirm the positive results of the control schemes are illustred. Such results have been achieved by using a prototype custom built at Laboratory of Automaiton and Robotics of University of Bologna, which is also illustrated in this chapter. In Ch. 4 the problem of defining proper tools and procedures for an analysis, and possibly a comparison, of the performances of cooperative teleoperation systems is addressed. In particular, a novel generalization of criteria adopted for classical (i.e. one master-one slave) teleoperators is presented and illustrated on the basis of the force-position and the position-position cooperative control schemes proposed in Ch. 2, both from a transparency and stability point of view, and by assuming a null time delay in the communication channel.

Decomposition and reformulation of integer linear programming problems

This thesis deals with an investigation of Decomposition and Reformulation to solve Integer Linear Programming Problems. This method is often a very successful approach computationally, producing high-quality solutions for well-structured combinatorial optimization problems like vehicle routing, cutting stock, p-median and generalized assignment . However, until now the method has always been tailored to the specific problem under investigation. The principal innovation of this thesis is to develop a new framework able to apply this concept to a generic MIP problem. The new approach is thus capable of auto-decomposition and autoreformulation of the input problem applicable as a resolving black box algorithm and works as a complement and alternative to the normal resolving techniques. The idea of Decomposing and Reformulating (usually called in literature Dantzig and Wolfe Decomposition DWD) is, given a MIP, to convexify one (or more) subset(s) of constraints (slaves) and working on the partially convexified polyhedron(s) obtained. For a given MIP several decompositions can be defined depending from what sets of constraints we want to convexify. In this thesis we mainly reformulate MIPs using two sets of variables: the original variables and the extended variables (representing the exponential extreme points). The master constraints consist of the original constraints not included in any slaves plus the convexity constraint(s) and the linking constraints(ensuring that each original variable can be viewed as linear combination of extreme points of the slaves). The solution procedure consists of iteratively solving the reformulated MIP (master) and checking (pricing) if a variable of reduced costs exists, and in which case adding it to the master and solving it again (columns generation), or otherwise stopping the procedure. The advantage of using DWD is that the reformulated relaxation gives bounds stronger than the original LP relaxation, in addition it can be incorporated in a Branch and bound scheme (Branch and Price) in order to solve the problem to optimality. If the computational time for the pricing problem is reasonable this leads in practice to a stronger speed up in the solution time, specially when the convex hull of the slaves is easy to compute, usually because of its special structure.

On the Design of a Boolean-network Robot Swarm: Collective Recognition of Ground Patterns.

Uno dei principali ambiti di ricerca dell’intelligenza artificiale concerne la realizzazione di agenti (in particolare, robot) in grado di aiutare o sostituire l’uomo nell’esecuzione di determinate attività. A tal fine, è possibile procedere seguendo due diversi metodi di progettazione: la progettazione manuale e la progettazione automatica. Quest’ultima può essere preferita alla prima nei contesti in cui occorra tenere in considerazione requisiti quali flessibilità e adattamento, spesso essenziali per lo svolgimento di compiti non banali in contesti reali. La progettazione automatica prende in considerazione un modello col quale rappresentare il comportamento dell’agente e una tecnica di ricerca (oppure di apprendimento) che iterativamente modifica il modello al fine di renderlo il più adatto possibile al compito in esame. In questo lavoro, il modello utilizzato per la rappresentazione del comportamento del robot è una rete booleana (Boolean network o Kauffman network). La scelta di tale modello deriva dal fatto che possiede una semplice struttura che rende agevolmente studiabili le dinamiche tuttavia complesse che si manifestano al suo interno. Inoltre, la letteratura recente mostra che i modelli a rete, quali ad esempio le reti neuronali artificiali, si sono dimostrati efficaci nella programmazione di robot. La metodologia per l’evoluzione di tale modello riguarda l’uso di tecniche di ricerca meta-euristiche in grado di trovare buone soluzioni in tempi contenuti, nonostante i grandi spazi di ricerca. Lavori precedenti hanno gia dimostrato l’applicabilità e investigato la metodologia su un singolo robot. Lo scopo di questo lavoro è quello di fornire prova di principio relativa a un insieme di robot, aprendo nuove strade per la progettazione in swarm robotics. In questo scenario, semplici agenti autonomi, interagendo fra loro, portano all’emergere di un comportamento coordinato adempiendo a task impossibili per la singola unità. Questo lavoro fornisce utili ed interessanti opportunità anche per lo studio delle interazioni fra reti booleane. Infatti, ogni robot è controllato da una rete booleana che determina l’output in funzione della propria configurazione interna ma anche dagli input ricevuti dai robot vicini. In questo lavoro definiamo un task in cui lo swarm deve discriminare due diversi pattern sul pavimento dell’arena utilizzando solo informazioni scambiate localmente. Dopo una prima serie di esperimenti preliminari che hanno permesso di identificare i parametri e il migliore algoritmo di ricerca, abbiamo semplificato l’istanza del problema per meglio investigare i criteri che possono influire sulle prestazioni. E’ stata così identificata una particolare combinazione di informazione che, scambiata localmente fra robot, porta al miglioramento delle prestazioni. L’ipotesi è stata confermata applicando successivamente questo risultato ad un’istanza più difficile del problema. Il lavoro si conclude suggerendo nuovi strumenti per lo studio dei fenomeni emergenti in contesti in cui le reti booleane interagiscono fra loro.

Progettazione robusta di un motore Stirling

Descrizione dell'applicazione di tecniche di progettazione robusta, robust design, ad un motore Stirling per generazione di corrente elettrica. La progettazione robusta è una tecnica che permette lo sviluppo di prodotti cercando di minimizzare gli effetti negativi dovuti a variazioni inaspettate nei parametri di progetto, interessante, quindi, perchè in ambito industriale accade spesso che i valori nominali dei parametri per cui si progetta un dispositivo od una macchina siano diversi da quelli che si presentano nel suo reale funzionamento.

Towards model driven software development for Arduino platforms: a DSL and automatic code generation

La tesi ha lo scopo di esplorare la produzione di sistemi software per Embedded Systems mediante l'utilizzo di tecniche relative al mondo del Model Driven Software Development. La fase più importante dello sviluppo sarà la definizione di un Meta-Modello che caratterizza i concetti fondamentali relativi agli embedded systems. Tale modello cercherà di astrarre dalla particolare piattaforma utilizzata ed individuare quali astrazioni caratterizzano il mondo degli embedded systems in generale. Tale meta-modello sarà quindi di tipo platform-independent. Per la generazione automatica di codice è stata adottata una piattaforma di riferimento, cioè Arduino. Arduino è un sistema embedded che si sta sempre più affermando perché coniuga un buon livello di performance ed un prezzo relativamente basso. Tale piattaforma permette lo sviluppo di sistemi special purpose che utilizzano sensori ed attuatori di vario genere, facilmente connessi ai pin messi a disposizione. Il meta-modello definito è un'istanza del meta-metamodello MOF, definito formalmente dall'organizzazione OMG. Questo permette allo sviluppatore di pensare ad un sistema sotto forma di modello, istanza del meta-modello definito. Un meta-modello può essere considerato anche come la sintassi astratta di un linguaggio, quindi può essere definito da un insieme di regole EBNF. La tecnologia utilizzata per la definizione del meta-modello è stata Xtext: un framework che permette la scrittura di regole EBNF e che genera automaticamente il modello Ecore associato al meta-modello definito. Ecore è l'implementazione di EMOF in ambiente Eclipse. Xtext genera inoltre dei plugin che permettono di avere un editor guidato dalla sintassi, definita nel meta-modello. La generazione automatica di codice è stata realizzata usando il linguaggio Xtend2. Tale linguaggio permette di esplorare l'Abstract Syntax Tree generato dalla traduzione del modello in Ecore e di generare tutti i file di codice necessari. Il codice generato fornisce praticamente tutta la schematic part dell'applicazione, mentre lascia all'application designer lo sviluppo della business logic. Dopo la definizione del meta-modello di un sistema embedded, il livello di astrazione è stato spostato più in alto, andando verso la definizione della parte di meta-modello relativa all'interazione di un sistema embedded con altri sistemi. Ci si è quindi spostati verso un ottica di Sistema, inteso come insieme di sistemi concentrati che interagiscono. Tale difinizione viene fatta dal punto di vista del sistema concentrato di cui si sta definendo il modello. Nella tesi viene inoltre introdotto un caso di studio che, anche se abbastanza semplice, fornisce un esempio ed un tutorial allo sviluppo di applicazioni mediante l'uso del meta-modello. Ci permette inoltre di notare come il compito dell'application designer diventi piuttosto semplice ed immediato, sempre se basato su una buona analisi del problema. I risultati ottenuti sono stati di buona qualità ed il meta-modello viene tradotto in codice che funziona correttamente.

The cutting stock problem in the wood industry

This thesis proposes a solution for board cutting in the wood industry with the aim of usage minimization and machine productivity. The problem is dealt with as a Two-Dimensional Cutting Stock Problem and specific Combinatorial Optimization methods are used to solve it considering the features of the real problem.

Tecniche di riconoscimento del volto da identikit

La vera identità di un individuo è un'informazione molto preziosa. In generale le persone non hanno particolari remore a rivelare la propria identità e il riconoscimento non rappresenta un problema; l'unica motivazione che può portare un individuo a nascondere la propria identità è l'elusione dei rilevamenti delle forze dell'ordine per un certo tipo di attività criminale. In questi casi, risulta difficile procedere al riconoscimento attraverso caratteristiche biometriche come iride o impronte digitali, in quanto la loro acquisizione presuppone un certo grado di collaborazione da parte del soggetto. Il volto, invece, può essere ottenuto in modo segreto, non solo attraverso le ben note telecamere di videosorveglianza ma anche attraverso la ricostruzione fornita da un eventuale testimone oculare che assiste all'evento criminoso. Quest'ultimo, attraverso la descrizione verbale del sospettato e con l'ausilio delle capacità di un disegnatore, fornisce un contributo per la costruzione di un identikit o sketch del soggetto, favorendo quindi il processo di individuazione dell'identità del malvivente. Solitamente, una volta prodotto lo sketch, si effettua un confronto visivo con le fotografie segnaletiche già in possesso degli inquirenti e memorizzate all'interno di un'ipotetica banca dati. Tale confronto viene eseguito 'manualmente' da persone incaricate, comportando un inevitabile spreco di tempo; dotarsi di un sistema automatico in grado di ricercare la foto del sospettato più somigliante allo sketch a partire da quelle presenti all'interno di un database potrebbe aiutare le forze di polizia in una più celere individuazione del colpevole. Purtroppo, i metodi presenti allo stato dell'arte sul riconoscimento facciale non consentono un confronto diretto: fotografia e disegno sono due rappresentazioni del volto molto differenti in termini di ricchezza di dettagli e tessitura e pertanto non direttamente confrontabili. L'obiettivo del progetto di tesi è quello di esplorare una nuova strategia di valutazione automatica della similarità tra uno sketch e una fotografia consistente principalmente in un'analisi della conformazione dei volti, mediante estrazione dei contorni e calcolo di apposite feature.

Algorithms for UAS insertion in civil air space

One of the most interesting challenge of the next years will be the Air Space Systems automation. This process will involve different aspects as the Air Traffic Management, the Aircrafts and Airport Operations and the Guidance and Navigation Systems. The use of UAS (Uninhabited Aerial System) for civil mission will be one of the most important steps in this automation process. In civil air space, Air Traffic Controllers (ATC) manage the air traffic ensuring that a minimum separation between the controlled aircrafts is always provided. For this purpose ATCs use several operative avoidance techniques like holding patterns or rerouting. The use of UAS in these context will require the definition of strategies for a common management of piloted and piloted air traffic that allow the UAS to self separate. As a first employment in civil air space we consider a UAS surveillance mission that consists in departing from a ground base, taking pictures over a set of mission targets and coming back to the same ground base. During all mission a set of piloted aircrafts fly in the same airspace and thus the UAS has to self separate using the ATC avoidance as anticipated. We consider two objective, the first consists in the minimization of the air traffic impact over the mission, the second consists in the minimization of the impact of the mission over the air traffic. A particular version of the well known Travelling Salesman Problem (TSP) called Time-Dependant-TSP has been studied to deal with traffic problems in big urban areas. Its basic idea consists in a cost of the route between two clients depending on the period of the day in which it is crossed. Our thesis supports that such idea can be applied to the air traffic too using a convenient time horizon compatible with aircrafts operations. The cost of a UAS sub-route will depend on the air traffic that it will meet starting such route in a specific moment and consequently on the avoidance maneuver that it will use to avoid that conflict. The conflict avoidance is a topic that has been hardly developed in past years using different approaches. In this thesis we purpose a new approach based on the use of ATC operative techniques that makes it possible both to model the UAS problem using a TDTSP framework both to use an Air Traffic Management perspective. Starting from this kind of mission, the problem of the UAS insertion in civil air space is formalized as the UAS Routing Problem (URP). For this reason we introduce a new structure called Conflict Graph that makes it possible to model the avoidance maneuvers and to define the arc cost function of the departing time. Two Integer Linear Programming formulations of the problem are proposed. The first is based on a TDTSP formulation that, unfortunately, is weaker then the TSP formulation. Thus a new formulation based on a TSP variation that uses specific penalty to model the holdings is proposed. Different algorithms are presented: exact algorithms, simple heuristics used as Upper Bounds on the number of time steps used, and metaheuristic algorithms as Genetic Algorithm and Simulated Annealing. Finally an air traffic scenario has been simulated using real air traffic data in order to test our algorithms. Graphic Tools have been used to represent the Milano Linate air space and its air traffic during different days. Such data have been provided by ENAV S.p.A (Italian Agency for Air Navigation Services).