Implementazione di una rete di sensori per il controllo di gas inquinanti nell'ambiente

Negli ultimi anni i progressi tecnologici in termini di miniaturizzazione elettronica, hanno permesso la realizzazione di componenti hardware ed in particolare di microprocessori e sensori dalle dimensioni ridottissime. Questo ha favorito la recente diffusione di reti di sensori wireless (Wireless Sensor Network) basate su sistemi embedded più o meno complessi ed applicate a settori di mercato che vanno dalla domotica alle applicazioni industriali, fino al monitoraggio dei pazienti. Lo scopo di questa tesi, svolta in collaborazione con la società Rinnova di Forlì, consiste nell’implementazione di un dimostratore che mostri la reale capacità di realizzare una rete WS che si appoggia su di un sistema embedded commerciale ed ampiamente diffuso come la piattaforma Arduino ed in grado di rilevare il livello di ammoniaca presente negli allevamenti di pollame. Tale gas infatti, se presente in quantità notevole, provoca una dannosa alterazione comportamentale dei polli e risulta quindi un parametro molto importante da monitorare. Oltre al sensore di ammoniaca, misurazione principale richiesta dal progetto, ne sono stati aggiunti uno per la temperatura ed uno per l’umidità. L’architettura finale implementata è quella tipica di una rete a stella, in cui il master centrale colleziona a polling i dati provenienti dai sensori collegati agli slave e li invia ad un server web, rendendoli accessibili mediante la rete Internet. L’utente finale può così accedere alla pagina web da un qualunque PC dotato di connessione Internet, monitorare i dati dei sensori e soprattutto verificare quando il livello di ammoniaca supera la soglia di attenzione, potendo così intervenire immediatamente nell’allevamento per effettuare le dovute operazioni di pulizia.

Progettazione e implementazione di applicazioni context-aware su dispositivi mobili

Il progetto descritto in questo documento consiste fondamentalmente nell'integrazione di applicazioni context-aware su dispositivi mobili con reti di sensori e nello studio delle problematiche derivanti, vantaggi e potenziali utilizzi. La rete è stata costruita sfruttando l'insieme di protocolli per comunicazioni via radio Zigbee, particolarmente adatti per interazione tra dispositivi a basso consumo energetico e che necessitano di uno scarso tasso di trasferimento di dati. Le informazioni ottenute da sensori di varia natura sono processate da microcontrollori Arduino, scelti per la loro versatilità di utilizzo e design open source. Uno o più dispositivi sono designati per aggregare i dati rilevati dai singoli nodi in un unico pacchetto di informazioni, semanticamente correlate tra loro, quindi emetterle in broadcast su una diversa interfaccia di rete, in modo che diverse applicazioni esterne in ascolto possano riceverle e manipolarle. Viene utilizzato un protocollo specifico per la comunicazione tra i microcontrollori e le applicazioni che si interfacciano con la rete, costruito su misura per dispositivi con risorse limitate. L'applicazione context-aware che interagisce con la rete è stata sviluppata su piattaforma Android, la cui particolare flessibilità favorisce una migliore capacità di gestire i dati ottenuti. Questa applicazione è in grado di comunicare con la rete, manipolare i dati ricevuti ed eventualmente intraprendere azioni specifiche in totale indipendenza dal suo utilizzatore. Obiettivo del progetto è quello di costruire un meccanismo di interazione tra le tecnologie più adattivo e funzionale possibile.

Studio e sperimentazione del comportamento vibratorio di una lamella azionata da un attuatore piezoelettrico

Studio di una lamella di acciaio di dimensioni relativamente ridotte, a cui è incollato un attuatore piezoelettrico che ne causa la vibrazione, sfruttando il fenomeno della risonanza. Tale struttura possiede numerose peculiarità geometriche e di funzionamento che ne determinano il comportamento dinamico. Ci si prefigge l’obiettivo di studiare, con l’ausilio di prove sperimentali, il comportamento vibratorio del sistema, al fine di realizzare un modello agli elementi finiti che ne simuli il funzionamento e che sia impiegabile nella previsione degli effetti di modifiche strutturali e dinamiche.

Caratterizzazione sperimentale di dispositivi antivibranti e ottimizzazione del loro impiego su un auto da F1

Studio di alcuni dispositivi presenti nelle vetture di formula 1, ma anche in quelle di serie più comuni, per l’ancoraggio e per l’isolamento delle vibrazioni fra componentistiche elettriche e telaio del veicolo. Questi dispositivi, noti come antivibranti (AV), svolgono un ruolo essenziale nel cercare di preservare i dispositivi elettrici: centraline, scatole cablate e connessioni elettriche. Il diffondersi di strumentazione adeguata a costi non più proibitivi ha permesso di studiare più in dettaglio e più scientificamente il comportamento degli AV per sfruttarli al meglio. Obiettivo di questo studio è dare una caratterizzazione scientifica e rigorosa alla maggior parte degli antivibranti presenti in STR7 monoposto Toro Rosso (mondiale di F1 2012), buona parte dei quali verrà utilizzata anche nelle successive vetture. Si volevano, inoltre, sviluppare alcuni modelli che potessero simulare correttamente montaggi di centraline generiche con tutte le diverse tipologie di antivibranti, in modo tale da poter vedere, prima ancora di realizzarli, come si comportavano i sistemi in quelle condizioni e dunque poter apportare modifiche al progetto tali da ottenere la configurazione di montaggio migliore. La continua ricerca di miglioramenti prestazionali che una competizione motoristica ad altissimi livelli richiede, il costante bisogno di alleggerimenti e maggiore affidabilità spingono la ricerca e l'azienda voleva passare da una progettazione basata sulla ripetizione delle configurazioni dimostratesi affidabili nel passato ad una progettazione più tecnica, scientifica e prestazionale. Per una buona caratterizzazione delle proprietà degli antivibranti sono stati progettati specifici test da eseguire al banco vibrante con i quali, lavorando nel dominio delle frequenze, si sono sfruttate le funzioni di risposte in frequenze di ogni antivibrante per ricavare i parametri caratteristici degli stessi nelle varie configurazioni. Con strategie grafiche, numeriche e teoriche si sono ricavati, con buone precisioni, i valori dei coefficienti di smorzamento e di rigidezza che caratterizzano i componenti studiati. Per l’esecuzione di questi test sono stati utilizati tutti gli strumenti messi a disposizione da Scuderia Toro Rosso nel laboratorio per prove vibrazionali recentemente approntato. Per la parte di simulazione numerica invece sono stati sfruttati i risultati ottenuti nella caratterizzazione degli antivibranti per creare programmi in ambiente Matlab che possano simulare il comportamento di generiche centraline montate in generici modi. Risultati di questo studio saranno gli andamenti dei coefficienti di rigidezza e smorzamento dei vari antivibranti nelle diverse configurazioni; inoltre si renderanno disponibili ai progettisti istruzioni e semplici programmi per la valutazione delle scelte fatte al fine di minimizzare le vibrazioni dei dispositivi.

Un Framework per il controllo e la gestione automatica dello spostamento di sensori mobili

Il progetto descritto in questo documento consiste nello sviluppo di un Framework composto da un'applicazione Android in grado di comandare il movimento di un robot collegato ad una scheda Arduino tramite interfaccia di comunicazione Bluetooth

Progetto di un'interfaccia utente per la gestione e memorizzazione di forme d'onda mediante microcontrollore

L'energy harvesting è un processo in cui l'energia ambientale comunemente disponibile viene catturata mediante opportuni trasduttori e circuiti elettronici per essere convertita in energia elettrica utilizzabile. Il progetto descritto sarà una estensione ed integrazione di un sistema già esistente, per la riproduzione attraverso un sistema elettrodinamico vibrante (shaker), di vibrazioni acquisite dall'ambiente circostante in situazioni di riferimento tipiche (esempio le vibrazioni prodotte da un veicolo in movimento o un uomo in corsa), al fine di caratterizzare trasduttori piezoelettrici per studiarne il funzionamento, le caratteristiche e il loro comportamento. Lo scopo finale è quello di realizzare un sistema stand-alone che sia in grado di riprodurre e controllare in maniera affidabile le vibrazioni imposte da un sistema vibrante, al fine di realizzare un sistema di caratterizzazione per dispositivi di energy harvesting vibrazionale. In questo progetto, l’intera gestione del processo viene affidata ad un microcontrollore presente sulla scheda di controllo, il quale consente in tempo reale la visualizzazione delle forme d’onda oggetto di studio mediante un display grafico, l’elaborazione dei dati presenti nel sistema nonché la possibilità di caricare e salvare dei dati significativi sulla memoria del sistema durante le fasi di testing. Le caratteristiche implementate rendono il sistema facile da usare. Successivamente verranno descritte le specifiche tecniche necessariamente da rispettare per la realizzazione di un sistema che permetta di riprodurre e fornire dati attendibili, la struttura di visualizzazione grafica del sistema, la parte di condizionamento del segnale e i principi teorici del controllo ad anello chiuso.

Valutazioni di efficienza energetica per sistemi di energy harvesting piezoelettrico

Questa tesi presenta considerazioni sull'efficienza energetica di circuiti di conversione di potenza da trasduttori piezoelettrici attivati in maniera sincrona con le vibrazioni. Viene valutato l'effetto dell'inversione della carica elettrica residua al termine di ogni ciclo di conversione e viene analizzata un'architettura a due stadi sviluppata dall'Università di Bologna in grado di garantire una migliore efficienza, particolarmente idonea alla carica di supercondensatori. Le valutazioni sono state effettuate mediante simulazioni circuitali e gli schemi analizzati offrono incrementi significativi di prestazioni, maggiormente evidenti con vibrazioni di bassa intensità.

Procedure e strumenti innovativi per lo sfruttamento sostenibile delle risorse minerarie

L'approvvigionamento di risorse minerali e la tutela dell'ambiente sono spesso considerate attività contrapposte ed inconciliabili, ma in realtà rappresentano due necessità imprescindibili per le società moderne. Le georisorse, in quanto non rinnovabili, devono essere valorizzate in maniera efficiente, adoperando strumenti che garantiscano la sostenibilità ambientale, sociale ed economica degli interventi estrattivi. La necessità di tutelare il territorio e migliorare la qualità della vita delle comunità locali impone alla Pubblica Amministrazione di implementare misure per la riqualificazione di aree degradate, ma fino ai primi anni '90 la normativa di settore non prevedeva strumenti a tal proposito, e ciò ha portato alla proliferazione di siti estrattivi dismessi e abbandonati senza interventi di recupero ambientale. Il presente lavoro di ricerca fornisce contributi innovativi alla pianificazione e progettazione sostenibile delle attività estrattive, attraverso l'adozione di un approccio multidisciplinare alla trattazione del tema e l'utilizzo esperto dei Sistemi Informativi Geografici, in particolare GRASS GIS. A seguito di una approfondita analisi in merito agli strumenti e le procedure adottate nella pianificazione delle Attività Estrattive in Italia, sono stati sviluppati un metodo di indagine ed un sistema esperto per la previsione ed il controllo delle vibrazioni indotte nel terreno da volate in cava a cielo aperto, che consentono di ottimizzare la progettazione della volata e del sistema di monitoraggio delle vibrazioni grazie a specifici strumenti operativi implementati in GRASS GIS. A supporto di una più efficace programmazione di interventi di riqualificazione territoriale, è stata messa a punto una procedura per la selezione di siti dismessi e di potenziali interventi di riqualificazione, che ottimizza le attività di pianificazione individuando interventi caratterizzati da elevata sostenibilità ambientale, economica e sociale. I risultati ottenuti dimostrano la necessità di un approccio esperto alla pianificazione ed alla progettazione delle attività estrattive, incrementandone la sostenibilità attraverso l'adozione di strumenti operativi più efficienti.

Methods for Clearance Influence Analysis in Planar and Spatial Mechanisms

This doctoral dissertation presents a new method to asses the influence of clearancein the kinematic pairs on the configuration of planar and spatial mechanisms. The subject has been widely investigated in both past and present scientific literature, and is approached in different ways: a static/kinetostatic way, which looks for the clearance take-up due to the external loads on the mechanism; a probabilistic way, which expresses clearance-due displacements using probability density functions; a dynamic way, which evaluates dynamic effects like the actual forces in the pairs caused by impacts, or the consequent vibrations. This dissertation presents a new method to approach the problem of clearance. The problem is studied from a purely kinematic perspective. With reference to a given mechanism configuration, the pose (position and orientation) error of the mechanism link of interest is expressed as a vector function of the degrees of freedom introduced in each pair by clearance: the presence of clearance in a kinematic pair, in facts, causes the actual pair to have more degrees of freedom than the theoretical clearance-free one. The clearance-due degrees of freedom are bounded by the pair geometry. A proper modelling of clearance-affected pairs allows expressing such bounding through analytical functions. It is then possible to study the problem as a maximization problem, where a continuous function (the pose error of the link of interest) subject to some constraints (the analytical functions bounding clearance- due degrees of freedom) has to be maximize. Revolute, prismatic, cylindrical, and spherical clearance-affected pairs have been analytically modelled; with reference to mechanisms involving such pairs, the solution to the maximization problem has been obtained in a closed form.

Gait analysis using a single wearable inertial measurement unit

Procedures for quantitative walking analysis include the assessment of body segment movements within defined gait cycles. Recently, methods to track human body motion using inertial measurement units have been suggested. It is not known if these techniques can be readily transferred to clinical measurement situations. This work investigates the aspects necessary for one inertial measurement unit mounted on the lower back to track orientation, and determine spatio-temporal features of gait outside the confines of a conventional gait laboratory. Apparent limitations of different inertial sensors can be overcome by fusing data using methods such as a Kalman filter. The benefits of optimizing such a filter for the type of motion are unknown. 3D accelerations and 3D angular velocities were collected for 18 healthy subjects while treadmill walking. Optimization of Kalman filter parameters improved pitch and roll angle estimates when compared to angles derived using stereophotogrammetry. A Weighted Fourier Linear Combiner method for estimating 3D orientation angles by constructing an analytical representation of angular velocities and allowing drift free integration is also presented. When tested this method provided accurate estimates of 3D orientation when compared to stereophotogrammetry. Methods to determine spatio-temporal features from lower trunk accelerations generally require knowledge of sensor alignment. A method was developed to estimate the instants of initial and final ground contact from accelerations measured by a waist mounted inertial device without rigorous alignment. A continuous wavelet transform method was used to filter and differentiate the signal and derive estimates of initial and final contact times. The technique was tested with data recorded for both healthy and pathologic (hemiplegia and Parkinson’s disease) subjects and validated using an instrumented mat. The results show that a single inertial measurement unit can assist whole body gait assessment however further investigation is required to understand altered gait timing in some pathological subjects.

Caratterizzazione del cammino in soggetti sani e patologici mediante accelerometria

Background: studi in letteratura mostrano come l'accelerometria stia diventando una pratica clinica (e non solo) molto utile sia in ambito diagnostico sia riabilitativo; molti di essi sfruttano i dati provenienti da più sensori inerziali posti su un soggetto e ne ricavano l'andamento accelerometrico dei vari segmenti corporei durante il movimento in esame. Obiettivo: caratterizzare il cammino di soggetti sani ed osservare quello di alcuni casi patologici, parametrizzando l'accelerazione Antero-Posteriore. Gli indici sono: il Range dell'accelerazione, la Simmetria sulle accelerazioni e sugli intervalli di tempo tra un appoggio al suolo ed il successivo, la Simmetria nel dominio delle frequenze. Strumenti e Metodi: 10 volontari clinicamente sani hanno svolto 5 prove a velocità Spontanea, Lenta e Lentissima con il sensore inerziale G-Walk (BTS Milano) all'altezza di L5. I dati, acquisiti mediante il software G-Studio, sono stati elaborati grazie a Matlab. Risultati: è definita una fascia di normalità per ogni velocità. Conclusioni: le differenze tra il cammino sano e quello patologico si manifestano nelle grandezze di Range ed Indice di Simmetria sulle accelerazioni. I due parametri che misurano la simmetria nel dominio dei tempi ed in quello delle frequenze sono invece sostanzialmente simili. Tale distinzione è importante in medicina, perchè permette di definire le cause di deficit motorio, il percorso chirurgico/riabilitativo da effettuare e l'entità del recupero funzionale.

Analisi di sospensioni semi attive per sedili di trattrici agricole

L'obiettivo del presente lavoro è quello di modellare diversi tipi di sospensioni semi attive del sedile di una trattrice agricola ed implementare diverse strategie di controllo di smorzamento e rigidezza al fine di minimizzare la propagazione delle vibrazioni al corpo dell'operatore.

Valutazione della stabilità motoria in soggetti post-stroke tramite misure inerziali

I test clinici e i questionari generalmente non sono in grado di fornire una valutazione predittiva e quantitativa della stabilità motoria. Permettono al clinico di esaminare la forza muscolare del paziente, il grado di spasticità, la funzionalità motoria e l'autonomia nello svolgimento delle normali attività, ma non di capire quanto il soggetto sia stabile. Sono stati esaminati diciotto pazienti con esiti di stroke in fase post acuta ed il 38% ha affermato di essere caduto almeno una volta nell'arco degli ultimi dodici mesi. Adottando una politica di prevenzione delle cadute si potrebbero limitare questi eventi che vanno ad aggravare un quadro clinico già compromesso. Per tale motivo sono attualmente oggetto di studio misure biomeccaniche, eseguite in laboratorio, atte a definire metodi con alta sensibilità e specificità per la valutazione della stabilità del cammino. Nel presente lavoro le misure strumentali sono state ottenute partendo dal segnale di accelerazione del centro di massa corporeo. Servendosi di un'unità inerziale munita di accelerometro triassiale è stato possibile, durante il cammino, ricavare l'andamento delle accelerazioni antero-posteriore, medio-laterale e verticale. Grazie ad un algoritmo, messo a punto nel Laboratorio di Bioingegneria della Facoltà di Cesena dall'Ing. Federico Riva, sono stati estrapolati gli indici strumentali. Il corpo centrale di questa tesi consiste nell'analisi statistica condotta tramite modelli di regressione lineare che mettono in correlazione parametri clinici (acquisiti per mezzo di test e questionari) abitualmente usati in ospedale e indici strumentali.