Design and characterization of automated agricultural vehicle systems

Nowadays, technological advancements have brought industry and research towards the automation of various processes. Automation brings a reduction in costs and an improvement in product quality. For this reason, companies are pushing research to investigate new technologies. The agriculture industry has always looked towards automating various processes, from product processing to storage. In the last years, the automation of harvest and cultivation phases also has become attractive, pushed by the advancement of autonomous driving. Nevertheless, ADAS systems are not enough. Merging different technologies will be the solution to obtain total automation of agriculture processes. For example, sensors that estimate products' physical and chemical properties can be used to evaluate the maturation level of fruit. Therefore, the fusion of these technologies has a key role in industrial process automation. In this dissertation, ADAS systems and sensors for precision agriculture will be both treated. Several measurement procedures for characterizing commercial 3D LiDARs will be proposed and tested to cope with the growing need for comparison tools. Axial errors and transversal errors have been investigated. Moreover, a measurement method and setup for evaluating the fog effect on 3D LiDARs will be proposed. Each presented measurement procedure has been tested. The obtained results highlight the versatility and the goodness of the proposed approaches. Regarding the precision agriculture sensors, a measurement approach for the Moisture Content and density estimation of crop directly on the field is presented. The approach regards the employment of a Near Infrared spectrometer jointly with Partial Least Square statistical analysis. The approach and the model will be described together with a first laboratory prototype used to evaluate the NIRS approach. Finally, a prototype for on the field analysis is realized and tested. The test results are promising, evidencing that the proposed approach is suitable for Moisture Content and density estimation.

Power converters in WBG device technology for automotive applications and characterization setups for GaN power transistors

This PhD dissertation envisages the design of innovative power converters exploiting WBG devices to get state-of-the-art performance in products intended for industrial applications of automotive field. The collaborations with different specialized companies, provided the opportunity to access commercially-available state-of-the-art SiC and GaN technologies and the possibility to realize innovative converter prototypes. Concerning SiC technology, the complete design of a $350kW$ Battery Emulator instrument in collaboration with a company leader in the automotive testing sector, was carried out from scratch exploiting state-of-the-art SiC power-modules, planar magnetics and top-notch MCU technologies. Discrete high-voltage GaN switches were exploited in the Power Supplies design for automotive charger application to target improved performances compared to the market state-of-the-art. Specifically, two high-efficiency prototypes, an AC/DC converter and a DC/DC converter of $7.5kW$, have been realized for this purpose. To further investigate the characteristics of state-of-the-art GaN power devices two measurement set-ups have been designed. In particular, the trapping phenomenon causing the collapse of drain current during ON-state with a consequent degradation of ON-resistance has been analyzed.

Hardware-software design of embedded systems for intelligent sensing applications

This Thesis wants to highlight the importance of ad-hoc designed and developed embedded systems in the implementation of intelligent sensor networks. As evidence four areas of application are presented: Precision Agriculture, Bioengineering, Automotive and Structural Health Monitoring. For each field is reported one, or more, smart device design and developing, in addition to on-board elaborations, experimental validation and in field tests. In particular, it is presented the design and development of a fruit meter. In the bioengineering field, three different projects are reported, detailing the architectures implemented and the validation tests conducted. Two prototype realizations of an inner temperature measurement system in electric motors for an automotive application are then discussed. Lastly, the HW/SW design of a Smart Sensor Network is analyzed: the network features on-board data management and processing, integration in an IoT toolchain, Wireless Sensor Network developments and an AI framework for vibration-based structural assessment.

Analysis and design considerations of resonator arrays for inductive power transfer systems

In the frame of inductive power transfer (IPT) systems, arrays of magnetically coupled resonators have received increasing attention as they are cheap and versatile due to their simple structure. They consist of magnetically coupled coils, which resonate with their self-capacitance or lumped capacitive networks. Of great industrial interest are planar resonator arrays used to power a receiver that can be placed at any position above the array. A thorough circuit analysis has been carried out, first starting from traditional two-coil IPT devices. Then, resonator arrays have been introduced, with particular attention to the case of arrays with a receiver. To evaluate the system performance, a circuit model based on original analytical formulas has been developed and experimentally validated. The results of the analysis also led to the definition of a new doubly-fed array configuration with a receiver that can be placed above it at any position. A suitable control strategy aimed at maximising the transmitted power and the efficiency has been also proposed. The study of the array currents has been carried out resorting to the theory of magneto-inductive waves, allowing useful insight to be highlighted. The analysis has been completed with a numerical and experimental study on the magnetic field distribution originating from the array. Furthermore, an application of the resonator array as a position sensor has been investigated. The position of the receiver is estimated through the measurement of the array input impedance, for which an original analytical expression has been also obtained. The application of this sensing technique in an automotive dynamic IPT system has been discussed. The thesis concludes with an evaluation of the possible applications of two-dimensional resonator arrays in IPT systems. These devices can be used to improve system efficiency and transmitted power, as well as for magnetic field shielding.

IDeS methodology applied to automotive component re-engineering focused on lightweight and high-strength by additive manufacturing

The project aims to gather an understanding of additive manufacturing and other manufacturing 4.0 techniques with an eyesight for industrialization. First the internal material anisotropy of elements created with the most economically feasible FEM technique was established. An understanding of the main drivers for variability for AM was portrayed, with the focus on achieving material internal isotropy. Subsequently, a technique for deposition parameter optimization was presented, further procedure testing was performed following other polymeric materials and composites. A replicability assessment by means of the use of technology 4.0 was proposed, and subsequent industry findings gathered the ultimate need of developing a process that demonstrate how to re-engineer designs in order to show the best results with AM processing. The latest study aims to apply the Industrial Design and Structure Method (IDES) and applying all the knowledge previously stacked into fully reengineer a product with focus of applying tools from 4.0 era, from product feasibility studies, until CAE – FEM analysis and CAM – DfAM. These results would help in making AM and FDM processes a viable option to be combined with composites technologies to achieve a reliable, cost-effective manufacturing method that could also be used for mass market, industry applications.

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

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

Realizzazione grafica del catalogo di nuovi materiali biocompositi con applicazione progettuale nel packaging cosmetico

Il primo capitolo introduce l’importante problema dei rifiuti plastici e l’impatto che hanno nell’ambiente, esaminando sia i rifiuti plastici di grandi dimensioni sia le microplastiche. A riguardo, un documento molto significativo è quello della New Plastics Economy: questo raccoglie rilevanti informazioni sull’andamento della produzione e dei rifiuti plastici negli anni e va a delineare dei suggerimenti, delle linee guida che dovrebbero essere adottate per migliorare questa attuale condizione di crisi ambientale dovuta proprio alle materie plastiche. Il secondo capitolo ha il compito di introdurre i trentasei nuovi biocompositi in fase di produzione e sperimentazione e con loro il primo progetto grafico di tesi del catalogo per l’azienda Arianna Fibers. Una prima parte affronta il tema della valorizzazione dello scarto. Ed è qui che i gusci di frutta secca hanno l’opportunità di trasformarsi da rifiuto in risorsa, da materia di scarto in materia prima. Karà bio-compositi sono dei nuovi materiali composti da una matrice di bioplastica biodegradabile e da scarti di gusci di frutta secca. Il mio obiettivo è stato quello di progettare un catalogo di questi materiali che raccoglie campioni materici, informazioni, foto, render e applicazioni. Il terzo capitolo riguarda la progettazione del packaging cosmetico come applicazione dei nuovi materiali biocompositi precedentemente descritti. Si parla dunque di Impronta Ambientale, LCA ed Ecodesign del packaging cosmetico e da queste ed altre valutazioni su casi studio presenti sul mercato nasce Karà bio-cosmetics: una linea di packaging cosmetici sostenibili realizzati con i materiali biocompositi biodegradabili. La tipologia di materiale scelto è quella dei biocompositi a matrice PHA, unica bioplastica biodegradabile in ambiente aperto. Si tratta di una linea di diversi pezzi associabili a vari tipi di cosmetici che l’utente potrà poi personalizzare.

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

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

Analisi di un carattere borderline: anatomia di antagonisti, antieroi e villain

In questo elaborato verranno prese in esame alcuni personaggi considerati Borderline a causa del ruolo e modalità di azione non convenzionale assunto all'interno del loro contesto narrativo e la loro moralità al limite del lecito, in cui fanno parte gli Antagonisti, gli Antieroi e i Villains, per osservare più attentamente come il loro formato multimediale abbiano un impatto significativo sul loro modo di agire all'interno del loro ambiente narrativo, le influenze culturali, storiche e sociali che stanno alla base della loro creazione, e quali metodologie di narrazione vengono utilizzati per raccontare il loro sviluppo interiore, in modo da scoprire nuove alternative alla caratterizzazione e allo sviluppo di questa tipologia di caratteri.

GUI design for in-car message diagnosis

Electronics needs communication to serve the vehicular world, to let all ECUs to com- municate with each other are needed buses, each bus serves different stuffs and is able to communicate. In the evolution of automotive architecture, integration of multiple func- tionalities in a single ECU will be one of the key aspects. The analysis of in-vehicle data, both for diagnosis and study-case of a particular behaviour, is the basis for future’s technologies and applications. Starting from these ideas, the need of creating a correlation between the Vehicle state and the anomaly. In order to create a link among them, has been created an interface able to simplify the in-car diagnosis and creating a link among vehicle stateand anomaly, looking also to the study-case of the driver's behaviour.

Progetto LetsBox!: definizione del ciclo di vita del prodotto, design, sviluppo e validazione dell’UX

Questo volume di tesi ha l'obiettivo di descrivere l'intero processo di progettazione, sviluppo e rilascio di un'applicazione mobile, coinvolgendo anche gli end-user nella fase finale di valutazione. In particolare, il volume di tesi si sviluppa su quattro capitoli che descrivono 1) l'analisi dei requisiti, seguendo un approccio AGILE, 2) l'analisi del ciclo di vita del prodotto (inclusi business model e business plan), 3) l'architettura del sistema, e, infine, 4) la valutazione dell’usabilità e della UX. L'applicazione usata come caso di studio è "LetsBox!", un'applicazione mobile della categoria puzzle game, sviluppata sfruttando il framework di sviluppo di app ibride IONIC 5, con l’obiettivo di creare un gioco che coinvolgesse il giocatore tanto da farlo giocare nei suoi momenti di svago e indurlo a sfidare i record esistenti ma, nello stesso tempo creare un gioco originale e non esistente sul mercato.

"Assisted factorial experimental design" per l'ottimizzazione della determinazione di benzene ematico in gc-fid

La quantificazione del benzene ematico è un tema di grande interesse nell'ambito della tossicologia occupazionale. La determinazione dell'analita, estratto nello spazio di testa di un vial, è eseguita mediante l'utilizzo di un gascromatografo con rilevatore a ionizzazione di fiamma (GC-FID). Si è cercato di ottimizzare il processo di estrazione del benzene dal sangue allo spazio di testa ed il successivo trasferimento dell'analita nella colonna cromatografica, mediante l'applicazione di un disegno sperimentale fattoriale a tre fattori e due livelli (DoE). I fattori individuati per impostare il piano sperimentale sono stati: variazione della temperatura di incubazione (A) del vial contenente il campione di sangue, pH del campione (B), modulato mediante aggiunta di una soluzione di H2SO4 e forza ionica (C), regolata mediante una soluzione acquosa di NaCl. I livelli scelti per ciascuna variabile sono stati: per A 40 e 60 °C; per B pH naturale del campione e pH a seguito dell'aggiunta di 1 mL di H2SO4 1.8 M; per C FI naturale del campione e FI dovuta all'aggiunta di una soluzione acquosa di sodio cloruro (5 g/L). Dall'analisi dei risultati forniti dal DoE, si è osservato che A, B e C hanno effetti tra loro contrastanti, per questo motivo non sembra essere vantaggioso combinare variabili differenti. In compenso, sia l'aumento di temperatura che l'aggiunta di acido solforico portano a significativi miglioramenti nell'estrazione di benzene dal sangue. Tra i tre trattamenti risulta essere B quello più efficace, motivo per il quale si ritiene che l'aggiunta di una soluzione acquosa di H2SO4 al campione di sangue porti ad una maggiore sensibilità e risoluzione strumentale. Sicuramente la sensibilità del metodo elaborato non può essere paragonata alle tradizionali determinazioni con spettrometro di massa, ma si ritiene possa essere sufficientemente soddisfacente per valutare l'esposizione a benzene dei lavoratori a rischio e come analisi di screening rapida ed economica.

Design for repair: ottimizzazione metodologie e caso di studio sottogruppo meccanico

Negli ultimi anni si è visto un forte segnale di cambiamento culturale indirizzato verso la sostenibilità affermando sempre più efficacemente i concetti di riciclaggio, riduzione e riutilizzo. Finora il design dei prodotti si è concentrato su aspetti che sfavorivano tale approccio e piuttosto si ponevano come specifica quella di definire a priori la vita del prodotto. Infatti, si sono sempre più sviluppate tecniche di accoppiamento delle parti che una volta accoppiate non consentivano più il disassemblaggio di queste. L’obiettivo di tale elaborato è stato quello di definire, nella famiglia di metodologie chiamata Design for X, un criterio che possa valutare e guidare la progettazione in ottica più mirata verso la riparabilità del prodotto “Design for Repair”. Aumentare la riparabilità del prodotto vuol dire poter aumentare la sua longevità, così da non avere la necessità di sostituirlo con un componente nuovo causando un impatto ambientale doppio, ossia la mancata necessità sia di sfruttare risorse per la realizzazione del sostituto sia di non dover occuparsi del processo di smaltimento del prodotto sostituito.

Analisi ed implementazione di sistemi innovativi per lo stoccaggio della normaleria nel settore automotive. Il caso Lamborghini Automobili spa.

Attraverso questa tesi si vuole mostrare il valore aggiunto che i sistemi di immagazzinamento automatico della merce possono offrire alle aziende, facendo un focus particolare sulle aziende manifatturiere. La scelta di approfondire questa tematica nasce dall’esperienza di tirocinio svolta all’interno di Automobili Lamborghini S.p.A. situata a Sant’Agata Bolognese (Bologna), nota in tutto il mondo per la produzione di Super Sport Cars. Partendo dall'introduzione dell'order picking e delle tipologie di magazzini esistenti, si passerà all'introduzione di algoritmi per il posizionamento dei codici all'interno di un magazzino. Una volta introdotto il problema dello stoccaggio dei codici di normaleria all'interno di un magazzino, verrà identificata la soluzione implementata in Automobili Lamborghini.

Implementazione di un sistema di controllo atto a ottimizzare l’efficienza di convertitori DC-DC impiegati in ambito Automotive e realizzati con tecnologia GaN

Lo scopo del presente progetto di ricerca è quello di dimostrare quelli che potrebbero essere i miglioramenti nell’adottare tecnologie GaN nei convertitori di potenza, soffermandosi sull’ambito Automotive. Si è dunque progettato, simulato ed infine analizzato un sistema di conversione bidirezionale DC-DC. Le prestazioni ottime sono state poi raggiunte attraverso l’introduzione di un sistema di controllo in grado di garantire, in ogni condizione, il miglior funzionamento possibile che garantisca il soddisfacimento delle richieste da parte del veicolo. Questo consentirà quindi di gestire il funzionamento del convertitore sia nelle fasi di scarica che in quelle di rigenerazione (regenerative braking). Al convertitore, è stato introdotto anche un controllo adattivo per la ricerca del dead-time ottimo dei segnali di pilotaggio dei transistor.