Design, development and guidance of the Airborne’s quadrotor

The main goal of the Airborne project is to develop, at technology readiness level 8 (TRL8), a few selected robotic aerial technologies for quick localization of victims by avalanches by equipping drones with two forefront sensors used in SAR operations in case of avalanches, namely the ARVA and RECCO. This thesis focuses on the design, development, and guidance of the TRL8 quadrotor developed during the project. We present and describe the design method that allowed us to obtain an EMI shielded UAV capable of integrating both RECCO and ARVA sensors. Besides, is presented the avionics and power train design and building procedure in order to obtain a modular UAV frame that can be easily carried by rescuers and achieves all the performance benchmarks of the project. Additionally, in addition to the onboard algorithms, a multivariate regressive convolutional neural network whose goal is the localization of the ARVA signal is presented. On guidance, the automatic flight procedure is described, and the onboard waypoint generator algorithm is presented. The goal of this algorithm is the generation and execution of an automatic grid pattern without the need to know the map in advance and without the support of a control ground station (CGS). Moreover, we present an iterative trajectory planner that does not need pre-knowledge of the map and uses Bézier curves to address optimal, dynamically feasible, safe, and re-plannable trajectories. The goal is to develop a method that allows local and fast replannings in case of an obstacle pop up or if some waypoints change. This makes the novel planner suitable to be applied in SAR operations. The introduction of the final version of the quadrotor is supported by internal flight tests and field tests performed in real operative scenarios by the Club Alpino Italiano (CAI).

Robust Adaptive Control with Applications to Multi-Agent Systems and Mobile Robotics

This thesis deals with robust adaptive control and its applications, and it is divided into three main parts. The first part is about the design of robust estimation algorithms based on recursive least squares. First, we present an estimator for the frequencies of biased multi-harmonic signals, and then an algorithm for distributed estimation of an unknown parameter over a network of adaptive agents. In the second part of this thesis, we consider a cooperative control problem over uncertain networks of linear systems and Kuramoto systems, in which the agents have to track the reference generated by a leader exosystem. Since the reference signal is not available to each network node, novel distributed observers are designed so as to reconstruct the reference signal locally for each agent, and therefore decentralizing the problem. In the third and final part of this thesis, we consider robust estimation tasks for mobile robotics applications. In particular, we first consider the problem of slip estimation for agricultural tracked vehicles. Then, we consider a search and rescue application in which we need to drive an unmanned aerial vehicle as close as possible to the unknown (and to be estimated) position of a victim, who is buried under the snow after an avalanche event. In this thesis, robustness is intended as an input-to-state stability property of the proposed identifiers (sometimes referred to as adaptive laws), with respect to additive disturbances, and relative to a steady-state trajectory that is associated with a correct estimation of the unknown parameter to be found.

Price manipulation: theoretical models and empirical investigation

Understanding why market manipulation is conducted, under which conditions it is the most profitable and investigating the magnitude of these practices are crucial questions for financial regulators. Closing price manipulation induced by derivatives’ expiration is the primary subject of this thesis. The first chapter provides a mathematical framework in continuous time to study the incentive to manipulate a set of securities induced by a derivative position. An agent holding a European-type contingent claim, depending on the price of a basket of underlying securities, is considered. The agent can affect the price of the underlying securities by trading on each of them before expiration. The elements of novelty are at least twofold: (1) a multi-asset market is considered; (2) the problem is solved by means of both classic optimisation and stochastic control techniques. Both linear and option payoffs are considered. In the second chapter an empirical investigation is conducted on the existence of expiration day effects on the UK equity market. Intraday data on FTSE 350 stocks over a six-year period from 2015-2020 are used. The results show that the expiration of index derivatives is associated with a rise in both trading activity and volatility, together with significant price distortions. The expiration of single stock options appears to have little to no impact on the underlying securities. The last chapter examines the existence of patterns in line with closing price manipulation of UK stocks on option expiration days. The main contributions are threefold: (1) this is one of the few empirical studies on manipulation induced by the options market; (2) proprietary equity orderbook and transaction data sets are used to define manipulation proxies, providing a more detailed analysis; (3) the behaviour of proprietary trading firms is studied. Despite the industry concerns, no evidence is found of this type of manipulative behaviour.

About stabilization of non-minimum phase systems by output feedback

This thesis work has been motivated by an internal benchmark dealing with the output regulation problem of a nonlinear non-minimum phase system in the case of full-state feedback. The system under consideration structurally suffers from finite escape time, and this condition makes the output regulation problem very hard even for very simple steady-state evolution or exosystem dynamics, such as a simple integrator. This situation leads to studying the approaches developed for controlling Non-minimum phase systems and how they affect feedback performances. Despite a lot of frequency domain results, only a few works have been proposed for describing the performance limitations in a state space system representation. In particular, in our opinion, the most relevant research thread exploits the so-called Inner-Outer Decomposition. Such decomposition allows splitting the Non-minimum phase system under consideration into a cascade of two subsystems: a minimum phase system (the outer) that contains all poles of the original system and an all-pass Non-minimum phase system (the inner) that contains all the unavoidable pathologies of the unstable zero dynamics. Such a cascade decomposition was inspiring to start working on functional observers for linear and nonlinear systems. In particular, the idea of a functional observer is to exploit only the measured signals from the system to asymptotically reconstruct a certain function of the system states, without necessarily reconstructing the whole state vector. The feature of asymptotically reconstructing a certain state functional plays an important role in the design of a feedback controller able to stabilize the Non-minimum phase system.

A robotic platform for precision agriculture and applications

Agricultural techniques have been improved over the centuries to match with the growing demand of an increase in global population. Farming applications are facing new challenges to satisfy global needs and the recent technology advancements in terms of robotic platforms can be exploited. As the orchard management is one of the most challenging applications because of its tree structure and the required interaction with the environment, it was targeted also by the University of Bologna research group to provide a customized solution addressing new concept for agricultural vehicles. The result of this research has blossomed into a new lightweight tracked vehicle capable of performing autonomous navigation both in the open-filed scenario and while travelling inside orchards for what has been called in-row navigation. The mechanical design concept, together with customized software implementation has been detailed to highlight the strengths of the platform and some further improvements envisioned to improve the overall performances. Static stability testing has proved that the vehicle can withstand steep slopes scenarios. Some improvements have also been investigated to refine the estimation of the slippage that occurs during turning maneuvers and that is typical of skid-steering tracked vehicles. The software architecture has been implemented using the Robot Operating System (ROS) framework, so to exploit community available packages related to common and basic functions, such as sensor interfaces, while allowing dedicated custom implementation of the navigation algorithm developed. Real-world testing inside the university’s experimental orchards have proven the robustness and stability of the solution with more than 800 hours of fieldwork. The vehicle has also enabled a wide range of autonomous tasks such as spraying, mowing, and on-the-field data collection capabilities. The latter can be exploited to automatically estimate relevant orchard properties such as fruit counting and sizing, canopy properties estimation, and autonomous fruit harvesting with post-harvesting estimations.

On the motion planning & control of nonlinear robotic systems

In the last decades, we saw a soaring interest in autonomous robots boosted not only by academia and industry, but also by the ever in- creasing demand from civil users. As a matter of fact, autonomous robots are fast spreading in all aspects of human life, we can see them clean houses, navigate through city traffic, or harvest fruits and vegetables. Almost all commercial drones already exhibit unprecedented and sophisticated skills which makes them suitable for these applications, such as obstacle avoidance, simultaneous localisation and mapping, path planning, visual-inertial odometry, and object tracking. The major limitations of such robotic platforms lie in the limited payload that can carry, in their costs, and in the limited autonomy due to finite battery capability. For this reason researchers start to develop new algorithms able to run even on resource constrained platforms both in terms of computation capabilities and limited types of endowed sensors, focusing especially on very cheap sensors and hardware. The possibility to use a limited number of sensors allowed to scale a lot the UAVs size, while the implementation of new efficient algorithms, performing the same task in lower time, allows for lower autonomy. However, the developed robots are not mature enough to completely operate autonomously without human supervision due to still too big dimensions (especially for aerial vehicles), which make these platforms unsafe for humans, and the high probability of numerical, and decision, errors that robots may make. In this perspective, this thesis aims to review and improve the current state-of-the-art solutions for autonomous navigation from a purely practical point of view. In particular, we deeply focused on the problems of robot control, trajectory planning, environments exploration, and obstacle avoidance.

Deep learning and spatial transcriptomics to investigate thyroid tumors

There are many diseases that affect the thyroid gland, and among them are carcinoma. Thyroid cancer is the most common endocrine neoplasm and the second most frequent cancer in the 0-49 age group. This thesis deals with two studies I conducted during my PhD. The first concerns the development of a Deep Learning model to be able to assist the pathologist in screening of thyroid cytology smears. This tool created in collaboration with Prof. Diciotti, affiliated with the DEI-UNIBO "Guglielmo Marconi" Department of Electrical Energy and Information Engineering, has an important clinical implication in that it allows patients to be stratified between those who should undergo surgery and those who should not. The second concerns the application of spatial transcriptomics on well-differentiated thyroid carcinomas to better understand their invasion mechanisms and thus to better comprehend which genes may be involved in the proliferation of these tumors. This project specifically was made possible through a fruitful collaboration with the Gustave Roussy Institute in Paris. Studying thyroid carcinoma deeply is essential to improve patient care, increase survival rates, and enhance the overall understanding of this prevalent cancer. It can lead to more effective prevention, early detection, and treatment strategies that benefit both patients and the healthcare system.

Simulazione CFD di incendio in galleria: confronto tra modello e test in scala reale

Le tecniche di fluidodinamica computazionale vengono utilizzate in numerosi settori dell’ingegneria per risolvere in modo efficiente i problemi di flusso e di termodinamica nei fluidi. Uno di questi settori in cui si è diffuso l’utilizzo delle tecniche CFD (Computational Fluid Dynamics) è il settore dell’ingegneria antincendio. Tra i vari software di simulazione presenti, FDS (Fire Dynamics Simulator) è quello più diffuso nella comunità antincendio e utilizzato all’interno della presente analisi. L’elaborato introduce le basi dell’ingegneria antincendio spiegando le varie fasi attraverso il quale passa la metodologia prestazionale, passando poi ad approfondire le dinamiche d’incendio, in particolare nelle gallerie stradali e le tecniche di modellazione termo fluidodinamica degli incendi. L’analisi tratta il confronto tra delle prove d’incendio in scala reale effettuate all’interno di una galleria e le relative simulazioni fluidodinamiche realizzate al fine di verificare la corrispondenza tra la modellazione con software e l’effettiva evoluzione dell’incendio. Nell’analisi verranno confrontati diversi metodi di modellazione, evidenziando i vantaggi e i limiti incontrati nel corso delle simulazioni, confrontandoli al tempo stesso con i risultati ottenuti dai test in scala reale. I modelli ottenuti hanno permesso di estendere le simulazioni a focolari di potenza maggiore al fine di effettuare un’analisi delle prestazioni antincendio della galleria oggetto di studio.

Il paradigma della sostenibilità nel settore alimentare: problematiche attuali e prospettive future

Parallelamente al progressivo emergere delle esternalità negative prodotte dal paradigma economico predominante a livello globale, si è fatto strada il paradigma dello sviluppo sostenibile, che si prefigge di tenere conto in misura congiunta di tre dimensioni (economica, sociale e ambientale). Tuttavia, tale paradigma non coincide necessariamente con il più ampio e controverso concetto di sostenibilità ambientale. L’applicazione di tale concetto ai sistemi alimentari consente di leggere trasversalmente e collegare i temi che oggigiorno occupano i primi posti nelle agende politiche, nelle strategie aziendali e nel dibattito pubblico. La diffusione sempre maggiore del paradigma della sostenibilità ha portato il mondo aziendale a mettere a punto strategie di green marketing; tuttavia, determinate pratiche possono risultare ingannevoli nei confronti dei consumatori, traducendosi nel cosiddetto greenwashing. Alla luce di tale deriva negativa, si rende evidente l’importanza di ricostruire le filiere dei prodotti alimentari per poter attuare scelte di consumo più consapevoli. Nell’ambito dei sistemi alimentari, da una parte si è affermato a livello globale un modello agroindustriale, dall’altra è emerso un modello di filiera corta che si è declinato nelle molteplici forme dei cosiddetti alternative food networks. Considerando sia il mondo attuale che gli scenari futuri che si prospettano, in un mondo sempre più sovrappopolato, segnato da un progressivo aumento della domanda globale di cibo, dalla vulnerabilità che segue alla comparsa di sconvolgimenti di varia natura, dall’intensificarsi dei processi legati al cambiamento climatico e dalle innumerevoli sfide a questi connessi, scaturisce un cruciale interrogativo: quale sarà la strada più sostenibile da intraprendere, con una visione di lungo termine? Esiste una risposta esaustiva e una soluzione univoca, o bisognerà adottare una visione sistemica che guidi azioni compartecipate su più livelli?

Gabdulla Tukaj: poeta della libertà e dell'amicizia tra i popoli

L’idea per l’elaborazione della presente tesi di laurea nasce in seguito alla partecipazione al programma Overseas a Kazan’, Russia, e dal desiderio di presentare il popolo che la abita, ovvero i tatari. Cosciente della quasi completa estraneità, per noi italiani, della realtà culturale e geografica di Kazan’, il mio elaborato vuole essere un umile tentativo di far conoscere una delle molteplici etnie che abitano il territorio russo e che lo arricchiscono con il proprio patrimonio culturale. Al fine di intraprendere una prima conoscenza e cogliere i punti salienti che caratterizzano questa parte di mondo, ci serviremo della figura di Gabdulla Tukaj, poeta del popolo tataro per eccellenza.

Studio sperimentale sull'efficacia e la compatibilità di trattamenti idrorepellenti su materiali da costruzione

La principale causa di degrado diretta e indiretta delle murature storiche è l’acqua e, per questo motivo, l’ultima fase di un intervento di restauro consiste nel proteggere la muratura superficialmente, ad esempio attraverso l'applicazione di trattamenti idrorepellenti. Questo elaborato presenta i risultati di una campagna sperimentale volte a testare l’efficacia e la compatibilità di quattro trattamenti idrorepellenti presenti in commercio, applicati a spray e pennello su tre tipi di materiale (due tipi di laterizi e una malta). Particolare attenzione è stata prestata a valutare la reale capacità di evaporazione dell'acqua eventualmente presente all'interno del muratura, un parametro importantissimo per scongiurare distacchi e difetti a valle dell'intervento di restauro.

Vulnerabilità sismica e miglioramento strutturale della Pinacoteca Nazionale e Accademia di Belle Arti di Bologna.

Il complesso che ospita la Pinacoteca Nazionale di Bologna e l’Accademia delle Belle Arti si colloca nel quartiere universitario bolognese, tra via delle Belle Arti e via Irnerio. Nato dall’aggregazione di corpi settecenteschi che si alternano a spazi chiostrali, l’edificio oggi ospita anche la Direzione Regionale Musei Emilia-Romagna e il “Settore Archeologia” della Soprintendenza Archeologia, Belle Arti e Paesaggio per la città metropolitana di Bologna e le province di Modena, Reggio Emilia e Ferrara. La Pinacoteca nasce dall’esigenza di raccogliere una cospicua produzione di dipinti del patrimonio artistico bolognese, per garantirne la sopravvivenza; si scelse di collocarla in un edificio conventuale dei padri gesuiti dopo le soppressioni degli ordini religiosi. L’impianto originario di edificio a corte a pianta quadrata non fu mai alterato, ma adattato a percorso espositivo nel corso dei secoli, ed è oggi frutto di numerose sopraelevazioni e ampliamenti volumetrici. È possibile individuare tre unità strutturali: la parte storica con ex convento, ex chiesa di Sant’Ignazio ed il rinascimentale Palazzo Ancarano; sul retro, i due corpi più recenti, l’ala Collamarini e l’ala ovest. Le tre unità appartengono a epoche diverse e ognuna rispecchia le soluzioni tecnologiche del proprio tempo: muratura di mattoni e solai a volte del 1700, struttura “mista” di inizio ‘900 e telaio in cemento armato degli anni ’60. Finalità della tesi è quella di effettuare una valutazione della vulnerabilità sismica globale della porzione storica mediante modelli semplificati, accompagnata da una valutazione dei cinematismi locali ritenuti attivabili a causa del sisma. La prima modalità, a livello globale, fornisce una stima della risposta sismica sottoforma di indicatore di vulnerabilità. L’analisi cinematica, a livello locale, pone le basi per indirizzare il progetto di miglioramento strutturale con interventi locali poco invasivi nell’ottica del minimo impatto sul manufatto storico.

LAWSU-IT: Un Nuovo Dataset Giudiziario italiano per Long Document Summarization con Baseline Estrattive e Astrattive

L'avanzamento nel campo della long document summarization dipende interamente dalla disponibilità di dataset pubblici di alta qualità e con testi di lunghezza considerevole. Risulta pertanto problematico il fatto che tali dataset risultino spesso solo in lingua inglese, comportandone una limitazione notevole se ci si rivolge a linguaggi le cui risorse sono limitate. A tal scopo, si propone LAWSU-IT, un nuovo dataset giudiziario per long document summarization italiana. LAWSU-IT è il primo dataset italiano di summarization ad avere documenti di grandi dimensioni e a trattare il dominio giudiziario, ed è stato costruito attuando procedure di cleaning dei dati e selezione mirata delle istanze, con lo scopo di ottenere un dataset di long document summarization di alta qualità. Inoltre, sono proposte molteplici baseline sperimentali di natura estrattiva e astrattiva con modelli stato dell'arte e approcci di segmentazione del testo. Si spera che tale risultato possa portare a ulteriori ricerche e sviluppi nell'ambito della long document summarization italiana.

Analisi di stabilità della tomba Lattanzi nell'area archeologica della necropoli di Norchia

La tematica al centro della tesi è la valutazione della stabilità del versante roccioso in cui si colloca la tomba Lattanzi, facente parte della necropoli Norchia (VT), e la proposta preliminare di interventi a basso impatto per la conservazione del sito. Le attività svolte sono riportate di seguito: - inquadramento geografico, storico ed archeologico della necropoli di Norchia e della tomba Lattanzi; - inquadramento geologico e geomorfologico sviluppato consultando la carta geologica d’Italia in scala 1:50.000 e carte tematiche riguardanti la zona di interesse, comprese quelle del progetto IFFI (Inventario dei Fenomeni Franosi in Italia); - inquadramento sismico dell’area, condotto a partire dai dati forniti dall’INGV per il comune di Viterbo; - inquadramento meteo-climatico del comune di Viterbo; - inquadramento topografico attraverso nuvola di punti generata da rilievo laser scanner; - caratterizzazione fisica e meccanica del materiale roccioso tramite prove di laboratorio; - caratterizzazione delle discontinuità tramite rilievi in situ; - classificazione tecnica dell’ammasso; - creazione di un modello geotecnico del sottosuolo; - analisi cinematica effettuata tramite il programma Dips®; - analisi con il metodo dell’equilibrio limite e analisi numerica effettuata tramite il programma Plaxis®; - elaborazione dei risultati ottenuti e proposte di intervento quali: Intervento con ancoraggi passivi e sottofondazione al piede della tomba con una muratura in conci di tufo. Le analisi svolte, seppur semplificate, consentono di definire i possibili fenomeni di instabilità del versante nelle condizioni attuali e, in una ottica di conservazione preventiva, di effettuare scelte di gestione del sito che evitino interventi impattanti.

Identificazione degli eventi temporali da misure inerziali nel movimento di reaching

Background L’identificazione degli eventi temporali permette nell’analisi del movimento di valutare la qualità del gesto motorio e si offre in aiuto alla formulazione di diagnosi cliniche, valutazioni di un percorso riabilitativo e in ambito ortopedico per la creazione di protesi. L’uso sempre più diffuso dei sensori inerziali nell’analisi del movimento ha portato alla nascita di numerosi algoritmi per identificare gli eventi temporali; tuttavia, molti di questi sono stati sviluppati per la ricerca dei gate event sull’analisi del cammino, mentre non sono molti quelli dedicati allo studio dell’arto superiore, dove il reaching è il task motorio più studiato. Obiettivo tesi Proporre un metodo per l’identificazione degli eventi temporali su movimento di reaching con l’uso di soli sensori inerziali. Metodo All’interno del progetto Neurograsp, che è uno studio di analisi del movimento di reaching condotto presso il Dipartimento di Ingegneria dell’Energia Elettrica e dell’Informazione Guglielmo Marconi sono stati considerati i dati relativi alla stereofotogrammetria e ai sensori inerziali. L’analisi ha riguardato tre soggetti sani destrorsi. È stato considerato il sistema di stereofotogrammetria come gold standard con cui si sono rilevati gli eventi temporali ricercati del task motorio e successivamente si è implementato un metodo per identificare gli stessi eventi temporali tramite l’uso dei soli sensori inerziali. L’analisi è terminata con il confronto dei risultati. Risultati Si sono effettuate le analisi dei risultati in termini di classificazione dei times individuati dall’algoritmo come corretti, falsi positivi o falsi negativi e sulla quantificazione dell’errore assoluto sui valori identificati correttamente.