Design Strategies and Modelling of Low-Power Sigma-Delta Analog-to-Digital Converters

Oggi, i dispositivi portatili sono diventati la forza trainante del mercato consumer e nuove sfide stanno emergendo per aumentarne le prestazioni, pur mantenendo un ragionevole tempo di vita della batteria. Il dominio digitale è la miglior soluzione per realizzare funzioni di elaborazione del segnale, grazie alla scalabilità della tecnologia CMOS, che spinge verso l'integrazione a livello sub-micrometrico. Infatti, la riduzione della tensione di alimentazione introduce limitazioni severe per raggiungere un range dinamico accettabile nel dominio analogico. Minori costi, minore consumo di potenza, maggiore resa e una maggiore riconfigurabilità sono i principali vantaggi dell'elaborazione dei segnali nel dominio digitale. Da più di un decennio, diverse funzioni puramente analogiche sono state spostate nel dominio digitale. Ciò significa che i convertitori analogico-digitali (ADC) stanno diventando i componenti chiave in molti sistemi elettronici. Essi sono, infatti, il ponte tra il mondo digitale e analogico e, di conseguenza, la loro efficienza e la precisione spesso determinano le prestazioni globali del sistema. I convertitori Sigma-Delta sono il blocco chiave come interfaccia in circuiti a segnale-misto ad elevata risoluzione e basso consumo di potenza. I tools di modellazione e simulazione sono strumenti efficaci ed essenziali nel flusso di progettazione. Sebbene le simulazioni a livello transistor danno risultati più precisi ed accurati, questo metodo è estremamente lungo a causa della natura a sovracampionamento di questo tipo di convertitore. Per questo motivo i modelli comportamentali di alto livello del modulatore sono essenziali per il progettista per realizzare simulazioni veloci che consentono di identificare le specifiche necessarie al convertitore per ottenere le prestazioni richieste. Obiettivo di questa tesi è la modellazione del comportamento del modulatore Sigma-Delta, tenendo conto di diverse non idealità come le dinamiche dell'integratore e il suo rumore termico. Risultati di simulazioni a livello transistor e dati sperimentali dimostrano che il modello proposto è preciso ed accurato rispetto alle simulazioni comportamentali.

Sviluppo e Applicazione di Metodologie per l'Ottimizzazione di Sistemi Energetici

La riduzione dei consumi di combustibili fossili e lo sviluppo di tecnologie per il risparmio energetico sono una questione di centrale importanza sia per l’industria che per la ricerca, a causa dei drastici effetti che le emissioni di inquinanti antropogenici stanno avendo sull’ambiente. Mentre un crescente numero di normative e regolamenti vengono emessi per far fronte a questi problemi, la necessità di sviluppare tecnologie a basse emissioni sta guidando la ricerca in numerosi settori industriali. Nonostante la realizzazione di fonti energetiche rinnovabili sia vista come la soluzione più promettente nel lungo periodo, un’efficace e completa integrazione di tali tecnologie risulta ad oggi impraticabile, a causa sia di vincoli tecnici che della vastità della quota di energia prodotta, attualmente soddisfatta da fonti fossili, che le tecnologie alternative dovrebbero andare a coprire. L’ottimizzazione della produzione e della gestione energetica d’altra parte, associata allo sviluppo di tecnologie per la riduzione dei consumi energetici, rappresenta una soluzione adeguata al problema, che può al contempo essere integrata all’interno di orizzonti temporali più brevi. L’obiettivo della presente tesi è quello di investigare, sviluppare ed applicare un insieme di strumenti numerici per ottimizzare la progettazione e la gestione di processi energetici che possa essere usato per ottenere una riduzione dei consumi di combustibile ed un’ottimizzazione dell’efficienza energetica. La metodologia sviluppata si appoggia su un approccio basato sulla modellazione numerica dei sistemi, che sfrutta le capacità predittive, derivanti da una rappresentazione matematica dei processi, per sviluppare delle strategie di ottimizzazione degli stessi, a fronte di condizioni di impiego realistiche. Nello sviluppo di queste procedure, particolare enfasi viene data alla necessità di derivare delle corrette strategie di gestione, che tengano conto delle dinamiche degli impianti analizzati, per poter ottenere le migliori prestazioni durante l’effettiva fase operativa. Durante lo sviluppo della tesi il problema dell’ottimizzazione energetica è stato affrontato in riferimento a tre diverse applicazioni tecnologiche. Nella prima di queste è stato considerato un impianto multi-fonte per la soddisfazione della domanda energetica di un edificio ad uso commerciale. Poiché tale sistema utilizza una serie di molteplici tecnologie per la produzione dell’energia termica ed elettrica richiesta dalle utenze, è necessario identificare la corretta strategia di ripartizione dei carichi, in grado di garantire la massima efficienza energetica dell’impianto. Basandosi su un modello semplificato dell’impianto, il problema è stato risolto applicando un algoritmo di Programmazione Dinamica deterministico, e i risultati ottenuti sono stati comparati con quelli derivanti dall’adozione di una più semplice strategia a regole, provando in tal modo i vantaggi connessi all’adozione di una strategia di controllo ottimale. Nella seconda applicazione è stata investigata la progettazione di una soluzione ibrida per il recupero energetico da uno scavatore idraulico. Poiché diversi layout tecnologici per implementare questa soluzione possono essere concepiti e l’introduzione di componenti aggiuntivi necessita di un corretto dimensionamento, è necessario lo sviluppo di una metodologia che permetta di valutare le massime prestazioni ottenibili da ognuna di tali soluzioni alternative. Il confronto fra i diversi layout è stato perciò condotto sulla base delle prestazioni energetiche del macchinario durante un ciclo di scavo standardizzato, stimate grazie all’ausilio di un dettagliato modello dell’impianto. Poiché l’aggiunta di dispositivi per il recupero energetico introduce gradi di libertà addizionali nel sistema, è stato inoltre necessario determinare la strategia di controllo ottimale dei medesimi, al fine di poter valutare le massime prestazioni ottenibili da ciascun layout. Tale problema è stato di nuovo risolto grazie all’ausilio di un algoritmo di Programmazione Dinamica, che sfrutta un modello semplificato del sistema, ideato per lo scopo. Una volta che le prestazioni ottimali per ogni soluzione progettuale sono state determinate, è stato possibile effettuare un equo confronto fra le diverse alternative. Nella terza ed ultima applicazione è stato analizzato un impianto a ciclo Rankine organico (ORC) per il recupero di cascami termici dai gas di scarico di autovetture. Nonostante gli impianti ORC siano potenzialmente in grado di produrre rilevanti incrementi nel risparmio di combustibile di un veicolo, è necessario per il loro corretto funzionamento lo sviluppo di complesse strategie di controllo, che siano in grado di far fronte alla variabilità della fonte di calore per il processo; inoltre, contemporaneamente alla massimizzazione dei risparmi di combustibile, il sistema deve essere mantenuto in condizioni di funzionamento sicure. Per far fronte al problema, un robusto ed efficace modello dell’impianto è stato realizzato, basandosi sulla Moving Boundary Methodology, per la simulazione delle dinamiche di cambio di fase del fluido organico e la stima delle prestazioni dell’impianto. Tale modello è stato in seguito utilizzato per progettare un controllore predittivo (MPC) in grado di stimare i parametri di controllo ottimali per la gestione del sistema durante il funzionamento transitorio. Per la soluzione del corrispondente problema di ottimizzazione dinamica non lineare, un algoritmo basato sulla Particle Swarm Optimization è stato sviluppato. I risultati ottenuti con l’adozione di tale controllore sono stati confrontati con quelli ottenibili da un classico controllore proporzionale integrale (PI), mostrando nuovamente i vantaggi, da un punto di vista energetico, derivanti dall’adozione di una strategia di controllo ottima.

Caratterizzazione delle Prestazioni di Protezione al Fuoco di Vernici Intumescenti

Le pitture intumescenti sono utilizzate come protettivi passivi antincendio nel settore delle costruzioni. In particolare sono utilizzate per aumentare la resistenza al fuoco di elementi in acciaio. Le proprietà termiche di questi rivestimenti sono spesso sconosciute o difficili da stimare per via del fatto che variano notevolmente durante il processo di espansione che subisce l’intumescente quando esposto al calore di un incendio. Per questa ragione la validazione della resistenza al fuoco di un rivestimento presente in commercio si basa su metodi costosi economicamente e come tempi di esecuzione nel quale ciascuna trave e colonna rivestita di protettivo deve essere testata una alla volta attraverso il test di resistenza al fuoco della curva cellulosica. In questo lavoro di tesi adottando invece un approccio basato sulla modellazione termica del rivestimento intumescente si ottiene un aiuto nella semplificazione della procedura di test ed un supporto nella progettazione della resistenza al fuoco delle strutture. Il tratto di unione nei vari passaggi della presente tesi è stata la metodologia di stima del comportamento termico sconosciuto, tale metodologia di stima è la “Inverse Parameter Estimation”. Nella prima fase vi è stata la caratterizzazione chimico fisica della vernice per mezzo di differenti apparecchiature come la DSC, la TGA e l’FT-IR che ci hanno permesso di ottenere la composizione qualitativa e le temperature a cui avvengono i principali processi chimici e fisici che subisce la pittura come anche le entalpie legate a questi eventi. Nella seconda fase si è proceduto alla caratterizzazione termica delle pitture al fine di ottenerne il valore di conduttività termica equivalente. A tale scopo si sono prima utilizzate le temperature dell’acciaio di prove termiche alla fornace con riscaldamento secondo lo standard ISO-834 e successivamente per meglio definire le condizioni al contorno si è presa come fonte di calore un cono calorimetrico in cui la misura della temperatura avveniva direttamente nello spessore del’intumescente. I valori di conduttività ottenuti sono risultati congruenti con la letteratura scientifica e hanno mostrato la dipendenza della stessa dalla temperatura, mentre si è mostrata poco variante rispetto allo spessore di vernice deposto ed alla geometria di campione utilizzato.

Multisensorial obstacles detection and classification for ADAS and autonomous driving

A reliable perception of the real world is a key-feature for an autonomous vehicle and the Advanced Driver Assistance Systems (ADAS). Obstacles detection (OD) is one of the main components for the correct reconstruction of the dynamic world. Historical approaches based on stereo vision and other 3D perception technologies (e.g. LIDAR) have been adapted to the ADAS first and autonomous ground vehicles, after, providing excellent results. The obstacles detection is a very broad field and this domain counts a lot of works in the last years. In academic research, it has been clearly established the essential role of these systems to realize active safety systems for accident prevention, reflecting also the innovative systems introduced by industry. These systems need to accurately assess situational criticalities and simultaneously assess awareness of these criticalities by the driver; it requires that the obstacles detection algorithms must be reliable and accurate, providing: a real-time output, a stable and robust representation of the environment and an estimation independent from lighting and weather conditions. Initial systems relied on only one exteroceptive sensor (e.g. radar or laser for ACC and camera for LDW) in addition to proprioceptive sensors such as wheel speed and yaw rate sensors. But, current systems, such as ACC operating at the entire speed range or autonomous braking for collision avoidance, require the use of multiple sensors since individually they can not meet these requirements. It has led the community to move towards the use of a combination of them in order to exploit the benefits of each one. Pedestrians and vehicles detection are ones of the major thrusts in situational criticalities assessment, still remaining an active area of research. ADASs are the most prominent use case of pedestrians and vehicles detection. Vehicles should be equipped with sensing capabilities able to detect and act on objects in dangerous situations, where the driver would not be able to avoid a collision. A full ADAS or autonomous vehicle, with regard to pedestrians and vehicles, would not only include detection but also tracking, orientation, intent analysis, and collision prediction. The system detects obstacles using a probabilistic occupancy grid built from a multi-resolution disparity map. Obstacles classification is based on an AdaBoost SoftCascade trained on Aggregate Channel Features. A final stage of tracking and fusion guarantees stability and robustness to the result.

Comportamento sotto sisma di strutture rigide o deformabili: due casi di studio estremi

In Italia molti edifici sono stati costruiti senza tenere in considerazione l'azione sismica. La necessità di adeguare tali edifici in accordo con la normativa italiana vigente è stato il motivo scatenante di questa ricerca. Per l'adeguamento sismico, vengono qui proposti differenti approcci in base al tipo di struttura e, in particolare, in base alla loro deformabilità. Per le strutture flessibili come le scaffalature di acciaio adibite alla stagionatura del Parmigiano Reggiano, sono stati utilizzati dispositivi passivi di dissipazione energetica. Sono state condotte analisi di sensitività per determinare il coefficiente di smorzamento in grado di minimizzare lo stato tensionale nelle sezioni di interesse. I risultati delle analisi mostrano l'efficacia delle soluzioni proposte e potrebbero rappresentare un punto di partenza per la definizione di possibili contromisure standar per l'adeguamento sismico. Per le strutture rigide, come i ponti in muratura, sono stati definiti alcuni criteri per la modellazione e la verifica delle sezioni di interesse, utilizzando modelli semplificati ma dall'efficacia comprovata come termine di paragone.

Leap Aided Modelling (LAM) in Blender

L'evoluzione tecnologica e l'utilizzo crescente della computer grafica in diversi settori stanno suscitando l'interesse di sempre più persone verso il mondo della modellazione 3D. I software di modellazione, tuttavia, si presentano spesso inadeguati all'utilizzo da parte di utenti senza esperienza, soprattutto a causa dei comandi di navigazione e modellazione poco intuitivi. Dal punto di vista dell'interazione uomo-computer, questi software devono infatti affrontare un grande ostacolo: il rapporto tra dispositivi di input 2D (come il mouse) e la manipolazione di una scena 3D. Il progetto presentato in questa tesi è un addon per Blender che consente di utilizzare il dispositivo Leap Motion come ausilio alla modellazione di superfici in computer grafica. L'obiettivo di questa tesi è stato quello di progettare e realizzare un'interfaccia user-friendly tra Leap e Blender, in modo da potere utilizzare i sensori del primo per facilitare ed estendere i comandi di navigazione e modellazione del secondo. L'addon realizzato per Blender implementa il concetto di LAM (Leap Aided Modelling: modellazione assistita da Leap), consentendo quindi di estendere le feature di Blender riguardanti la selezione, lo spostamento e la modifica degli oggetti in scena, la manipolazione della vista utente e la modellazione di curve e superfici Non Uniform Rational B-Splines (NURBS). Queste estensioni sono state create per rendere più veloci e semplici le operazioni altrimenti guidate esclusivamente da mouse e tastiera.

A ROS-based Workspace Control and Trajectory Planner for a seven degrees of freedom Robotic arm

In this Bachelor Thesis I want to provide readers with tools and scripts for the control of a 7DOF manipulator, backed up by some theory of Robotics and Computer Science, in order to better contextualize the work done. In practice, we will see most common software, and developing environments, used to cope with our task: these include ROS, along with visual simulation by VREP and RVIZ, and an almost "stand-alone" ROS extension called MoveIt!, a very complete programming interface for trajectory planning and obstacle avoidance. As we will better appreciate and understand in the introduction chapter, the capability of detecting collision objects through a camera sensor, and re-plan to the desired end-effector pose, are not enough. In fact, this work is implemented in a more complex system, where recognition of particular objects is needed. Through a package of ROS and customized scripts, a detailed procedure will be provided on how to distinguish a particular object, retrieve its reference frame with respect to a known one, and then allow navigation to that target. Together with technical details, the aim is also to report working scripts and a specific appendix (A) you can refer to, if desiring to put things together.

Progettazione e implementazione di una incarnazione biochimica per il simulatore Alchemist

Scopo di questo elaborato di tesi è la modellazione e l’implementazione di una estensione del simulatore Alchemist, denominata Biochemistry, che permetta di simulare un ambiente multi-cellulare. Al fine di simulare il maggior numero possibile di processi biologici, il simulatore dovrà consentire di modellare l’eterogeneità cellulare attraverso la modellazione di diversi aspetti dei sistemi cellulari, quali: reazioni intracellulari, segnalazione tra cellule adiacenti, giunzioni cellulari e movimento. Dovrà, inoltre, essere ammissibile anche l’esecuzione di azioni impossibili nel mondo reale, come la distruzione o la creazione dal nulla di molecole chimiche. In maniera più specifica si sono modellati ed implementati i seguenti processi biochimici: creazione e distruzione di molecole chimiche, reazioni biochimiche intracellulari, scambio di molecole tra cellule adiacenti, creazione e distruzione di giunzioni cellulari. È stata dunque posta particolare enfasi nella modellazione delle reazioni tra cellule vicine, il cui meccanismo è simile a quello usato nella segnalazione cellulare. Ogni parte del sistema è stata modellata seguendo fenomeni realmente presenti nei sistemi multi-cellulari, e documentati in letteratura. Per la specifica delle reazioni chimiche, date in ingresso alla simulazione, è stata necessaria l’implementazione di un Domain Specific Language (DSL) che consente la scrittura di reazioni in modo simile al linguaggio naturale, consentendo l’uso del simulatore anche a persone senza particolari conoscenze di biologia. La correttezza del progetto è stata validata tramite test compiuti con dati presenti in letteratura e inerenti a processi biologici noti e ampiamente studiati.

Un nuovo modello computazionale di fibra di Purkinje umana: dal modello medio alla popolazione di modelli e ritorno.

Il lavoro presentato in questa tesi è stato svolto presso il Department of Computer Science, University of Oxford, durante il mio periodo all’estero nel Computational Biology Group. Scopo del presente lavoro è stato lo sviluppo di un modello matematico del potenziale d’azione per cellule umane cardiache di Purkinje. Tali cellule appartengono al sistema di conduzione elettrico del cuore, e sono considerate molto importanti nella genesi di aritmie. Il modello, elaborato in linguaggio Matlab, è stato progettato utilizzando la tecnica delle Popolazione di Modelli, un innovativo approccio alla modellazione cellulare sviluppato recentemente proprio dal Computational Biology Group. Tale modello è stato sviluppato in 3 fasi: • Inizialmente è stato sviluppato un nuovo modello matematico di cellula umana del Purkinje cardiaco, tenendo in considerazione i modelli precedenti disponibili in letteratura e le più recenti pubblicazioni in merito alle caratteristiche elettrofisiologiche proprie della cellula cardiaca umana di Purkinje. Tale modello è stato costruito a partire dall’attuale gold standard della modellazione cardiaca ventricolare umana, il modello pubblicato da T. O’Hara e Y. Rudy nel 2011, modificandone sia le specifiche correnti ioniche che la struttura interna cellulare. • Il modello così progettato è stato, poi, utilizzato come “modello di base” per la costruzione di una popolazione di 3000 modelli, tramite la variazione di alcuni parametri del modello all’interno di uno specifico range. La popolazione così generata è stata calibrata sui dati sperimentali di cellule umane del Purkinje. A valle del processo di calibrazione si è ottenuta una popolazione di 76 modelli. • A partire dalla popolazione rimanente, è stato ricavato un nuovo modello ai valori medi, che riproduce le principali caratteristiche del potenziale d’azione di una cellula di Purkinje cardiaca umana, e che rappresenta il dataset sperimentale utilizzato nel processo di calibrazione.

Costruzione del quadro conoscitivo della Conoide Enza al fine di una gestione sostenibile della risorsa idrica

Il lavoro di tesi ha l'obiettivo di fornire un quadro conoscitivo preliminare della Conoide Enza, importante corpo idrico sotterraneo situato nella provincia di Reggio-Emilia. Unitamente viene data una sua rappresentazione cartografica digitale attraverso software GIS, utile a geo-referenziare l'acquifero. Tale lavoro permette di convogliare ed archiviare in un sistema informativo territoriale le osservazioni e i dati necessari a successive indagini quantitative sulla Conoide. In tal senso, viene fornito un esempio di modellazione di flusso nell'acquifero tramite software MODFLOW, così da mostrare l'analisi di uno scenario di prelievo a partire dai dati forniti. In particolare, è simulato il comportamento dell'acquifero in presenza di un pozzo di estrazione, valutando il conseguente effetto indotto sulla piezometria.

Interfaccia utente per assegnamento missioni e monitoraggio di un trattore automatico

Il presente lavoro consiste nella realizzazione di un'interfaccia utente adibita all'assegnamento di missioni e al monitoraggio remoto di un rover agricolo autonomo. Sfruttando l'informatica per la sua implementazione, tale interfaccia trova invece applicazione nel campo dell'automazione e dell'agricoltura di precisione. L'utilizzatore ha perciò la facoltà di muovere il rover in campo aperto e di demandargli missioni specifiche, ricevendo allo stesso tempo un feedback continuo sul suo operato. L'applicativo software comunica quindi in maniera bidirezionale con il veicolo controllato ed è predisposto per sfruttare diversi canali di comunicazione (antenne seriali, pacchetti udp, socket tcp). La scrittura del codice è stata seguita da una serie di prove di comunicazione con il veicolo, effettuate indoor, e infine da alcuni test completi effettuati outdoor, con il rover in movimento.

Progetto e sviluppo di un middleware per l’interfacciamento di sensori per la domotica in ambiente Java

La diffusione di soluzioni domotiche dipende da tecnologie abilitanti che supportino la comunicazione tra i numerosi agenti delle reti. L’obiettivo della tesi è progettare e realizzare un middleware per sensori distribuiti Java-based chiamato SensorNetwork, che permetta ad un agente domotico di effettuare sensing sull’ambiente. Le funzionalità principali del sistema sono uniformità di accesso a sensori eterogenei distribuiti, alto livello di automazione (autoconfigurazione e autodiscovery dei nodi), configurazione a deployment time, modularità, semplicità di utilizzo ed estensione con nuovi sensori. Il sistema realizzato è basato su un’architettura a componente-container che permette l’utilizzo di sensori all’interno di stazioni di sensori e che supporti l’accesso remoto per mezzo di un servizio di naming definito ad-hoc.

Modellistica e controllo di attuatori idraulici

La tesi tratta della modellistica e del controllo di un attuatore idraulico con valvola a quattro vie. Inizialmente si definiscono le grandezze e le formule fondamentali per descrivere un sistema idraulico e costruirne il modello matematico. Successivamente si ricava il modello non lineare del sistema nello spazio degli stati, quindi lo si linearizza per poterlo descrivere e studiare anche tramite funzioni di trasferimento. Si ricava quindi, utilizzando anche Matlab e Simulink, il controllo da applicare al modello linearizzato e si testa il comportamento del sistema in risposta a diversi segnali di ingresso. Infine si applica lo stesso controllore al sistema non lineare e si confrontano i due diversi comportamenti.

Progettazione di una trasmissione innovativa per quadriciclo tipo "quad"

L’elaborato presenta uno studio di fattibilità sull’adozione di sistemi di trasmissione innovativi per quadricicli tipo “quad”, esplicitando pregi e difetti di ognuno e scegliendo il più idoneo per il mezzo in questione. Segue il progetto vero e proprio; vengono dimensionati gli organi principali di trasmissione del moto, quali alberi e coppie coniche. Il progetto è poi completato con la modellazione al cad della trasmissione, della struttura portante e delle parti commerciali (e non) necessarie al funzionamento e all’affidabilità del sistema.

Soluzioni per il controllo delle testine di lettura/scrittura in hard disk drive magnetici

Questa tesi descrive alcune tecniche realizzative e algoritmi di controllo per il posizionamento delle testine di lettura/scrittura in hard disk drive magnetici. Viene presentata l'attuazione a due stadi delle testine per incrementare la banda frequenziale del sistema, in cui un motore VCM funge da primo stadio e come secondo stadio si utilizza un microattuatore, di tipo piezoelettrico o elettromagnetico o elettrotermico. Il posizionamento della testina sulle tracce magnetiche dei dischi contenenti i dati si divide in due fasi: track-seeking e track-following, che presentano diversi requisiti di velocità e precisione, per questo motivo si descrive il metodo dello switching control. Successivamente viene formulato un modello matematico nello spazio degli stati degli stati dell'attuatori a due stadi e il relativo controllo in retroazione, basato su osservatore dello stato. Inoltre per il track-seeking si propone il controllo a due gradi di libertà e per il track-following il metodo del disaccoppiamento della sensitività. Infine si riportano due novità tecnologiche per gli hard disk magnetici: l'attuazione a tre stadi, che sfrutta un secondo microattuatore, di tipo termico, e gli hard disk riempiti d'elio ed ermeticamente sigillati, che semplificano il controllo grazie alla minore turbolenza del gas e al suo minor peso.