http://hdl.handle.net/1889/676 Sat, 25 May 2013 00:07:38 GMT 2013-05-25T00:07:38Z http://hdl.handle.net/1889/1904 Title: Studio e sviluppo di un sistema neurocomputazionale per l'analisi e la predizione di sequenze temporali multidimensionali Authors: Sassi, Federico Abstract: In questo lavoro di tesi sono stati affrontati vari aspetti riguardanti l'acquisizione e l'analisi di insiemi di dati monodimensionali proventi da vari sensori per individuare pattern spazio-temporali ricorrenti. In particolare sono state presentate le Hierarchical Temporal Memories, un nuovo paradigma computazionale che si ispira al funzionamento della neocorteccia umana, il cui obiettivo è l'individuazione di sequenze spazio-temporali all'interno di un dataset. Questa architettura è stata successivamente impiegata per riconoscere movimenti ed azioni compiuti dalle persone. I sensori utilizzati in questo lavoro si compongono di un accelerometro triassale indossabile e da ambiente sorvegliato da varie telecamere. Una ulteriore componente di questo lavoro di tesi ha riguardato la concezione di un protocollo di routing ottimizzato per Wireless Sensor Networks di monitoraggio. Successivamente è stata utilizzata una WSN per la raccolta di parametri ambientali su un lungo periodo di tempo. Il lavoro di tesi si è quindi concentrato sulla progettazione ed implementazione di una nuova architettura che estende le HTM sia dal punto di vista algoritmico sia dal punto di vista delle funzionalità tramite l'aggiunta di componenti esterni. Questa nuova architettura si è dimostrata in grado di apprendere insiemi di segnali monodimensionali estraendone le componenti invarianti durante la fase di addestramento e di essere in grado di predire con buona accuratezza segnali multidimensionali.; This thesis addresses various aspects of the acquisition and analysis of one-dimensional data sets from different sensors to detect recurrent spatial-temporal patterns. In particular, the Hierarchical Temporal Memories were presented, a new computational paradigm inspired by the functioning of the human neocortex, whose objective is the identification of sequences within a spatial-temporal datasets. This architecture was then used to detect movements and actions performed by people. The sensors used in this work are composed of a wearable triaxial accelerometer and a structured environment watched by several cameras. A further component of this thesis involved the design of a routing protocol for Wireless Sensor Networks optimized for monitoring tasks. Then we used a WSN for the collection of environmental parameters over a long period of time. The thesis has therefore focused on the design and implementation of a new architecture that extends the HTM's algorithms and functionality by adding external components. This new architecture has proved able to learn sets of one-dimensional signals, extracting the invariant components of the signal during the training phase and to be able to predict with good accuracy multidimensional signals. Sat, 31 Dec 2011 23:00:00 GMT http://hdl.handle.net/1889/1904 2011-12-31T23:00:00Z http://hdl.handle.net/1889/1903 Title: Optical Fibers for Sensing Applications Authors: Sozzi, Michele Abstract: L'utilizzo di dispositivi ottici per applicazioni sensoristiche può portare al vantaggio di avere un'alta sensibilità, alla possibilità della riduzione dei costi e della miniaturizzazione del dispositivo. A questo si deve aggiungere la possibilità di effettuare rilevazioni veloci e in modalità real-time. Tra questi dispositivi quelli fabbricati in fibra ottica possono portare ad avere una rilevazione in situ, da remoto, e in modo distribuito. Recentemente i sensori in fibra ottica sono stati utilizzati per applicazioni nel campo biochimico. La rivelazione di elementi patogeni in diversi campi di applicazione, da quello medico, alimentare, militare, e per il monitoraggio ambientale, ha fatto crescere il bisogno di sviluppare sensori affidabili in grado di poter effettuare rilevazioni in tempi rapidi, e con alta sensibilità. Per questo motivo in questo lavoro è stata studiata la possibilità di realizzare sensori in fibra ottica per molecole biologiche, in modo particolare per DNA, utilizzando diversi tipi di piattaforme.; The use of optical devices for sensing applications can have the advantage of having a high sensitivity, and the possibility of reducing the costs and miniaturizing the device. They can also perform a fast and real-time detection. Among optical based sensors the ones fabricated with optical fibers can add the advantage of performing a remote, distributed, and in situ detection. Recently optical fiber based sensors have been used for biochemical applications. The detection of pathogen elements in different fields of applications, medical diagnostic, food industry, military, and environmental monitoring, created the need of developing sensors capable of a sensitive, fast, and reliable detection. For this reason in this work the possibility of realization of optical fiber sensors for biological molecules detection, in particular for DNA, has been studied, using different kinds of platforms. Sat, 31 Dec 2011 23:00:00 GMT http://hdl.handle.net/1889/1903 2011-12-31T23:00:00Z http://hdl.handle.net/1889/1898 Title: Modelado de una Arquitectura Empresarial en un Marco de Referencia - TOGAF Authors: Santamaría Acevedo, Pablo Emilio Abstract: La ricerca nel campo dell'Enterprise Architecture non corrisponde semplicemente a un modo di organizzare le attività che si svolgono all'interno di un'organizzazione, ma vuole fornire un modello per promuovere lo sviluppo dell’architettura d'impresa descrivendo l'organizzazione come una struttura coerente e definendo un modo per l’interazione tra le parti utilizzando le tecnologie dell’informazione come supporto. L’attività di dottorato si è focalizzata nel campo della modellizzazione di un Enterprise Architecture e, in particolare, sull'applicazione di metodologie open source per la costruzione di un framework di lavoro per la realizzazione di un’architettura informatica a supoprto di una organizzazioen universitaria. Il framework open source di riferimento è quello proposto dall'Open Group Architecture Framework (TOGAF-ADM). L'applicazione è la caratterizzazione di un Enterprise Architecture per l’Istituto di istruzione superiore “Fundación Universitaria Juan de Castellanos – JDC”, Tunja – Colombia. In particolare nel lavoro di tesi ci si è focalizzati sulle prime quattro fasi di questa metodologia (più la prima fase preliminare) che sono quelle più progettuali lasciando le fasi che organizzano la parte implementativa come lavoro successivo. Sat, 31 Dec 2011 23:00:00 GMT http://hdl.handle.net/1889/1898 2011-12-31T23:00:00Z http://hdl.handle.net/1889/1897 Title: Sensors for food industry: two cases of study Authors: Tagliaferri, Cristian Abstract: La tesi illustra alcuni esempi di analisi su liquidi alimentari utilizzando la spettroscopia d'impedenza e gli ultrasuoni. Per le misure d'impedenza elettrica sono stati utilizzati dei sensori interdigitati senza la presenza di alcuno strato bio-recettore, normalmente utilizzato per aumentarne la selettività. Le misurazioni hanno riguardato l'analisi di latte vaccino per la verifica di adulterazioni attraverso l'aggiunta di acqua e contaminazioni da detergenti. Nonostante la buona sensibilità di questi sensori in alcune applicazioni, si è riscontrata una saturazione nelle misure su liquidi ad elevata conduttività. Per questo motivo si è progettata e sperimentata una nuova cella elettrochimica a geometria variabile che permette di risolvere questo problema al costo di una maggiore complessità di misura. L'utilizzo degli ultrasuoni ha invece riguardato la misurazione della loro velocità di propagazione in liquidi, al fine di ottenere informazioni sulla densità di questi ultimi. L'intero sistema di trasmissione e ricezione è stato progettato basandosi sull'utilizzo di trasduttori piezoelettrici. Attraverso simulazioni è stato verificato un nuovo metodo di valutazione del tempo di arrivo, basato sulla stima dell'incertezza degli attraversamenti di zero, successivi al primo, nell'oscillazione innescata al ricevitore. Come attività collaterale è inoltre riportato il progetto di un sistema di controllo per fluidi a regime impulsato basato sull'utilizzo di un anemometro a film caldo senza alcun tipo di compensazione.; Some examples of analysis on food liquids, based on impedance spectroscopy and ultrasounds techniques, are shown. InterDigitated Array Microelectrodes, IDAMs, have been used with the purpose of verifying their sensitivity in milk quality control. Oppositely to their typical use, no bio-recognition elements have been applied on the sensors surface. Milk affected by adulteration with water, or by contamination with cleaning solutions, was the main topic of the performed measurements. Good sensitivity was found for some applications but a not linear behaviour gathers from measurements on high conductive solutions. A new electrochemical cell, with variable dimensions, was designed and tested for solving that problem at the cost of a more complex measurement. Ultrasounds were used for measuring their propagation speed in liquids with the aim of gather information about the solution density. Transmitter and receiver were designed using piezoelectric transducers. The post processing was simulated to study a new technique for the estimation of the arrival time based on the zero crossing times following to the first one in the received waveform. As a fringe activity, a flow control system was designed and tested for monitoring pulsed flows, using a hot film anemometer without any compensation technique and adaptive filters. Sat, 31 Dec 2011 23:00:00 GMT http://hdl.handle.net/1889/1897 2011-12-31T23:00:00Z http://hdl.handle.net/1889/1896 Title: Polarization-dependent nonlinear effects in coherent detection systems Authors: Sperti, Donato Abstract: In the last decades the demand for data capacity has increased exponentially. Optical Coherent Detection, firstly proposed at the end of the 1980s to improve receiver sensitivity, has proved as one of the most powerful techniques to increase the optical communication spectral efficiency and so the total per channel capacity. Indeed, thanks to the recent advances in digital signal processing (DSP) and high speed electronics, the DSP-based coherent detection in optical networks expedited the use of polarization division multiplexing (PDM) as a cost-effective way of doubling system capacity. Furthermore, coherent detection presents many others advantages with respect to direct detection such as the use of multilevel optical modulation formats like N-PSK and N-QAM and compensating linear propagation effects in the electrical domain as chromatic dispersion, polarization mode dispersion (PMD) and optical filtering. On the other hand, transmission reach of WDM systems is a major concern for the deployment of such a solution and is usually mainly limited by cross-nonlinear effects. In WDM transmission systems, the cross-nonlinearities make neighboring channels interact depending on their power and state of polarization (SOP). The last is of particular concern in PDM systems since they are more sensitive to a new kind of distortion that has been generally referred to as cross-polarization modulation (XPolM) as a way to distinguish it from the well known cross-phase modulation (XPM). At the beginning of our research activity in 2009, despite the growing interest and the number of publications on XPolM, many of its features were still unknown. For example, in Sept. 2009 Winter et al. provided a model that successfully measured the degree of polarization degradation in presence of XPolM, but it was still not clear when the bit error rate (BER) is dominated by XPolM and how XPolM relates to the other relevant nonlinear effects, such as XPM and self-phase modulation (SPM). With the investigations presented in this thesis we want to fill the gap, by providing a systematic simulation study of system performance where each nonlinear effect acts individually. Furthermore, thanks to the possibility in Optilux software to take into account separately the nonlinear terms of the propagation equation, we add some new piece of knowledge about XPolM. We quantify the XPolM-induced penalty as a function of transmission parameters such as the channel power, spacing and state of polarization (SOP). We also clarify the role of the Viterbi and Viterbi-based carrier phase estimator in mitigation of XPM and XPolM. We focused our investigation mainly on PDM-quadrature phase shift keying (QPSK) modulation format. The thesis is organized as follows. In the first chapter the principal impairments for long haul transmissions are briefly recalled. They are divided into linear and nonlinear effects, according to whether they are independent of the signal power or not. The first group is composed of fiber attenuation, chromatic dispersion and polarization mode dispersion. The second group is composed of nonlinear polarization-independent effects: such as SPM and XPM. Other linear effects such as polarization dependent loss and nonlinear effects as intra channel cross phase modulation, four wave mixing, nonlinear phase noise and non elastic scattering effects (stimulated Raman and Brillouin scattering) are not included in our discussion, while the XPolM is discussed at length in Ch. 3. The second chapter discusses the joint use of PDM and the coherent detection, as a solution to increase the transmission capacity. We also discuss a new technique, namely mode division multiplexing (MDM), to further increase the transmission capacity thanks to the joint use with PDM and coherent detection. In Ch.3, after the definition of the XPolM term in the propagation equation, we show the polarization rotation and the PDM-QPSK constellation distortion induced by XPolM as a function of the rotation axis orientation. We perform such analysis both mathematically and by simulation. In Ch. 4 we show when the bit error rate (BER) of a PDM-QPSK channel is dominated by XPolM, through a massive use of simulation in a wide range of system setups. We analyze different pulse shapes, transmission links and transmission fibers in both hybrid (PDM-QPSK -- OOK) and homogeneous systems (PDM-QPSK). Furthermore we clarify the role of channel power, spacing, state of polarization (SOP) and Viterbi and Viterbi-based carrier phase estimator on the XPM- and XPolM-induced penalty. In the last part of the chapter we quantify the nonlinear penalty in a PDM-BPSK transmission system, showing the average performance and its fluctuation induced by the transmission sequences and SOPs. In Ch. 5 we compare different optical methods to improve the resilience of coherent 112-Gb/s PDM-QPSK WDM transmissions against cross-channel nonlinearities. Such methods consist of increasing the line group velocity dispersion (GVD), or the line PMD, or inserting in-line XPM suppressors, which are passive devices that introduce different delays on adjacent channels at specific points of the line. In Ch. 6 we summarize the experimental results obtained during the research activity at Alcatel-Lucent Bell-Labs France on MDM. In such an activity we employ a mode converter based on a liquid-crystal on silicon (LCOS) spatial modulator and a prototype few mode fiber (FMF). Last but not least, in the Appendix we discuss three different rules to correctly simulate the cross-nonlinearities, showing also some artifacts that can arise with a non-correct setting of some numerical parameters, such as the nonlinear step of Split-Step Fourier method, the sequence length and the sequence type. Sat, 31 Dec 2011 23:00:00 GMT http://hdl.handle.net/1889/1896 2011-12-31T23:00:00Z http://hdl.handle.net/1889/1895 Title: Realizzazione digitale di algoritmi di controllo diretto di coppia per motori asincroni Authors: Rossi, Andrea Abstract: Fra le macchine in corrente alternata, il motore asincrono, o più propriamente detto motore ad induzione, è quello che nel passato è stato utilizzato in modo prevalente per moltissime applicazioni industriali che non avevano necessità di controllo di velocità o di coppia. Esso può essere alimentato direttamente dalla corrente alternata di rete monofase o trifase senza alcuna apparecchiatura elettronica di controllo, e nella diffusissima versione con rotore a “gabbia di scoiattolo”, non richiede la minima manutenzione. A partire dagli anni ’90, grazie alla diffusione degli inverter, il motore asincrono si è notevolmente diffuso anche negli azionamenti a velocità variabile, ottenendo elevate prestazioni dinamiche ed affidabilità, tanto da eguagliare i più moderni azionamenti con motori brushless. Tra le tecniche di controllo ad elevate prestazioni, la principale è quella denominata Controllo ad Orientamento di Campo (acronimo inglese FOC, Field Oriented Control) la quale ha lo scopo di regolare il flusso e la coppia della macchina controllandone le correnti. Una valida alternativa, anche se meno diffusa, è il controllo diretto di coppia (acronimo inglese DTC, Direct Torque Control) il quale calcola i vettori di tensione da applicare ai capi del motore direttamente in funzione delle stime di errori di coppia e di flusso. Questo lavoro descrive lo sviluppo di un nuovo algoritmo di controllo per motori asincroni, derivato e basato sul DTC, ed i risultati ottenuti con tale tecnica. L’algoritmo presentato garantisce le elevate prestazioni e il funzionamento silenzioso del FOC, pur mantenendo la semplicità realizzativa del più elementare DTC.; Among the machines in AC, asynchronous motor, or more properly said induction machine, in the past has been so prevalent for many industrial applications that did not need to control speed or torque. It can be powered directly from AC single phase or three-phase without any electronic control device, and widespread version with "squirrel cage" rotor, it requires minimal maintenance. Since the '90s, thanks to the use of the new motor inverters, induction machine has been greatly popular even in variable speed drives, resulting in high dynamic performance and reliability, so as to match the latest brushless motor drives. Among the techniques of high-performance control, the main one is called Field Oriented Control (with the acronym FOC) which aims to regulate the flux and the torque of the machine by controlling the stator currents. An alternative, though less widespread, is the direct torque control (with the acronym DTC) which calculates the voltage vectors to be applied directly to the stator coil of the motor according to the torque and flux errors. This paper describes the development of a new control algorithm for induction machines, based on the DTC, and the results obtained by this technique. The algorithm presented, provides high performance and quiet operation like FOC, while maintaining the simplicity of realization of the most basic DTC. Sat, 31 Dec 2011 23:00:00 GMT http://hdl.handle.net/1889/1895 2011-12-31T23:00:00Z http://hdl.handle.net/1889/1894 Title: Distributed Algorithms for Location Based Services Authors: Picone, Marco Abstract: Real-time localization services are some of the most challenging and interesting mobile broadband applications in the Location Based Services (LBS) world. They are gaining more and more importance for a broad range of applications, such as road/highway monitoring, emergency management, social networking, and advertising. This Ph.D. thesis focuses on the problem of defining a new category of decentralized peer-to-peer (P2P) algorithms for LBS. We aim at defining a P2P overlay where each participant can efficiently retrieve node and resource information (data or services) located near any chosen geographic position. The idea is that the responsibility and the required resources for maintaining information about position of active users are properly distributed among nodes, for which a change in the set of participants causes only a minimal amount of disruption without reducing the quality of provided services. In this thesis we will assess the validity of the proposed model through a formal analysis of the routing protocol and a detailed simulative investigation of the designed overlay. We will depict a complete picture of involved parameters, how they affect the performance and how they can be configured to adapt the protocol to the requirements of several location based applications. Furthermore we will present two application scenarios (a smartphone based Traffic Information System and a large information management system for a SmartCity) where the designed protocol has been simulated and evaluated, as well as the first prototype of a real implementation of the overlay using both traditional PC nodes and Android mobile devices. Sat, 31 Dec 2011 23:00:00 GMT http://hdl.handle.net/1889/1894 2011-12-31T23:00:00Z http://hdl.handle.net/1889/1893 Title: Tecniche di visione artificiale per elaborazione di immagini provenienti da telecamere fissa e mobile con applicazioni nei campi automotive e videosorveglianza Authors: Mazzei, Luca Abstract: L’obiettivo che si pone questa tesi di dottorato è l’analizzare e descrivere due differenti approcci della visione artificiale per l’elaborazione di immagini acquisite da telecamera fissa e mobile. L’analisi delle principali differenze tra le tecniche analizzate permette di partire da quanto si trova nello stato dell’arte e allo stesso tempo utilizzando gli algoritmi presenti irrobustire e innovare le tecniche stesse. Questa tesi di dottorato è strutturata in due macro argomenti che rispecchiano i principali capitoli. Nel capitolo 2 verranno introdotte le tecniche di elaborazione delle immagini utilizzate nel campo di ricerca legato all’approccio con telecamera singola. Dopo aver inquadrato l’area del problema verranno introdotti nel capitolo due sistemi realizzati che fanno uso di tecniche legate all’elaborazione con telecamera singola e telecamera stereo per il controllo degli accessi ad un varco. Nel capitolo 3 verranno introdotte le tecniche di elaborazione dell’immagine legate all’approccio con telecamera mobile. In particolare verranno presentati dei sistemi realizzati all’interno del filone di ricerca automotive per veicoli autonomi. Nel capitolo 4 verranno tratte le conclusioni sul lavoro e le attività di ricerca svolte riguardo i propositi presenti nelle motivazioni della ricerca stessa inserite nell’introduzione e riguardo i sistemi presentati nei capitoli precedenti. I sistemi presentati nel capitolo 3 fanno ampio uso di tecniche di intelligenza artificiale e apprendimento automatico che saranno, per completezza, introdotti nelle appendici presenti. Sat, 31 Dec 2011 23:00:00 GMT http://hdl.handle.net/1889/1893 2011-12-31T23:00:00Z http://hdl.handle.net/1889/1892 Title: Optimal motion planning of wheeled mobile robots Authors: Lini, Gabriele Abstract: La tesi presenta alcuni metodi per la pianificazione ed il controllo ottimo del moto di veicoli automatici su ruote. In particolare, le tecniche introdotte possono essere applicate all’ampia classe dei sistemi “flat”. I risultati possono essere riassunti con uno schema di controllo feedforward/feedback, il cui scopo è quello di garantire un controllo robusto ed altamente performante. Le alte prestazioni sono ricercate attraverso la pianificazione di profili di velocità tempo-ottimi e continui, e di percorsi geometricamente continui, che portano ad un segnale di sterzatura in ingresso continuo. Questo significa che si può ottenere una movimentazione del veicolo e, in un certo modo, la navigazione autonoma del veicolo può eseguire manovre “agili” e “dolci”. La robustezza è ottenuta attraverso procedure di ripianificazione iterativa della traiettoria, le quali garantiscono l’inseguimento della traiettoria pianificata in presenza di rumore. E’ stata dimostrata, riguardo ai metodi di pianificazione di traiettoria proposti, l’esistenza di limiti in forma chiusa per l’errore di tracking. I risultati simulativi e sperimentali ottenuti durante questa ricerca indicano che i metodi proposti sono ben portati per un’implementazione in tempo reale, a patto che alcune delle ottimizzazioni richieste siano eseguite “off-line”. Infatti, profili di velocità e percorsi ottimi possono essere generati in “real-time” usando veloci routine di ottimizzazione locale, basate su “look-up tables” costruite per mezzo di ottimizzazioni fuori-linea.; The thesis presents some methods useful for the optimal planning and control for the motion of autonomous wheeled vehicles. In particular, the exposed techniques may be applied to the wide class of flat systems. Results can be summarized as an hybrid feedforward/feedback control scheme, whose purpose is to guarantee a robust and highly performing control. High performances are reached out with the planning of time-optimal and continuous velocity profiles and geometrically continuous paths, that lead to a continuous steering input signal. This means that a smooth and optimal motion of the wheeled vehicle can be attained and, in such a way, the vehicle autonomous navigation can perform agile and event-driven maneuvers. Robustness is achieved by means of iterative trajectory replanning procedures, which guarantee the tracking of the planned trajectory in the presence of noise. It has been proved the existence, for the proposed trajectory planning methods, of closed-form bounds on the tracking error. Simulation and experimental results obtained during this research point out that the presented methods may be well suited for a real-time implementation provided that some of the required optimizations are done off-line. Indeed, optimal velocity profiles and paths can be generated in real-time using fast local optimization routines based on look-up tables built with off-line optimization. Sat, 31 Dec 2011 23:00:00 GMT http://hdl.handle.net/1889/1892 2011-12-31T23:00:00Z http://hdl.handle.net/1889/1891 Title: Elaborazione di immagini per la realizzazione di sistemi di supporto alla guida automatica in ambito urbano, extraurbano ed off-road. Authors: Cardarelli, Elena Abstract: Il lavoro svolto nell'ambito di questa tesi di dottorato ha riguardato l'analisi, lo sviluppo e l'implementazione di algoritmi di visione artificiale per la realizzazione di sistemi di supporto alla guida automatica in ambito urbano, extraurbano ed off-road. Particolare enfasi è stata riservata al ruolo dei classificatori dimostrandone la loro versatilità.; The thesis is focused on the anaysis, implementation and testing of vision-based algorithms for the realization of Advanced Drive Assistance System in urban, extraurban and off-road environments. In particular the work has demonstrated the versatility of the classifiers. Sat, 31 Dec 2011 23:00:00 GMT http://hdl.handle.net/1889/1891 2011-12-31T23:00:00Z