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Appunti di Elettronica , Automazione , Telecomunicazioni , Antintrusione , Illuminotecnica

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Appunti e tesine di Ingegneria Elettronica,Ingegneria Informatica e Automatica,Ingegneria delle Telecomunicazioni
 

Appunti di Robotica Industriale - Meccanica dei Robot

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Pag.1 : Posizione ed orientamento di un corpo rigido nello spazio; trasformazione di coordinate con la notazione convenzionale : matrici di pura rotazione , matrici di pura traslazione , matrici di rototraslazione; rappresentazione omogenea di un vettore ( 4 componenti in luogo di 3 ) e matrice di trasformazione omogenea.

Pag.2 : Rappresentazioni minime dell'orientamento ; coseni direttori normali e ortogonali ; rotazioni attorno ad assi fissi ed angoli di Cardano ; angoli aeronautici o Roll-Pitch-Yaw ; singolarità di rappresentazione ; funzione atan2 ; rotazione attorno ad assi mobili ed angoli di Eulero.

Pag.3 : Asse equivalente di rotazione finita ; matrice di trasformazione con rappresentazione minima dell'orientamento. Problema cinematico diretto per un robot seriale ; esempi di problemi cinematici diretti : il robot 2R ( 2 giunti rotoidali )

Pag.4 : Come rendere sistematica la soluzione del problema cinematico diretto : scelta delle terne di riferimento solidali ai giunti secondo le convenzioni di Denavit-Hartenberg ; parametri di Denavit-Hartenberg

Pag.5 : Parametri di Denavit-Hartenberg per alcune strutture tipiche : robot 2R , Manipolatore Stanford con polso sferico ( manipolatore sferico )

Pag.5a : Parametri di Denavit-Hartenberg per alcune strutture tipiche : manipolatore antropomorfo , polso sferico

Pag.6 : Problema cinematico inverso di posizione : ricavare le coordinate nello spazio di lavoro ( coordinate esterne ) dalle coordinate nello spazio dei giunti ( coordinate interne ); aspetti critici dell'analisi cinematica inversa : esistenza della soluzione , soluzioni multiple o infinite , analisi delle configurazioni

Pag.7 : aspetti critici dell'analisi cinematica inversa di posizione : singolarità , applicabilità dei metodi analici e ricorso ai metodi numerici , svantaggio dei metodi numerici nel controllo real time del robot; esempio di soluzione analitica del problema cinematico inverso di posizione : il metodo di Pieper per il polso sferico ; cinematica inversa di alcuni robot notevoli : il robot 2R

Pag.7a : cinematica inversa di alcuni robot notevoli : manipolatore Stanford con polso sferico ( manipolatore sferico ) , manipolatore antropomorfo

Pag.8 : le grandezze in gioco nella cinematica di velocità ( o cinematica differenziale ) : velocità lineare , velocità angolare e matrice velocità di rotazione; cinematica di velocità con algoritmo di Luh-Walker-Paul ; cinematica differenziale con matrice jacobiana.

Pag.9 :  calcolo dello jacobiano geometrico ; cinematica differenziale diretta per derivazione delle matrici di Denavit - Hartenberg ; cinematica differenziale inversa mediante inversione dello jacobiano ; cinematica differenziale inversa in caso di singolarità cinematiche e di robot ridondanti : pseudo-inversa dello jacobiano

pag.10 : cinematica differenziale di alcuni robot notevoli : robot 2R , manipolatore Stanford , manipolatore antropomorfo.

pag.11 : cinematica di accelerazione e componenti dell'accelerazione : accelerazione lineare , accelerazione relativa , accelerazione di Coriolis , accelerazione di trascinamento , accelerazione centripeta. Cinematica diretta di accelerazione con algoritmo di Luh-Walker-Paul , cinematica diretta e inversa con lo jocabiano

pag.11a : analisi statica del robot ( analisi delle forze e delle coppie agenti sul robot in condizioni di equilibrio ) ; approccio di Newton-Eulero ; approccio dei lavori virtuali ; dualità cineto-statica.

pag.11b : analisi di cedevolezza di un manipolatore ; ellissoidi di manipolabilità.

pag.12 :  dinamica di un manipolatore , problema dinamico diretto e problema dinamico inverso ; soluzione del problema dinamico mediante approccio di Lagrange : funzione lagrangiana , forza generalizzata non conservativa.

pag.13 : soluzione delle equazioni di Lagrange mediante esplicitazione dell'energia cinetica e dell'energia potenziale

pag.14 : soluzione del problema dinamico mediante approccio di Newton-Eulero ( bilancio delle forze e dei momenti agenti su ciascun link del manipolatore ) , passaggio dall'equazione di Newton e dall'equazione di Eulero ad equazioni in forma chiusa , risoluzione delle equazioni mediante algoritmo ricorsivo : ricorsione in avanti e ricorsione all'indietro; esempio : soluzione del problema dinamico del robot 2R mediante approccio di Newton-Eulero.

pag.15 : esempio : soluzione del problema dinamico del robot 2R mediante approccio di Newton-Eulero.

pag.16 : controllo di un manipolatore : pianificazione del moto; pianificazione delle traiettorie nello spazio dei giunti e pianificazione nello spazio di lavoro; pianificazione con moto punto-punto e pianificazione con percorso assegnato. Criteri di pianificazione punto-punto nello spazio dei giunti : minimizzazione dell'energia o andamento "smooth" della velocità iniziale e finale.

pag.17 : pianificazione delle traiettorie punto-punto nello spazio dei giunti con profilo di velocità trapezoidale; pianificazione con percorso assegnato nello spazio dei giunti.

pag.18 : pianificazione delle traiettorie nello spazio di lavoro; pianificazione con punti di percorso , pianificazione con primitive di percorso ; pianificazione dell'orientamento dell'end effector : pianificazione mediante angoli di Eulero ZYZ e pianificazione mediante rappresentazione minima asse/angolo. Scalatura nel tempo delle traiettorie per la riduzione delle coppie ai giunti.

Pag.19 : introduzione al controllo , l'esempio del controllo di una massa unitaria mediante applicazione di una forza ( funzione di trasferimento secondo Laplace 1/s^2 ) , controllo , asservimento , controllo partizionato di un sistema del secondo ordine.

Pag.20 :  controllo di sistemi non lineari , controllo a dinamica inversa di un robot , controllo model based senza disaccoppiamento.

Pag.21 : controllo indipendente ai giunti ( decentralizzato ) , controllo decentralizzato con retroazione di posizione o velocità

Pag.21a :  controllo dell'interazione , controllo di cedevolezza , controllo di impedenza.

Bibliografia :

Robotica. Modellistica , pianificazione e controllo. - Lorenzo Sciavicco , Bruno Siciliano - McGraw Hill Editore

Robotica industriale. Modellistica e controllo di manipolatori - Lorenzo Sciavicco , Bruno Siciliano - McGraw Hill Editore

Robotica Industriale - Giovanni Legnani - Casa Editrice Ambrosiana

Introduction to robotics - John J. Craig - Pearson Education

Robot Analysis and control - Haruhiko Asada, Jean-Jacques E. Slotine - John Wiley & Sons Inc

 

Appunti di Elettrotecnica

Pag.1 : modello circuitale a costanti concentrate; grandezze elettriche : la tensione e la sua unità di misura ( Volt = Joule / Coulomb ) , la corrente e la sua unità di misura ( Ampère = Coulomb / secondo ) , definizione di porta elettrica.

Pag.2 : Le leggi di Kirchhoff , somma algebrica delle correnti entranti ed uscenti da una superficie chiusa ( prima Legge di Kirchoff ) , somma algebrica delle tensioni lungo una linea chiusa ( seconda legge di Kirchhoff ). Componenti circuitali nel modello a costanti concentrate : monopolo elettrico , bipolo elettrico , tripolo elettrico , quadripolo elettrico.

Pag.3 : Ipotesi restrittive sul modello circuitale : linearità , permanenza o stazionarietà , causalità ; proprietà notevoli di componenti e circuiti : reciprocità , passività.

Pag.4 : Componenti (ideali) bipolari nel modello a costanti concentrate : il resistore e il condensatore

Pag.5 : Componenti (ideali) bipolari nel modello a costanti concentrate : l'induttore , il generatore indipendente di tensione , il generatore indipendente di corrente

Pag.6 : esempi di circuiti assurdi o irrisolvibili , natura delle incongruenze : idealizzazione del modello dei conduttori e dei generatori nella rappresentazione a costanti concentrate; collegamento in serie di resistori , collegamento in s erie di condensatori e induttori.

Pag.7 : partitore di tensione; collegamento in parallelo di resistori , induttori e condensatori , partitore di corrente. Configurazioni topologiche equivalenti : semplificazioni di rappresentazione per individuare i componenti in serie e parallelo.

Pag.8 : componenti ideali a due porte; 1) generatori dipendenti : generatore di tensione controllato in tensione , generatore di tensione controllato in corrente , generatore di corrente controllato in tensione , generatore di corrente controllato in corrente , considerazioni sulla rappresentazione grafica dei generatori dipendenti

Pag.9 : realizzazione di un resistore attivo mediante generatore di tensione dipendente da corrente; componenti ideali a due porte : 2) il nullore ; amplificatore invertente e non invertente con il nullore.

Pag.10 : componenti ideali a due porte : 3) il trasformatore ideale; resistenza equivalente di un resistore chiuso su una porta del trasformatore ideale; 4) induttori mutuamente accoppiati.

Pag.11 : componenti ideali a due porte : 5) il giratore ; esempio di elemento 2n-porte : il trasformatore ideale multiporta.

Pag.12 : perché è necessario formalizzare il problema dell'analisi di un circuito? analisi di un circuito lineare permanente a costanti concentrate , grafo di un circuito.

Pag.13 : definizione di taglio e maglia ; definizione di albero e coalbero , maglie e tagli fondamentali.

Pag.14 : proprietà delle maglie fondamentali e dei tagli fondamentali ; equazione di Kirchhoff linearmente indipendenti.

Pag.15 : metodo tabellare di analisi di un circuito ; limiti del metodo tabellare : complessità e presenza di elementi con memoria. Ortogonalità di [V] ed [I] e principio di conservazione delle potenza istantanea; teorema di Tellegen.

Pag.16 : analisi di un circuito LPC senza memoria , metodo delle maglie , metodo dei tagli , ipotesi aggiuntive per il metodo delle maglie , formalizzazione del sistema risolvente.

Pag.17 : costruzione algoritmica della matrice [Z] e del vettore [Vg] ; alternativa alla costruzione algoritmica : le correnti fittizie di maglia

Pag.18 : scelta deterministica dell'albero : il metodo degli anelli ; metodo dei tagli e ipotesi che lo rendono applicabile.

Pag.19 : formalizzazione del sistema risolvente ; costruzione algoritmica della matrice [Y] e del vettore [Ig] ; metodo dei nodi.

Pag.20 : eliminazione di generatori di corrente mediante trasformazioni : come portare un generatore di corrente in parallelo a tutti i componenti di una maglia , circuito equivalente per generatori di corrente in parallelo fra loro , circuito equivalente per un generatore di corrente in parallelo ad un generatore di tensione , circuito equivalente per un generatore di corrente in parallelo ad un resistore ; eliminazione di generatori di tensione mediante trasformazioni : come portare un generatore di tensione in serie a tutte le maglie di un nodo , circuito equivalente per generatori di tensione in serie fra loro , circuito equivalente per un generatore di tensione in serie ad un generatore di corrente , circuito equivalente per un generatore di tensione in serie ad un resistore.

Pag.21 : metodo delle maglie esteso ( o misto ) , metodo dei tagli o dei nodi esteso

Pag.22 : metodo della matrice di incidenza , derivazione del metodo dei nodi dal metodo della matrice di incidenza;

Pag.23 : caratterizzazione limitata di una porta : il teorema di sostituzione; significato grafico del teorema di sostituzione.

Pag.24 : teorema di sostituzione per circuiti con 2 porte ; osservazione sulla utilità del teorema di sostituzione ; teorema di Thevenin ; teorema di Norton

Pag.25 : caratterizzazione delle reti inerti senza memoria ; enunciati dei teoremi di Thevenin e Norton in funzione della Rth ( resistenza della rete inerte ) , Vth ( tensione a vuoto ) ed Ino ( corrente di cortocircuito ) e loro dimostrazione alternativa ; dimostrazione dell'equivalenza fra un generatore di corrente indipendente in parallelo ad un resistore con un generatore di tensione in serie al medesimo resistore.

Pag.26 : relazione esistente fra tensione a vuoto Vth , resistenza della rete inerte Rth e corrente di cortocircuito Ino ; generalizzazione dei teoremi di Thevenin e Norton alle reti 2-porte , caratterizzazione delle reti 2-porte inerti : matrici di trasferimento e matrici ibride.

Pag.27 : matrici di impedenza a vuoto e di ammettenza di corto circuito. 

Pag.28 : considerazioni sulle caratterizzazioni esterne delle reti : è sempre possibile caratterizzare una porzione del circuito con le rappresentazioni esterne? come caratterizzare il trasformatore ideale , il giratore e i generatori dipendenti mediante le matrici di impedenza a vuoto e le matrici di trasferimento? Sostituzione dei quadripoli con doppi bipoli per semplificare il circuito da risolvere.

Pag.29 : generalizzazione dei concetti di serie e parallelo ai componenti 2-porte : collegamento serie-serie , collegamento parallelo-parallelo.

Pag.30 : collegamento in cascata di componenti 2-porte ; assorbimento di una resistenza nella matrice [Z] di un componente 2-porte e assorbimento di una conduttanza nella matrice [Y] di un componente 2-porte ; esempi di reti 2-porte tipiche : rete a T o stella , rete a pi-greco o triangolo , rete a traliccio , rete a T derivata , rete a T doppia.

Pag.31 : conseguenze della reciprocità sulla rappresentazione delle reti 2-porte , teoremi di reciprocità di una rete : ogni rete puramente resistiva è reciproca , una rete N-porte composta solamente da componenti reciproci è anch'essa reciproca.

Pag.32 : simmetria ( esterna ) di una rete 2-porte e conseguenze ; simmetria interna e teorema di Bartlett nel caso non intrecciato.

Pag.33 : teorema di Bartlett nel caso intrecciato ; esempi di risoluzione di reti bisezionabili.

Pag.34 : circuiti con  memoria ; approccio di risoluzione con le equazioni di stato , stato iniziale per circuiti RLC , approccio numerico orientato al calcolatore : metodo delle differenze finite

Pag.35 : algoritmi risolutivi per il metodo numerico o alle differenze finite : algoritmo di Eulero diretto , algoritmo di Eulero inverso , algoritmo trapezoidale; circuito equivalente dell'induttore , circuito equivalente del condensatore

Pag.37 : circuiti con memoria : metodo della trasformata di Laplace; equazioni costitutive dei componenti elettrici ideali nel dominio della variabile complessa s : resistore , condensatore scarico , condensatore con condizione iniziale non nulla , induttore con corrente iniziale nulla

Pag.38 : equazioni costitutive dei componenti elettrici ideali nel dominio della variabile complessa s : induttore con condizione iniziale non nulla , induttori mutuamente accoppiati ; funzioni di rete nel dominio della variabile s : ammettenza di ingresso , impedenza di ingreso , transimpedenza , transammettenza , funzione di trasferimento in tensione , funzione di trasferimento in corrente.

Pag.39 : analisi di una funzione razionale fratta nella variabile s : definizione di polo e di zero ; antitrasformabilità dell'uscita in s in funzione della trasformabilità dell'ingresso ; classe delle funzioni canoniche : impulso unitario o delta di Dirac , gradino unitario , rampa unitaria , funzione canonica di ordine n.

Pag.40 : antitrasformazione dell'uscita U(s) razionale fratta : forma polinomiale e forma con esplicitazione dei poli e degli zeri

Pag.41 : limiti del modello circuitale a costanti concentrate per circuiti con memoria : esempio di circuito degenere che viola il principio di conservazione dell'energia; risposta del circuito al delta di Dirac ( risposta impulsiva ) e sua importanza per la caratterizzazione del circuito rispetto ad un ingresso qualsiasi.

Pag.42 : stabilità di un circuito LPC : stabilità asintotica , stabilità condizionata  , instabilità; condizioni di stabilità rispetto ai poli del sistema : poli nell'origine , poli reali non nulli , poli complessi coniugati.

Pag.43 : stabilità di un circuito passivo , stabilità asintotica e stabiltà condizionata ; implementazione (sintesi ) di una funzione di rete H(s) con rete a "scala".

Pag.44 : suddivisione dell'uscita in risposta libera e risposa forzata ; suddivisione dell'uscita in risposta transitoria e risposta a regime ; calcolo della risposta a regime per ingressi sinusoidali con il metodo dei fasori

Pag.45 : definizione di fasore associato ad un ingresso sinusoidale , piano dei fasori. Eliminazione dei transitori.

Pag.46 : metodo dei fasori e circuiti condizionatamente stabili ; analisi in continua ; analisi in presenza di più eccitazioni di frequenza diversa ; metodo dei fasori in forma grafica : rappresentare la grandezza e(t) associata al fasore.

Pag.47 : metodo dei fasori in forma grafica : rappresentare le equazioni costitutive dei componenti elettrici ; rappresentare le equazioni di Kirchhoff ai nodi e alle maglie. Potenza a regime sinusoidale.

Pag.48 : Potenza a regime sinusoidale : definizione di potenza attiva e potenza reattiva , entità della potenza attiva e della potenza reattiva al variare del fattore di potenza ( fi ) , utilità del rifasamento , potenza complessa e potenza apparente. Potenza a regime sinusoidale nei componenti ideali : resistore ideale , induttore ideale.

Pag.49 : Potenza a regime sinusoidale nei componenti ideali : condensatore ideale , impedenza generica , trasformatore ideale , giratore; bilancio delle potenze.

Pag.50 : Rifasamento di un carico Ohmico-induttivo ; normalizzazione in frequenza mediante scalatura delle frequenze ( divisione per w0 ) , normalizzazione in ampiezza mediante scalatura delle impedenze ( divisione per R0 )

Pag.51 : Sistemi elettrici monofase e sistemi elettrici trifase ; sistemi elettrici trifase stella-stella , sitemi elettrici trifase triangolo-stella , sistemi trifase stella triangolo , sistemi trifase triangolo-stella , sistemi trifase stella-stella con neutro e senza neutro. Sistema elettrico trifase equilibrato , sistema elettrico simmetrico , tensioni concatenate.

Pag.52 : Sistemi elettrici trifase non equilibrati , corrente sul neutro come indice di squilibrio del sistema , teorema di Fortescue e sistemi non simmetrici

Pag.53 : Potenza nei sistemi elettrici trifase simmetrici ed equilibrati ; vantaggi dell'utilizzo dei sistemi trifase nel trasferimento di potenza elettrica rispetto ai sistemi monofase.

Pag.54 : Misure di potenza nei sistemi elettrici ; il wattmetro : simbolo e sua inserzione in un circuito monofase ; misura di potenza in sistemi elettrici trifase mediante tre wattmetri collegati a stella o mediante due wattmetri ( inserzione Aron ) ; teorema del massimo trasferimento di potenza attiva.

Pag.55 :  Rappresentazione delle equazioni costitutive di un 2-porte mediante relazione fra onda incidente e onda riflessa anziché relazione fra V ed I ; riformulazione del teorema del massimo trasferimento di potenza attiva in termini di onda incidente e onda riflessa.

Pag.56 : Trasferimento di potenza attiva in reti 2-porte , definizione della matrice di diffusione S e del guadagno di potenza G , guadagno di trasduzione Gd e guadagno di inserzione Gi.

Pag.57 : Collegamenito di reti due porte in cascata e influenza delle reti a valle sul comportamento delle reti a monte : definizione delle impedenze immagine e dei coefficienti di trasduzione ingresso-uscita e uscita-ingresso ; chiusura di reti 2-porte su "base immagine".

Pag.58 : Analisi dei circuiti elettrici in presenza di eccitazioni sinusoidali a frequenza diversa e in presenza di eccitazioni periodiche non sinusoidali : spettro di ampiezza e spettro di fase della risposta in frequenza.

Pag.59 : Calcolo dell'uscita rispetto ad un ingresso periodico non sinusoidale in base alla risposta in frequenza ; analisi in frequenza con eccitazioni non periodiche. 

 

Appunti di Teoria dei Sistemi

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Pag.1 : Introduzione alla definizione rigorosa di sistema , il modello matematico , l'analisi delle sue proprietà , il governamento del suo comportamento; rappresentazione di un sistema dinamico , definizione dei canali di ingresso e dei canali di uscita ; esempi di sistemi dinamici : il circuito RC , il pendolo ; introduzione al concetto delle variabili di stato attraverso gli esempi del circuito RC e del pendolo.

Pag.2 : Definizione rigorosa di sistema dinamico : insieme dei tempi , insieme di ingresso e insieme delle funzioni di ingresso , insieme di uscita e insieme delle funzioni di uscita , insieme di stato , funzione di transizione di stato , funzione di transizione di uscita; definizione di sistemi dinamici a tempo continuo e di sistemi dinamici a tempo discreto. Significato e interpretazione della funzione transizione di stato : assiomi di irreversibilità , consistenza , composizione e causalità per la funzione transizione di stato.

Pag.3 : Definizione di sistema dinamico proprio o puramente dinamico e di sistema improprio. Definizione di evento , di insieme degli eventi , di movimento e  traiettoria ; definizione di punto di equilibrio in tempo finito e di punto di equilibrio in tempo infinito.

Pag.4 : Definizione di automa , automa proprio ( macchina di Moore ) e automa improprio ( macchina di Mealy ) ; rappresentazione di un automa mediante tabella e mediante grafo ; grafo di un automa di Moore e grafico di un automa di Mealy. Esemplificazione di alcune definizioni dei sistemi dinamici sugli automi : individuazione dell'insieme dei tempi , dell'insieme di ingresso e delle funzioni di ingresso , dell'insieme di uscita e dell'insieme delle funzioni di uscita , dell'insieme di stato , delle funzioni transizione di stato e transizione di uscita; individuazione della funzione di ingresso che da luogo ad un punto di equilibrio.

Pag.5 : Definizione di sistema connesso ( connessione ) e di sistema osservabile ( osservabilità ); definizione di stato raggiungibile ; esemplificazione dei concetti di osservabilità e raggiungibilità sull'esempio di un automa ; non osservabilità di un sistema e definizione di stati indistinguibili. La rappresentazione di un sistema dinamico che prescinde dallo stato : rappresentazione esterna o rappresentazione ingresso-uscita.

Pag.6 : Passaggio dalla rappresentazione ingresso-uscita alla rappresentazione nello spazio di stato di un sistema dinamico : realizzazione. Classi notevoli di sistemi dinamici : sistemi stazionari o invarianti nel tempo.

Pag.7 : Proprietà dei sistemi invarianti nel tempo. Definizione di sistemi regolari nel caso a tempo discreto , funzione generatrice , funzione generatrice in forma esplicita ed in forma implicita. Definizione di sistemi regolari nei sistemi a tempo continuo.

Pag.8 : Definizione di sistema dinamico lineare a tempo continuo e a tempo discreto; sitemi lineari a dimensione finita e loro rappresentazione mediante le matrici A , B , C , D. Proprietà di decomposizione per sistemi lineari : risposta libera e risposta forzata.

 

Appunti di Chimica per Ingegneria : Prof. Bruni , Università Politecnica delle Marche . Anno Accademico 2001

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Pag1 : Campo di interesse della Chimica : materia , sostanze , proprietà. Sistemi e fasi : Sistemi aperti , Sistemi Chiusi , Sistemi Isolati. Definizione di fasi di un sistema. Sistemi chimicamente eterogenei ( soluzioni ) e sistemi chimicamente omogenei ( sostanze ) , Sostanze elementari ( elementi ) e sostanze molecolari ( composti ). Struttura di una sostanza e trasformazioni : trasformazioni veloci , trasformazioni lente e trasformazioni infinitamente lente.

Pag.2 : Trasformazioni reversibili e irreversibili , il linguaggio della Chimica : Simboli degli elementi chimici , formule molecolari e formule empiriche , definizione di reazione chimica ed equazione di una reazione chimica , reagenti della reazione e prodotti della reazione , conversione reversibile e irreversibile dei reagenti chimici in prodotti chimici , bilanciamento delle equazioni chimiche.

Pag.3 : Le Teorie Atomiche e La Legge di Conservazione della Massa. Principio di Conservazione della Massa ( Lavoisier , 1785 ) , Legge delle Proporzioni finite ( Proust , 1799 ) e Legge delle proporzioni multiple ( Dalton , 1807 ). Superamento del Principio di conservazione della Massa con il Principio di Conservazione della Massa - Energia . La massa degli elementi e dei composti : definizione di Unità di Massa Atomica , definizione di peso atomico , calcolo della massa assoluta a partire dal Peso Atomico e dall'unità di Massa atomica. Evoluzione nella scelta dell'unità di Massa atomica : idrogeno , ossigeno , carbonio.

 

Tesi di Robotica per Ingegneria Elettronica : Sommario

Tesi : GRASPING ASSISTITO DA VISIONE ARTIFICIALE PER UN MANIPOLATORE MOBILE CON COMPITI ASSISTIVI

autore : CIAMPICHETTI DANIELE

relatore : LONGHI SAURO

anno : 2004

Università Politecnica delle Marche

Facoltà di Ingegneria

Corso di Laurea in Ingegneria Elettronica Vecchio Ordinamento

Votazione ottenuta : 110/110 e Lode

 

SOMMARIO

Introduzione

Capitolo 1

1.1 Il concetto di manipolatore mobile fra robotica industriale e robotica avanzata

1.2 Tecniche e metodi della robotica industriale

1.2.1 Il problema cinematico diretto

1.2.2 I parametri di Denavit-Hartenberg

1.2.3 Il problema cinematico inverso

1.2.4 Una procedura sistematica per l’inversione cinematica di robot con polso sferico

1.2.5 Cinematica differenziale

1.2.6 La pianificazione del moto

1.3 I manipolatori mobili in robotica assistiva

Capitolo 2. Il sistema di visione

2.1 La telecamera utilizzata

2.2 La scheda di acquisizione video IMAQ 1408

2.3 Il modello prospettico o Pin-Hole

2.3.1 Il modello Pin-Hole in coordinate omogenee

2.4 Il metodo tabellare

2.5 La calibrazione

2.5.1 La calibrazione Pin-Hole

2.5.2 La calibrazione tabellare

2.5.3 La procedura di estrazione dei centroidi

2.6 La cinematica diretta della telecamera

2.7 L’algoritmo di visione

Capitolo 3. Il grasping

3.1 Estrazione del contorno

3.2 Il grasping rispetto alla terna base del robot

Capitolo 4. L’Hardware e la meccanica del sistema

4.1 Il sistema MANUS

4.1.1 La struttura meccanica

4.1.2 Il sistema di controllo

4.2 Il bus CAN

4.2.1 Il bus CAN secondo il modello ISO-OSI

4.2.2 Il livello fisico

4.2.3 Il Transfer Layer

4.2.4 L’Object Layer ed il controllore 82C200

4.3 La comunicazione fra PC e MANUS

Capitolo 5 : Il Software del sistema

5.1 Le caratteristiche del manipolatore mobile

5.2 Il driver per il computer-box

5.3 La prevenzione delle collisioni

5.4 La pianificazione del moto

5.5 L’interfacciamento fra pianificatore e driver

Capitolo 6 : Risultati e conclusioni

6.1 Il controllo del MANUS

6.2 Il sistema di visione

6.3 Conclusioni

6.4 Sviluppi futuri

Appendice A. I programmi in linguaggio C

Appendice B. I programmi in MATLAB

B.1 Funzioni per la prevenzione delle collisioni

B.2 Funzioni per l’analisi cinematica

B.3 Funzioni per la pianificazione del moto

B.4 Funzioni per la calibrazione

B.5 Funzioni per il grasp

B.4 Utilities

Bibliografia

 

L'automazione dei processi industriali

  1. L’automazione dei processi industriali

 

Volendo dare una definizione di automazione industriale, possiamo adottare la seguente: “L’automazione industriale è la disciplina che studia i metodi e le tecnologie che permettono il controllo dei flussi di energia, di materiali e di informazioni necessari alla realizzazione di processi produttivi”.

L’importanza dell’automazione nei processi produttivi moderni deriva da molti fattori, non solo economici, come ad esempio:

  • il miglioramento della qualità dei prodotti;

  • la possibilità di utilizzare lo stesso impianto per più prodotti (flessibilità);

  • la riduzione dei tempi di produzione;

  • la riduzione dei magazzini in ingresso ed uscita;

  • la riduzione degli scarti di lavorazione;

  • il minor costo della produzione;

  • la possibilità di ridurre l’impatto ambientale e di risparmiare energia;

  • il miglioramento della competitività dell’azienda nel suo complesso.

In generale, in un sistema automatizzato possono essere individuati il processo fisico ed il sistema di controllo.

 

Il processi fisico può essere definito come “una combinazione di operazioni che agiscono su entità appartenenti al mondo fisico e che cambiano alcune delle loro caratteristiche”. Esempi di queste azioni possono essere le azioni di movimento, le lavorazioni meccaniche, le reazioni chimiche e lo scorrere di flussi di energia.

Un processo fisico riceve in ingresso dei materiali, sotto forma di prodotti grezzi, dell’energia e delle informazioni che possono assumere la forma di valori di tensione o corrente elettrica, di pressione di un fluido, oppure essere codificate in sequenze di valori binari. Le uscite sono invece dei materiali, sotto forma di prodotti finiti e scarti, ancora dell’energia e delle informazioni sulle azioni avvenute.

I disturbi provenienti dall’ambiente che agiscono sul processo possono anch’essi essere considerati come ingressi del processo.

Le informazioni in uscita sono fornite da appositi dispositivi formati da un sensore, il quale trasforma la variabile da misurare nel tipo di grandezza che si adotta per la misura, e da un trasduttore, il quale accetta una informazione sotto forma di variabile fisica e la converte in una grandezza di differente natura (tipicamente elettrica). Molto spesso sensore e trasduttore coincidono nello stesso elemento.

Le informazioni in entrata sono utilizzate dagli attuatori per alterare il valore di variabili di controllo per il processo. Di solito gli attuatori sono preceduti dai preattuatori, i quali provvedono a realizzare le conversioni delle informazioni e le amplificazioni di potenza. Come esempio di attuatore possiamo citare un motore: in questo caso il preattuatore è il circuito di potenza che lo pilota.

I sensori, gli attuatori e i preattuatori possono essere considerati come facenti parte del processo fisico e ne costituiscono l’interfaccia verso il sistema di controllo.

Il sistema di controllo riceve informazioni sullo stato del processo tramite i sensori, le elabora secondo algoritmi specificati, e invia agli attuatori le informazioni relative alle azioni da mettere in atto per realizzare il controllo del processo fisico.

 

A tale scopo esso riceve anche informazioni da una o più entità esterne, le quali possono essere degli operatori umani o altri sistemi di controllo gerarchicamente superiori; esso è inoltre in grado di fornire a queste entità esterne informazioni sul suo stato e su quello del processo controllato

 

Sistema di controllo e misura di un processo industriale

  1. Sistema di controllo e misura di un processo industriale

 

Secondo lo standard IEC 1131, “un sistema di controllo e di misura di un processo industriale può essere descritto come un insieme di dispositivi interconnessi e comunicanti tra di loro attraverso una o più reti di comunicazione”.

Una funzionalità svolta da tale sistema è modellata come un’applicazione che può risiedere in un singolo dispositivo o essere distribuita tra diversi dispositivi. Per esempio, un’applicazione può consistere nella chiusura di uno o più anelli di controllo dove l’acquisizione delle misure è realizzata da un dispositivo, l’algoritmo di controllo da un altro e l’invio dei comandi per il controllo da un altro ancora.

Il dispositivo è definito come una entità fisica indipendente capace di realizzare una o più funzionalità ed è limitato dalle sue interfacce, ossia dai componenti hardware e software che gli permettono di comunicare con l’esterno. Un dispositivo deve comunque contenere almeno una risorsa e almeno una interfaccia, intesa o verso il processo o verso la rete di comunicazione.

Una risorsa può essere considerata una suddivisione logica della struttura software di un dispositivo la quale abbia un controllo indipendente delle sue operazioni. La sua funzione è quella di accettare dati e/o eventi dal processo e/o dalla rete di comunicazione, di processarli, di restituire dati e/o eventi al processo e/o alla rete di comunicazione, così come specificato dalla applicazione che la sta utilizzando.

I dati sono delle rappresentazioni di fatti in una maniera formalizzata adatta alla comunicazione, alla interpretazione o al processamento da parte della risorsa; un esempio di dato è il codice binario corrispondente a una misura.

Gli eventi rappresentano l’occorrenza di particolari condizioni come, per esempio, il raggiungimento di una determinata temperatura.

Una interfaccia di processo mette in relazione le risorse contenute nel dispositivo con il processo fisico, comunicando con i sensori e gli attuatori. Le informazioni scambiate con il processo fisico sono presentate alle risorse come dati e/o come eventi associati al processo.

Una interfaccia di comunicazione mette in relazione le risorse con quelle appartenenti ad altri dispositivi, per lo scambio di informazioni attraverso una rete di comunicazione.

Una applicazione specifica le operazioni che devono essere svolte sui dati come conseguenza degli eventi e, può essere distribuita tra molte risorse nello stesso o in differenti dispositivi.

Nei moderni sistemi di controllo e di misura per processi industriali, le cui architetture prevedono l’interconnessione di numerosi dispositivi, si impiegano sia controllori a logica programmabile (o PLC) che dei calcolatori di tipo tradizionale.

In linea di principio si utilizzano i PLC quando vi è la necessità di collegarsi direttamente ai sensori e agli attuatori; un calcolatore di tipo tradizionale è invece utilizzato come dispositivo se deve soprattutto colloquiare con altri dispositivi, PLC o altri calcolatori, attraverso le reti di comunicazione.

 

 

 

Il PLC : controllore a logica programmabile ( Programmabile Logic Controller )

  1. Il controllore a logica programmabile

 

Lo standard IEC 1131 definisce controllore a logica programmabile come “un sistema elettronico a funzionamento digitale, destinato all’uso in ambito industriale, che utilizza una memoria programmabile per l’archiviazione interna di istruzioni orientate all’utilizzatore per l’implementazione di funzioni specifiche, come quelle logiche, di sequenziamento, di temporizzazione, di conteggio e di calcolo aritmetico, e per controllare, mediante ingressi ed uscite sia digitali che analogici, vari tipi di macchine e processi

Viene inoltre definito come sistema controllore a logica programmabile o sistema PLC “la configurazione realizzata dall’utilizzatore, formata da un controllore a logica programmabile e dalle periferiche associate, necessarie al sistema automatizzato previsto”.

La configurazione minima di un sistema PLC è composta dai seguenti cinque componenti fondamentali: l’armadio, il modulo processore, i moduli di ingresso/uscita, il modulo alimentatore, il terminale di programmazione.

 

  • L’armadio, o cestello o rack, contiene e racchiude tutti gli altri moduli, assicurandone la connessione meccanica e il collegamento elettrico. Ha in genere la forma di un parallelepipedo aperto su di un lato per permettere l’inserimento dei moduli che risultano collegati elettricamente tra loro grazie alla presenza, sul lato opposto, di un circuito stampato con dei connettori. Solitamente è di metallo e deve essere connesso elettricamente a terra, sia per ragioni di sicurezza sia per meglio schermare i moduli alloggiati.

  • Il modulo processore è il vero e proprio PLC ed è costituito essenzialmente da una scheda a microprocessore con una architettura simile a quella dei calcolatori convenzionali. Esso controlla e supervisiona tutte le operazioni eseguite all’interno del sistema, attraverso l’esecuzione delle istruzioni contenute nella memoria.

  • I moduli di ingresso/uscita, o moduli di I/O, sono delle schede che permettono l’interfacciamento tra la microelettronica del PLC e il mondo esterno, e devono perciò provvedere al condizionamento dei segnali e all’isolamento.

  • Il modulo alimentatore è una scheda che alimenta tutti gli altri moduli presenti nell’armadio, Connesso alla rete di alimentazione elettrica, tale modulo fornisce una o più tensioni stabilizzate con un massimo di corrente erogabile.

  • Il terminale di programmazione può essere o un dispositivo particolare o un semplice personal computer e serve per al programmazione del PLC che non ha, usualmente, dispositivi di interfaccia con l’uomo. Il terminale di programmazione viene connesso al PLC solo quando viene utilizzato tramite una porta seriale e/o una rete informatica.

E’ importante sottolineare che sono i moduli di ingresso/uscita a determinare il successo dei PLC rispetto ad esempio ad un sistema di controllo basato su PC: mentre l’utente di quest’ultimo deve di volta in volta scegliere, interfacciare (e talvolta anche progettare) tutto un insieme di periferiche che permettano la comunicazione fra il PC e il particolare processo considerato, nel modulo I/O del PLC sono sempre presenti un certo numero di ingressi e uscite digitali, di ingressi e uscite analogiche con tensioni e potenze diverse, che permettono invece un collegamento diretto al processo senza ulteriori interventi del controllista. Non di rado sono presenti anche moduli speciali, come dei PID per la regolazione proporzionale-integrale-derivativa o dei moduli SERVO, per il controllo di motori passo-passo, idraulici o in corrente continua.

Esistono anche alcuni piccoli sistemi PLC che non sono modulari, non prevedono il rack, e racchiudono in un unico dispositivo alcuni o tutti i componenti sopra descritti.

 

I Linguaggi di programmazione dei PLC : ladder , blocchi funzionali , lista di istruzioni

Lo standard IEC 1131 definisce anche i linguaggi di programmazione per i sistemi di controllo, in generale, e i controllori a logica programmabile, in particolare.

Lo standard prevede i seguenti linguaggi di programmazione per i PLC: diagramma funzionale (o SFC), diagramma a blocchi (o FBD), linguaggio a contatti (o Ladder Diagram), lista di istruzioni, testo strutturato. I primi tre sono linguaggi di programmazione grafici, gli ultimi due sono linguaggi testuali.

  • Il diagramma funzionale sequenziale permette di formulare le applicazioni di controllo di processi fisici utilizzando i concetti di fase e di transizione.

Brevemente, le fasi rappresentano le azioni da compiere, eventualmente in parallelo, mentre le transizioni rappresentano le condizioni da soddisfare affinché si possa passare da una fase all’altra.

Esso può essere anche utilizzato per la definizione delle specifiche funzionali del sistema automatizzato.

Tra le sue caratteristiche si ricordano la possibilità di prevedere sequenze che si sviluppano in parallelo o in alternativa, eventualmente assegnando loro delle priorità, e la possibilità di prevedere sequenze di retroazione che modifichino lo svilupparsi delle sequenze normali.

  • Il linguaggio a contatti (o Ladder Diagram) prevede l’utilizzo degli elementi contatto aperto, contatto chiuso e bobina, tipici degli schemi di controllo a relè elettromeccanici. Sono inoltre previste delle istruzioni per realizzare funzioni di temporizzazione, conteggio, operazioni aritmetiche, ecc.

 

Il linguaggio a contatti è stato concepito per trattare principalmente logica binaria anche se è stato esteso attraverso l’uso di funzioni speciali per permettergli, ad esempio, di poter trattare numeri reali e realizzare funzionalità di controllo di processo.

  • Il diagramma a blocchi funzionali è anch’esso un linguaggio di programmazione concepito per trattare principalmente logica binaria. Utilizza una simbologia derivante dalla progettazione dei circuiti elettronici.

 

  • La lista di istruzioni è un linguaggio di programmazione testuale simile ai linguaggi assemblativi dei calcolatori tradizionali. Presente soprattutto nei PLC di origine tedesca con la sigla AWL, è utilizzato soprattutto da programmatori che provengono dal mondo informatico.

  • Il testo strutturato è un linguaggio di programmazione testuale ad alto livello, simile al Pascal, con adattamenti all’utilizzo nei sistemi di controllo.

 

I linguaggi di programmazione più utilizzati al giorno d’oggi restano il linguaggio a contatti e la lista di istruzioni, offerti, da soli o insieme, da tutti i costruttori di PLC.

Cominciano a diffondersi anche applicazioni in diagramma funzionale sequenziale. Le quali permettono una maggiore facilità di scrittura e leggibilità dei programmi; molto spesso però le singole fasi e transizioni debbono poi essere descritte attraverso altri linguaggi.

 

Il testo strutturato è stato recentemente introdotto da alcuni costruttori, anche se il suo utilizzo non si è ancora diffuso; molto probabilmente si affermerà nel futuro, con il diffondersi della cultura informatica e la necessità di combinare insieme PLC e calcolatori tradizionali

 

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