Il contributo del telerilevamento multi ed iperspettrale per la caratterizzazione del territorio e la sostenibilità ambientale

L’evoluzione dei sensori multispettrali e la prospettiva di sviluppo dei sensori iperspettrali nel campo del telerilevamento ottico offrono nuovi strumenti per l’indagine del territorio e rinnovano la necessità di ridefinire potenzialità, limiti e accuratezza delle metodologie tradizionali. Nel caso delle immagini iperspettrali, in particolare, l’elevatissima risoluzione spettrale apre nuove possibilità di sviluppo di modelli fisicamente basati per correlare grandezze radiometriche con indicatori fisico-chimici caratteristici delle superfici osservate, a prezzo però di maggiori oneri nella gestione del dato. Il presente lavoro mira appunto ad esaminare, per alcune applicazioni di carattere ambientale e attraverso casi di studio specifici, le criticità del problema del rilevamento da remoto nel suo complesso: dai problemi di correzione radiometrica delle immagini, all'acquisizione di dati di calibrazione sul campo, infine all'estrazione delle informazioni di interesse dal dato telerilevato. A tal fine sono stati sperimentati diversi modelli di trasferimento radiativo ed è stata sviluppata un’interfaccia per la gestione del modello 6SV. Per quest’ultimo sono state inoltre sviluppate routine specifiche per il supporto dei sensori Hyperion e World View 2. La ricerca svolta intende quindi offrire un contributo alla definizione di procedure operative ripetibili, per alcune applicazioni intimamente connesse all’indagine conoscitiva ed al monitoraggio dei processi in atto sul territorio. Nello specifico, si è scelto il caso di studio dell’oasi del Fayyum, in Egitto, per valutare il contenuto informativo delle immagini satellitari sotto tre diversi profili, soltanto in apparenza distinti: la classificazione della litologia superficiale, la valutazione dello stato di qualità delle acque ed il monitoraggio delle opere di bonifica. Trattandosi di un’oasi, le aree coltivate del Fayyum sono circondate dai suoli aridi del deserto libico. La mancanza di copertura vegetale rappresenta una condizione privilegiata per l’osservazione della litologia superficiale da remoto, auspicabile anche per la scarsa accessibilità di alcune aree. Il fabbisogno idrico dell’oasi è garantito dall’apporto di acque del fiume Nilo attraverso una rete di irrigazione che ha, come recettore finale, il lago Qarun, situato nella porzione più depressa dell’oasi. Questo lago, privo di emissari, soffre enormi problemi di salinizzazione, visto il clima iper-arido in cui si trova, e di inquinamento da fertilizzanti agricoli. Il problema della sostenibilità ambientale dello sfruttamento agricolo intensivo dell’oasi è un problema di deterioramento della qualità dell’acqua e della qualità dei suoli. È un problema che richiede una adeguata conoscenza del contesto geologico in cui questi terreni sono inseriti ed una capacità di monitoraggio degli interventi di bonifica ed estensione delle coltivazioni in atto; entrambe conoscenze necessarie alla definizione di un piano di sviluppo economico sostenibile. Con l’intento di contribuire ad una valutazione delle effettive potenzialità del telerilevamento come strumento di informazione territoriale, sono state sperimentate tecniche di classificazione di immagini multispettrali ASTER ed iperspettrali Hyperion di archivio per discriminare la litologia superficiale sulle aree adiacenti al lago Qarun nell’oasi del Fayyum. Le stesse immagini Hyperion di archivio più altre appositamente acquisite sono state utilizzate, assieme ad immagini multispettrali ALI, per la valutazione qualitativa e quantitativa di parametri di qualità delle acque, attraverso l’applicazione di modelli empirici di correlazione. Infine, per valutare l’ipotesi che il deterioramento della qualità delle acque possa essere correlato ai processi di bonifica ed estensione delle coltivazioni in atto negli ultimi decenni, le immagini dell’archivio Landsat sono state utilizzate per analisi di change detection. Per quanto riguarda il problema della validazione dei risultati, si è fatto uso di alcuni dati di verità a terra acquisiti nel corso di un survey preliminare effettuato nell’Ottobre 2010. I campioni di roccia prelevati e le misure di conducibilità elettrica delle acque del lago, benché in numero estremamente limitato per la brevità della missione e le ovvie difficoltà logistiche, consentono alcune valutazioni preliminari sui prodotti ottenuti dalle elaborazioni. Sui campioni di roccia e sabbie sciolte, in particolare, sono state effettuate misure di riflettività in laboratorio ed analisi mineralogiche dettagliate. Per la valutazione della qualità delle acque, più precisamente delle concentrazioni di clorofilla, la metodologia utilizzata per il caso di studio egiziano è stata applicata anche sul tratto costiero adriatico antistante le foci dei fiumi Tronto e Salinello. In questo sito sono state effettuate misure in situ di conducibilità elettrica ed il prelievo di campioni di acqua per la determinazione in laboratorio delle concentrazioni di clorofilla. I risultati ottenuti hanno evidenziato le potenzialità offerte dall’informazione spettrale contenuta nelle immagini satellitari e consentono l’individuazione di alcune pratiche operative. D’altro canto hanno anche messo in luce le carenze dei modelli attualmente esistenti, nonché le criticità legate alla correzione atmosferica delle grandezze radiometriche rilevate.

Convertitori di potenza multi-sorgente per applicazioni di energy harvesting

L’obiettivo di questa tesi è stato lo svilippo di un convertitore di potenza per applicazioni di energy harvesting in grado di convogliare l’energia estratta da diversi tipi di trasduttori di grandezze ambientali in un unico dispositivo di storage, ad es. un condensatore, utilizzabile per alimentare circuiti a basso consumo. L’idea di base è stata quella di ottimizzare il trasferimento di energia, attraverso una rete logica in grado di gestire le priorità di conversione dalle diverse tipologie di sorgenti e grazie ad una implementazione di un algoritmo di Maximum Power Point Tracking. In base alle specifiche di progetto, in una prima fase è stata sviluppata la rete a livello funzionale, poi sono stati scelti i componenti più opportuni ed infine si è verificato il funzionamento attraverso simulazioni circuitali.

Nonlinear Control Strategies for Cooperative Control of Multi-Robot Systems

This thesis deals with distributed control strategies for cooperative control of multi-robot systems. Specifically, distributed coordination strategies are presented for groups of mobile robots. The formation control problem is initially solved exploiting artificial potential fields. The purpose of the presented formation control algorithm is to drive a group of mobile robots to create a completely arbitrarily shaped formation. Robots are initially controlled to create a regular polygon formation. A bijective coordinate transformation is then exploited to extend the scope of this strategy, to obtain arbitrarily shaped formations. For this purpose, artificial potential fields are specifically designed, and robots are driven to follow their negative gradient. Artificial potential fields are then subsequently exploited to solve the coordinated path tracking problem, thus making the robots autonomously spread along predefined paths, and move along them in a coordinated way. Formation control problem is then solved exploiting a consensus based approach. Specifically, weighted graphs are used both to define the desired formation, and to implement collision avoidance. As expected for consensus based algorithms, this control strategy is experimentally shown to be robust to the presence of communication delays. The global connectivity maintenance issue is then considered. Specifically, an estimation procedure is introduced to allow each agent to compute its own estimate of the algebraic connectivity of the communication graph, in a distributed manner. This estimate is then exploited to develop a gradient based control strategy that ensures that the communication graph remains connected, as the system evolves. The proposed control strategy is developed initially for single-integrator kinematic agents, and is then extended to Lagrangian dynamical systems.

Multi Processor Systems On Chip with Configurable Hardware Acceleration

The evolution of the electronics embedded applications forces electronics systems designers to match their ever increasing requirements. This evolution pushes the computational power of digital signal processing systems, as well as the energy required to accomplish the computations, due to the increasing mobility of such applications. Current approaches used to match these requirements relies on the adoption of application specific signal processors. Such kind of devices exploits powerful accelerators, which are able to match both performance and energy requirements. On the other hand, the too high specificity of such accelerators often results in a lack of flexibility which affects non-recurrent engineering costs, time to market, and market volumes too. The state of the art mainly proposes two solutions to overcome these issues with the ambition of delivering reasonable performance and energy efficiency: reconfigurable computing and multi-processors computing. All of these solutions benefits from the post-fabrication programmability, that definitively results in an increased flexibility. Nevertheless, the gap between these approaches and dedicated hardware is still too high for many application domains, especially when targeting the mobile world. In this scenario, flexible and energy efficient acceleration can be achieved by merging these two computational paradigms, in order to address all the above introduced constraints. This thesis focuses on the exploration of the design and application spectrum of reconfigurable computing, exploited as application specific accelerators for multi-processors systems on chip. More specifically, it introduces a reconfigurable digital signal processor featuring a heterogeneous set of reconfigurable engines, and a homogeneous multi-core system, exploiting three different flavours of reconfigurable and mask-programmable technologies as implementation platform for applications specific accelerators. In this work, the various trade-offs concerning the utilization multi-core platforms and the different configuration technologies are explored, characterizing the design space of the proposed approach in terms of programmability, performance, energy efficiency and manufacturing costs.

Design and implementation of a novel multi-constellation FPGA-based dual frequency GNSS receiver for space applications

The PhD activity described in the document is part of the Microsatellite and Microsystem Laboratory of the II Faculty of Engineering, University of Bologna. The main objective is the design and development of a GNSS receiver for the orbit determination of microsatellites in low earth orbit. The development starts from the electronic design and goes up to the implementation of the navigation algorithms, covering all the aspects that are involved in this type of applications. The use of GPS receivers for orbit determination is a consolidated application used in many space missions, but the development of the new GNSS system within few years, such as the European Galileo, the Chinese COMPASS and the Russian modernized GLONASS, proposes new challenges and offers new opportunities to increase the orbit determination performances. The evaluation of improvements coming from the new systems together with the implementation of a receiver that is compatible with at least one of the new systems, are the main activities of the PhD. The activities can be divided in three section: receiver requirements definition and prototype implementation, design and analysis of the GNSS signal tracking algorithms, and design and analysis of the navigation algorithms. The receiver prototype is based on a Virtex FPGA by Xilinx, and includes a PowerPC processor. The architecture follows the software defined radio paradigm, so most of signal processing is performed in software while only what is strictly necessary is done in hardware. The tracking algorithms are implemented as a combination of Phase Locked Loop and Frequency Locked Loop for the carrier, and Delay Locked Loop with variable bandwidth for the code. The navigation algorithm is based on the extended Kalman filter and includes an accurate LEO orbit model.

Utilizzo di dispositivi isteretici per l'isolamento di piano: strategie per una progettazione sismica di tipo multi-prestazionale

Con la presente tesi si è inteso studiare le possibilità applicative di una particolare tipologia strutturale dotata di isolamento sismico “di piano”, intendendosi con ciò una struttura in cui l'intero piano terra, tramite l'inserimento di opportuni elementi dissipativi isteretici ed in analogia al consueto isolamento sismico di base, agisce da “strato” di protezione passiva per i piani sovrastanti. A riguardo, fra le possibili soluzioni per realizzare effettivamente tale isolamento "di piano" è stata considerata la disposizione di particolari elementi dissipativi isteretici di controvento detti Crecent-Shaped Braces, caratterizzati da una forma bilatera o curva, tale comunque da presentare un'eccentricità non nulla fra l'asse del controvento stesso e la linea congiungente gli estremi.

Heuristic algorithms for the Capacitated Location-Routing Problem and the Multi-Depot Vehicle Routing Problem

The Capacitated Location-Routing Problem (CLRP) is a NP-hard problem since it generalizes two well known NP-hard problems: the Capacitated Facility Location Problem (CFLP) and the Capacitated Vehicle Routing Problem (CVRP). The Multi-Depot Vehicle Routing Problem (MDVRP) is known to be a NP-hard since it is a generalization of the well known Vehicle Routing Problem (VRP), arising with one depot. This thesis addresses heuristics algorithms based on the well-know granular search idea introduced by Toth and Vigo (2003) to solve the CLRP and the MDVRP. Extensive computational experiments on benchmark instances for both problems have been performed to determine the effectiveness of the proposed algorithms. This work is organized as follows: Chapter 1 describes a detailed overview and a methodological review of the literature for the the Capacitated Location-Routing Problem (CLRP) and the Multi-Depot Vehicle Routing Problem (MDVRP). Chapter 2 describes a two-phase hybrid heuristic algorithm to solve the CLRP. Chapter 3 shows a computational comparison of heuristic algorithms for the CLRP. Chapter 4 presents a hybrid granular tabu search approach for solving the MDVRP.

Advanced Beamforming for Distributed and Multi-Beam Networks

Beamforming entails joint processing of multiple signals received or transmitted by an array of antennas. This thesis addresses the implementation of beamforming in two distinct systems, namely a distributed network of independent sensors, and a broad-band multi-beam satellite network. With the rising popularity of wireless sensors, scientists are taking advantage of the flexibility of these devices, which come with very low implementation costs. Simplicity, however, is intertwined with scarce power resources, which must be carefully rationed to ensure successful measurement campaigns throughout the whole duration of the application. In this scenario, distributed beamforming is a cooperative communication technique, which allows nodes in the network to emulate a virtual antenna array seeking power gains in the order of the size of the network itself, when required to deliver a common message signal to the receiver. To achieve a desired beamforming configuration, however, all nodes in the network must agree upon the same phase reference, which is challenging in a distributed set-up where all devices are independent. The first part of this thesis presents new algorithms for phase alignment, which prove to be more energy efficient than existing solutions. With the ever-growing demand for broad-band connectivity, satellite systems have the great potential to guarantee service where terrestrial systems can not penetrate. In order to satisfy the constantly increasing demand for throughput, satellites are equipped with multi-fed reflector antennas to resolve spatially separated signals. However, incrementing the number of feeds on the payload corresponds to burdening the link between the satellite and the gateway with an extensive amount of signaling, and to possibly calling for much more expensive multiple-gateway infrastructures. This thesis focuses on an on-board non-adaptive signal processing scheme denoted as Coarse Beamforming, whose objective is to reduce the communication load on the link between the ground station and space segment.

Il filo di Arianna - Una ricerca multi ed interdisciplinare per il superamento degli handicap che la x fragile propone

Il seguente lavoro di tesi verte sulla ricerca-azione formazione triennale “Il Filo di Arianna” realizzata in convenzione tra Associazione Italiana Sindrome X Fragile e Dipartimento Di Scienze dell’Educazione – Università di Bologna, finalizzata alla superamento degli handicap che la X fragile propone. La ricerca ha un fuoco in Pedagogia Speciale e un carattere multidisciplinare e inter istituzionale grazie alla sinergia con l’area neuroriabilitativa (Istituto di Ricovero e Cura a Carattere Scientifico (IRCCS) San Raffaele Pisana di Roma) e l’area della Psicologia Clinica (Ospedale Bambin Gesù di Roma). Il lavoro di tesi descrive il percorso per giungere alle linee guida di intervento scaturite dalla ricerca, per il potenziamento cognitivo ed affettivo di bambini e persone con x fragile nei contesti di casa, scuola e tempo libero.

Il framework phonegap: sviluppo app multi-piattaforma

Questo elaborato descrive in modo approfondito la natura e lo sviluppo di applicazioni mediante PhoneGap. Lo sviluppo web e lo sviluppo nativo oltre a una breve introduzione ad altri interessanti tools di sviluppo cross-platform

Influence of cladding on robustness of multi-storey buildings

In this dissertation the influence of a precast concrete cladding system on structural robustness of a multi-storey steel-composite building is studied. The analysis follows the well-established framework developed at Imperial College London for the appraisal of robustness of multi-storey buildings. For this scope a simplified nonlinear model of a typical precast concrete façade-system is developed. Particular attention is given to the connection system between structural frame and panel, recognised as the driving component of the nonlinear behaviour of the façade-system. Only connections involved in the gravity load path are evaluated (bearing connections). Together with standard connection, a newly proposed system (Slotted Bearing Connection) is designed to achieve a more ductile behaviour of the panel-connection system. A parametric study involving the dimensions of panel-connection components is developed to search for an optimal configuration of the bearing connection. From the appraisal of structural robustness of the panelised frame it is found that the standard connection systems may reduce the robustness of a multi-storey frame due to a poor ductile behaviour while the newly proposed connection is able to guarantee an enhanced response to the panelised multi-storey frame thanks to a higher ductility.

A numerical methodology for the multi-objective optimization of the DI Diesel engine combustion

DI Diesel engine are widely used both for industrial and automotive applications due to their durability and fuel economy. Nonetheless, increasing environmental concerns force that type of engine to comply with increasingly demanding emission limits, so that, it has become mandatory to develop a robust design methodology of the DI Diesel combustion system focused on reduction of soot and NOx simultaneously while maintaining a reasonable fuel economy. In recent years, genetic algorithms and CFD three-dimensional combustion simulations have been successfully applied to that kind of problem. However, combining GAs optimization with actual CFD three-dimensional combustion simulations can be too onerous since a large number of calculations is usually needed for the genetic algorithm to converge, resulting in a high computational cost and, thus, limiting the suitability of this method for industrial processes. In order to make the optimization process less time-consuming, CFD simulations can be more conveniently used to generate a training set for the learning process of an artificial neural network which, once correctly trained, can be used to forecast the engine outputs as a function of the design parameters during a GA optimization performing a so-called virtual optimization. In the current work, a numerical methodology for the multi-objective virtual optimization of the combustion of an automotive DI Diesel engine, which relies on artificial neural networks and genetic algorithms, was developed.