Università degli Studi di Roma "Tor Vergata"

Di Natale (3 CFU)
Proprietà elettroniche dei materiali ; semiconduttori; caratteristiche generali dei sensori:
sensibilità e risoluzione.

------ ENGLISH ------

Electronic properties of materials: semiconductors. General properties of sensors; sensitivity and resolution.

Dispense fornite dal docente e lucidi delle lezioni

Catini (6 CFU)
sensori di temperatura: termistori, sensori integrati, termocoppie;
sensori meccanici: Strain gauges; Introduzione ai MEMS: accelerometro, giroscopio, sensori di pressione e flusso; tecnologie di fabbricazione; Sensori di campo magnetico; sensori ottici; fotodiodi e sensori di immagine; sensori per infrarosso; circuiti di interfaccia per sensori resistivi e capacitivi
----- ENGLISH -----
Catini (6 CFU)
Temperature sensors: thermistors, integrated sensors, thermocouples;
mechanic sensors: Strain gauges: Indtroduction to MEMS: accelerometer, gyroscope,
pressure and flow sensors; Magnetic sensors; Optical sensors: photodiodes and image
sensors; infrared sensors; interface circuits for resistive and capacitive sensors.

Dispense fornite dai docenti e lucidi delle lezioni

(Prof. DI NUNZIO 5/9 credits)
Richiami di elettronica digitale
Formati di rappresentazione numerica floating point e fixed point
Circuiti combinatori: encoder, decoders, multiplexers
Circuiti sequenziali: flip flop, latch registri, contatori, memorie
Introduzione al VHDL: entity e architecture, livelli di astrazione, flusso di progettazione HDL, processi combinatori e sequenziali, oggetti in vhdl test bench
Attività pratiche di progettazione di circuiti in VHDL

Appunti tratti dalle lezioni. Copia materiale didattico usato per le lezioni.

INTRODUCTION TO DIGITAL SYSTEMS
Ercegovac, Milos D.; Lang, Tom?s; Moreno, Jaime H
ISBN 10: 0471527998 / ISBN 13: 9780471527992

(V. MELINI) 2 cfu
Descrizione delle fasi di progettazione dei Circuiti Integrati
Descrizione del flusso di progettazione per ASIC e FPGA e loro differenze
Motivazioni e scopo dell'analisi statica dei ritardi
Studio, calcolo ed analisi dei ritardi nei percorsi logici
Violazioni dei requisiti dei tempi di setup e hold e metodologie per correggerle
Metastabilità
Studio ed analisi delle problematiche dei percorsi logici che hanno 2 domini di clock asincroni tra loro, e metodologie per correggerle.
Studio ed analisi delle problematiche dei percorsi logici che hanno 2 domini di reset asincroni tra loro e metodologie per risolverle.

------ ENG ------

(V. MELINI) 2 cfu
Introduction to the IC Digital Design Phases
ASIC & FPGA Design flows and their differences
Static Time Analisys, how, why and when to use it
Analisys of the timing paths, and delays calculation
Definitions of the timing checks and delay calculations
Set-Up & Hold violations and methodologies to resolved them
Metastability
Introduction to the Clock Domains Crossing (CDC) and the main methodologies to deal with it
Introduction to the Reset Domain Crossing (RDC) and the main methodologies to avoid issue

Appunti tratti dalle lezioni. Copia materiale didattico usato per le lezioni.

INTRODUCTION TO DIGITAL SYSTEMS
Ercegovac, Milos D.; Lang, Tom?s; Moreno, Jaime H
ISBN 10: 0471527998 / ISBN 13: 9780471527992

Static Timing Analysis for
Nanometer Designs
A Practical Approach
ISBN 978-0-387-93819-6 e-ISBN 978-0-387-93820-2

Primo modulo:

1) Introduzione alla nanotecnologia e alle proprietà del film sottile.
2) Deposizione di film sottili: l'importanza del vuoto e del plasma
3) Evaporazione termica: meccanismo di funzionamento, proprietà dei materiali, parametri di deposizione e applicazioni
4) DC e RF Sputtering: meccanismo di funzionamento, proprietà dei materiali, parametri di deposizione e applicazioni
5) Deposizione laser pulsata: meccanismo di funzionamento, proprietà del materiale, parametri di deposizione e applicazioni
6) Chemical Vapour Deposition: meccanismo di funzionamento, proprietà dei materiali, parametri di deposizione e applicazioni
7) Atomic Layer Deposition: meccanismo di funzionamento, proprietà dei materiali, parametri di deposizione e applicazioni
8) Solution Processing: spin coating, serigrafia; bladecoating, slot die coating
9) Procedure di patterning: fotolitografia e ablazione laser;
10) Introduzione alla cella solare Perovskite: meccanismo di funzionamento, proprietà dei materiali, tecniche di deposizione, processo di up-scaling ed applicazioni;
11) Integrazione del Fotovoltaico negli edifici;

Secondo modulo:

1) Introduzione alle tecniche di caratterizzazione;
2) Microscopia a scansione elettronica (strumentazione, elettroni secondari, backscattering, spettroscopia EDX, detector, SEM con controllo ambientale, risoluzione, SEM a contrasto magnetico, catodoluminescenza);
3) Microscopia a trasmissione elettronica (principio di funzionamento, strumentazione, risoluzione, TEM di campo chiaro e campo scuro, TEM ad alta risoluzione (HRTEM), TEM a scansione (STEM), spettroscopia a perdita di energia elettronica (EELS), esempi di applicazione TEM);
4)Microscopia a scansione di tunneling (STM) (principio di funzionamento, strumentazione, risoluzione);
5) Microscopia a forza atomica (AFM) (principio di funzionamento, strumentazione, risoluzione);
6) Microscopia Kelvin Probe (KPFM) (principio di funzionamento, strumentazione, risoluzione);
7) Richiami di Meccanica Quantistica (limiti della fisica classica, intro alla meccanica quantistica, formalismo matematico, equazione di Schrodinger, oscillatore armonico);
8) Septtroscopie di assobimento e fluorescenza (principio di funzionamento, strumentazione, risoluzione);
9) Spettroscopia Raman (principio di funzionamento, strumentazione, risoluzione, esperienza pratica di laboratorio).

Le slide del corso sono rilasciate per scopi meramente didattici, non sono consigliati testi specifici dal momento che ogni tecnica di caratterizzazione/fabbricazione di materiali/dispositivi di nuova generazione illustrate possono essere trattate separatamente con diversi testi e/o con l'ausilio di recenti pubblicazioni scientifiche.

1. Architettura e classificazione dei robot industriali e di servizio
1.1. Definizioni: catene cinematiche, giunti, mobilità
1.2. Analisi della manipolazione
1.3. Tipologie di manipolatori
2. Modellazione cinematica
2.1. Sistemi di riferimento
2.2. Notazione di Denavit-Hartenberg
2.3. Cinematica diretta
2.4. Cinematica inversa
2.5. Matrice Jacobiana e singolarità
2.6. Spazio operativo
2.7. Pianificazione delle traiettorie
3. Modellazione statica e dinamica
3.1. Condizioni di equilibrio
3.2. Equazioni del moto
3.3. Fondamenti di meccanica della presa
4. Architetture alternative
4.1. Metodi d’attuazione
4.2. Robot paralleli
4.3. Robot con componenti cedevoli
4.4. Robot soffici e continuum

------ ENG ------

1. Architecture and classification of industrial and service robots
1.1. Definitions: kinematic chains, joints, mobility
1.2. Manipulation analysis
1.3. Types of manipulators
2. Kinematics
2.1. Reference frames
2.2. Denavit-Hartenberg notation
2.3. Forward kinematics
2.4. Inverse kinematics
2.5. Jacobian and singularities
2.6. Workspace
2.7. Path planning
3. Statics and dynamics
3.1. Equilibrium
3.2. Equation of motion
3.3. Grasp mechanics
4. Other designs
4.1. Actuation technologies
4.2. Parallel robots
4.3. Compliant robots
4.4. Soft and continuum robots

M. Ceccarelli (2022). Fundamentals of Mechanics of Robotic Manipulation. Mechanism and Machine Science 112, Springer.
L.-W. Tsai (1999). Robot analysis: the mechanics of serial and parallel manipulators. John Wiley & Sons.
Appunti e articoli a cura del docente.

Introduzione agli elementi radianti e ai loro parametri chiave.
Budget di collegamento ideale e pratico.
L'effetto del rumore nei ricevitori elettronici, nelle figure di merito e nei modelli matematici. G / T del ricevitore.
Aspetti pratici dei sistemi RF IoT
RFID
Parametri chiave degli elementi radianti, guadagno, direttività, HPBW, valori nulli, diagramma di radiazione, polarizzazione, impedenza di ingresso.
Alcuni casi pratici: la famiglia mono / di-pole, antenne microstrip, riflettore parabolico, wearables

Introduzione ai sistemi ricetrasmettitori RF e ai componenti chiave (interruttori, HPA, LNA, mixer, generatori di frequenza)

Dispense del docente.

Riepilogo di fondamenti di Elettronica Digitale: codifica digitale dell'informazione, binaria (virgola fissa e mobile), esadecimale e ASCII; operatori e principali circuiti logici, registri e memorie, dispositivi programmabili.
Schede di prototipazione per IoT (Arduino, Rasberry), Systems on Chip (SoC), architettura di un microcontrollore, descrizione della scheda Arduino Uno. Linguaggi di programmazione (assembly, compilati, interpretati), struttura di un programma Arduino (librerie, setup, loop, funzioni, interrupt), elementi di programmazione in C (variabili, operazioni, cicli, istruzioni condizionate). Utilizzo di porte di I/O digitali e analogiche (conversione A/D, output PWM). Modalità di comunicazione seriale sincrona e asincrona, cablata (USB) e wireless con moduli Bluetooth, RF e WiFi. Controllo remoto di moduli elettronici (sensori, motori dc passo-passo e servo, display LED/LCD ecc) da dispositivi portatili (Windows, IoS), attraverso applicazioni sviluppate in Processing e Python, e mobili (Android), attraverso App sviluppate con piattaforma MIT App Inventor. Protocolli internet per controllo remoto di dispositivi attraverso moduli WiFi connessi come client o access point a piattaforme web controllate da dispositivi portatili e mobili.

------------------------- ENGLISH ---------------------------------------

Summary of Digital Electronics: digital encoding of information, binary (fixed and floating point), hexadecimal and ASCII; operators and main logic circuits, registers and memories, programmable devices. Prototyping boards for IoT (Arduino, Rasberry), Systems on Chip (SoC), architecture of a microcontroller, description of the Arduino Uno board. Programming languages ​​(assembly, compiled, interpreted), structure of an Arduino sketch (libraries, setups, loops, functions, interrupts), programming elements in C (variables, math and logical operations, cycles, conditional statements). Use of digital and analog I/O ports (A/D conversion, PWM output). Synchronous and asynchronous serial communication modes, wired (USB) and wireless with Bluetooth, RF and WiFi modules. Remote control of electronic modules (sensors, dc stepper and servo motors, LED/LCD displays etc.) from portable devices (Windows, IoS), through applications developed in Processing and Python, and mobile (Android), through Apps developed with the MIT App Inventor platform. Internet protocols for device remote control through WiFi modules connected as client or access points (APs) to web platforms controlled by portable and mobile devices.

Dispense del docente.

• Introduzione all'Internet of Things (IoT) e ai sistemi embedded
Trends della tecnologia nanoelettronica
Cosa è l'IoT
Esempi di applicazioni dell'IoT
Impatti sociali dell'IoT
Tecnologie abilitanti
IoT e Wireless Sensor networks
IoT e computing
• Wireless and mobile communications
Comunicazione nell'IoT
Vincoli sulla comunicazione
Communication protocols
Realizzazione di sistemi di comunicazione
Infrastrutture per IoT: cloud e big data
• Sensori
Introduzione ai sensori
Tpi di sensori
Interfacce sensori
• Processamento a bassa potenza
Consumo di potenza nei circuiti elettronici
Tecniche per la riduzione dei consumi
Consumi di potenza in circuiti per IoT
Riduzione della potenza in circuiti ibridi
Tecniche per l'energy harvesting
• Applicazioni IoT e machine learning
Tecniche di Machine Learning (ML)
ML nei sistemi IoT
Esempi di applicazioni
• Attività future nel settore dell' IoT
Scenari futuri per l'IoT
Trends tecnologici per l'IoT

Dispense a cura del docente e trasparenze utilizzate a lezione

Strumenti di controllo di base
Sistemi stabili (ingressi limitati-uscite limitate). Teorema di assegnazione degli autovalori per sistemi controllabili ed osservabili: Osservatori di Luenberger per sistemi osservabili. Progetto di compensatori dinamici. Controllo integrale per rigettare disturbi costanti: controllo PID .Sistemi inversi per sistemi a fase minima. Combinazione di azioni di controllo feedback e feedforward:
Strumenti avanzati di controllo
Approssimazioni lineari attorno a condizioni operative. definizione di regione di attrazione per una condizione operativa. Compensatori dinamici con azione integrale per controllare un sistema non lineare attorno ad una condizione operativa: Equazioni matriciali di Liapunov per determinare funzioni di Liapunov quadratiche: Definizione di funzione di sensitività e sue proprietà. Il gruppo delle quattro funzioni di sensitività e loro uso nel valutare la robustezza di sistemi di controllo: la formula integrale di Bode. La parametrizzazione di Youla per il progetto di compensatori stabili. Filtri di Kalman, equazioni di Riccati e progetto di controlli robusti.
Controllo di sistemi non lineari con molti ingressi ed uscite
Il concetto di grado relativo. Controllo state feedback per la linearizzazione ingresso-uscita. Definizione di sistema non lineare inverso. Indici di disaccoppiamento per sistemi con molti ingressi e molte uscite. Definizione di matrice di disaccoppiamento. Controllo in retroazione dallo stato con la matrice pseudoinversa di Penrose.
Studio di specifici casi di controllo di sistemi meccanici
Controllo di biciclette, motociclette,autoveicoli, robot, velivoli

K.J.Astrom, R.M.Murray, Feedback systems. Princeton University Press 2008
R.Marino, P.Tomei, Nonlinear Control Design. Prentice Hall, 1995

Concetti base della metrologia: risoluzione, accuratezza, precisione e ripetibilità e loro impatto su un sistema di misura basato su immagini. Introduzione al Processamento di Immagini, Applicazioni e problematiche.
Metodi di rappresentazione di Immagini, modellizzazione di un'immagine a scala di grigi. Risoluzione in ampiezza e in spazio. Contrasto. Istogramma di un'immagine. Campionamento su una griglia (Sampling). Risoluzione di un'immagine. Problemi di saturazione e campionamento. Trasformata di Fourier nel processamento di immagini Schema di processamento digitale di un'immagine. Utilizzo di Matlab per l'image processing. Richiami di processi Aleatori. Ergodicità. Stazionarietà. Omoscedasticità ed eteroscedasticità. Rumore nelle immagini. Modellizzazione del rumore dipendente dal segnale. Algoritmi di stima della varianza del rumore. Correlazione statistica. Operatori puntuali nell'image processing. Istogramma. Aumento del contrasto nelle immagini. Operatori spaziali nel processamento di immagini. Filtri lineari e non lineari. Il filtro mediano per il rumore impulsivo. Filtri inversi e pseudo inversi. Il filtro di Wiener. Deconvoluzione. Algoritmi di deblurring. Edge detection. Applicazione di filtri gradiente, laplaciano e unsharp masking. I filtri di Gabor. Segmentazione: pixel based, edge based, region based, model based (Trasformata di Hough), segmentazione semantica. Operatori morfologici. Estrazione dei contorni. Operazione di Closing e Opening, elementi strutturali. Applicazione di classificatori al riconoscimento di oggetti e pattern nelle immagini. Tutti gli algoritmi vengono simulati in Matlab ed applicati ad immagini digitalizzate nel contesto della diagnostica per immagini, della caratterizzazione dei materiali, del cell tracking e analysis, dell’analisi dell’espressione facciale per applicazioni di human computer interface.

-------------------------ENGLISH-----------------------------------------------

Fundamentals of metrology. Basic definitions: resolution, accuracy, precision, reproducibility and their impact over an image based measurement system . Image processing introduction. Image representation. Spatial and pixel resolution. Image restoration. Deconvolution. Deblurring. Image quality assessment. Image enhancement. Image filtering for smoothing and sharpening. Image segmentation: pixel based (otsu method), edge based, region based (region growing), model based (active contour, Hough transform), semantic segmentation. Morphological operators. Object recognition and image classification. Case study: defects detection, object tracking in biology, computer assisted diagnosis, facial expression in human computer interface.
Matlab exercises.

Digital image processing, Gonzalez and Woods, Prentice Hall, New York, 2002.

BiPM, I. E. C., IFCC, I., IUPAC, I., & ISO, O. (2012). The international vocabulary of metrology— basic and general concepts and associated terms (VIM). JCGM, 200, 2012.

Materiali porosi: schiume metalliche. Porosità aperta e chiusa (micro e macro). Classificazione in base alla dimensione e alla forma dei pori. Proprietà (suono, energia e assorbimento vibrazioni, comportamento a crash) e metodi di produzione. Applicazioni funzionali e strutturali: costruzioni leggere, automotive. Strutture metalliche a sandwich.

----------------------------------------------------------- ENGLISH -------------------------------------

Porous materials: metal foams, Open and closed porosity (micro and macro). Classification according to size and shape of the pores. Properties (sound, energy and vibration absorption, crash behavior) and production methods. Functional and structural applications: lightweight construction, automotive. Metal sandwich structures.

dispense dal docente

Materiali intelligenti e funzionali. Variazione delle proprietà come risposta a stimoli esterni: leghe a memoria di forma. Memoria di forma a una via e a due vie. Fissaggio della forma e training.

----------------------------------------------------- ENGLISH ------------------------------------------------------

Smart and functional materials. Properties changes with external stimuli: shape memory alloys. One way and two way shape memory effects. Shape setting and training.

dispense dal docente

Fondamenti di metallurgia: difetti, reticoli, deformazione plastica. Prove meccaniche.
Leghe amorfe: produzione e applicazioni di vetri metallici per dispositivi meccatronici.
Leghe con struttura mista (nanocristallina and amorfa).
Materiali con grano Ultrafine (UFG): caratteristiche microstrutturali e metodi di produzione.
Materiali nanoporosi e mesoporosi: caratterizzazione strutturale e proprietà.
Materiali intelligenti e funzionali.
Variazione delle proprietà come risposta a stimoli esterni: termocromico, fotomeccanico.
Conversione di energia: piezoelettrico, termoelettrico, fotoluminescenza.
Materiali a cambiamento di fase. Materiali funzionalizzati;
Metallurgia delle polveri. Manifattura additiva. Materiali compositi:proprietà, applicazioni e tecnologie produttive.

--------------------------------------------------------- ENGLISH --------------------------------------------------------------------

Metallurgy Fundamentals: crystal structure, defects, plastic deformation. Mechanical tests.
Amorphous alloys: production and applications of metallic glasses as mechatronic devices.
Alloys with mixed structure (nanocrystalline and amorphous).
Ultrafine grained (UFG) materials: microstructural features and production routes.
Nanoporous and mesoporous materials: structural characterization and properties.
Functional and Smart Materials. Property change as a response of external stimulus:thermochromic, photomechanical. Energy conversion: piezoelectric, thermoelectric, photoluminescent.
Phase change materials . Functionally graded materials.
Powder metallurgy, Additive Manufacturing Technologies.
Advanced composite materials: properties, applications and their production routes.

dispense dal docente

Strumenti di controllo di base
Sistemi stabili (ingressi limitati-uscite limitate). Teorema di assegnazione degli autovalori per sistemi controllabili ed osservabili: Osservatori di Luenberger per sistemi osservabili. Progetto di compensatori dinamici. Controllo integrale per rigettare disturbi costanti: controllo PID .Sistemi inversi per sistemi a fase minima. Combinazione di azioni di controllo feedback e feedforward:
Strumenti avanzati di controllo
Approssimazioni lineari attorno a condizioni operative. definizione di regione di attrazione per una condizione operativa. Compensatori dinamici con azione integrale per controllare un sistema non lineare attorno ad una condizione operativa: Equazioni matriciali di Liapunov per determinare funzioni di Liapunov quadratiche: Definizione di funzione di sensitività e sue proprietà. Il gruppo delle quattro funzioni di sensitività e loro uso nel valutare la robustezza di sistemi di controllo: la formula integrale di Bode. La parametrizzazione di Youla per il progetto di compensatori stabili. Filtri di Kalman, equazioni di Riccati e progetto di controlli robusti.
Controllo di sistemi non lineari con molti ingressi ed uscite
Il concetto di grado relativo. Controllo state feedback per la linearizzazione ingresso-uscita. Definizione di sistema non lineare inverso. Indici di disaccoppiamento per sistemi con molti ingressi e molte uscite. Definizione di matrice di disaccoppiamento. Controllo in retroazione dallo stato con la matrice pseudoinversa di Penrose.
Studio di specifici casi di controllo di sistemi meccanici
Controllo di biciclette, motociclette,autoveicoli, robot, velivoli

K.J.Astrom, R.M.Murray, Feedback systems. Princeton University Press 2008
R.Marino, P.Tomei, Nonlinear Control Design. Prentice Hall, 1995

Strumenti di controllo di base
Sistemi stabili (ingressi limitati-uscite limitate). Teorema di assegnazione degli autovalori per sistemi controllabili ed osservabili: Osservatori di Luenberger per sistemi osservabili. Progetto di compensatori dinamici. Controllo integrale per rigettare disturbi costanti: controllo PID .Sistemi inversi per sistemi a fase minima. Combinazione di azioni di controllo feedback e feedforward:
Strumenti avanzati di controllo
Approssimazioni lineari attorno a condizioni operative. definizione di regione di attrazione per una condizione operativa. Compensatori dinamici con azione integrale per controllare un sistema non lineare attorno ad una condizione operativa: Equazioni matriciali di Liapunov per determinare funzioni di Liapunov quadratiche: Definizione di funzione di sensitività e sue proprietà. Il gruppo delle quattro funzioni di sensitività e loro uso nel valutare la robustezza di sistemi di controllo: la formula integrale di Bode. La parametrizzazione di Youla per il progetto di compensatori stabili. Filtri di Kalman, equazioni di Riccati e progetto di controlli robusti.
Controllo di sistemi non lineari con molti ingressi ed uscite
Il concetto di grado relativo. Controllo state feedback per la linearizzazione ingresso-uscita. Definizione di sistema non lineare inverso. Indici di disaccoppiamento per sistemi con molti ingressi e molte uscite. Definizione di matrice di disaccoppiamento. Controllo in retroazione dallo stato con la matrice pseudoinversa di Penrose.
Studio di specifici casi di controllo di sistemi meccanici
Controllo di biciclette, motociclette,autoveicoli, robot, velivoli

K.J.Astrom, R.M.Murray, Feedback systems. Princeton University Press 2008
R.Marino, P.Tomei, Nonlinear Control Design. Prentice Hall, 1995

Modellazione matematica e progetto di algoritmi di controllo e stima per macchine elettriche: motori sincroni a magneti permanenti; motori stepper a magneti permanenti; motori ad induzione; generatori sincroni. I concetti di stabilità e la teoria di controllo non lineare sono anche richiamati. Caratteristiche importanti del corso includono: modellazione matematica attraverso equazioni differenziali non lineari, così come una estesa discussione di controlli (non lineari) adattativi che contengono algoritmi di stima dei parametri (cruciali nelle applicazioni). Applicazioni includono: algoritmi di apprendimento di robot e cruise & yaw rate control di veicoli elettrici.

ENGLISH

Mathematical modeling and design of estimation and control algorithms for electrical machines: permanent magnet synchronous motors; permanent magnet stepper motors; induction (asynchronous) motors; synchronous generators. The concepts of stability and nonlinear control theory are also recalled. Important features of the course include: mathematical modeling through nonlinear differential equations as well a wide-ranging discussion of (nonlinear) adaptive controls containing parameter estimation algorithms (crucial for applications). Applications include: learning control of robotic manipulators and cruise & yaw rate control of electrical vehicles.

R. Marino, P. Tomei, C.M. Verrelli, Induction Motor Control Design, Springer, 2010.
I più aggiornati lavori a rivista.