Ingegneria robotica e dell'automazione

Università degli Studi di Pisa
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  • Laurea
  • Pisa
Descrizione

Il laureato del Corso di Laurea Magistrale in Ingegneria Robotica e dell’Automazione ha un profilo culturale e professionale focalizzato su conoscenze scientifiche e tecnologiche riguardanti la modellazione, la simulazione e il controllo di sistemi per l’automazione, la robotica industriale e la robotica mobile. Lo scopo del Corso è di formare ingegneri capaci di innovare e sviluppare la produzione, di gestire e controllare sistemi complessi, con elevate capacità di progettazione, pianificazione
e programmazione avanzata. Si tratta di una figura professionale che trova sbocchi lavorativi nella libera professione, nelle imprese manifatturiere
o di servizi e nelle amministrazioni pubbliche.
I laureati magistrali in Ingegneria Robotica e dell’Automazione, avendo la conoscenza di tecniche e metodologie caratteristiche delle scienze di base (matematica, fisica), saranno in grado di utilizzare tali conoscenze per interpretare e descrivere attraverso modelli formali i problemi tipici dell’Ingegneria dell’Automazione e della Robotica, con particolare
riferimento alla modellistica, identificazione e simulazione di processi e di sistemi e al progetto di leggi e di strategie di controllo. L’approccio tipico della teoria dei sistemi e dei controlli automatici permette al laureato in Ingegneria Robotica e dell’Automazione di interfacciarsi con gli specialisti dei processi da automatizzare allo scopo di suggerire soluzioni
operative e di progetto più efficaci in termini tecnici ed economici.
Una peculiarità del corso è di essere rivolto a studenti di primo livello laureati in diversi settori (tipicamente in ingegneria informatica, meccanica, elettrica, biomedica e gestionale) e di aggiungere le metodologie dell’automazione alle conoscenze preesistenti, allo scopo di formare una figura professionale...

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Pisa
Lungarno Antonio Pacinotti, 43 , 56122, Pisa, Italia
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Robotica
Ingegneria robotica

Programma

  • Controllo dei Processi (12 cfu)

    • Il corso si suddivide in due moduli tra loro complementari. Nel primo modulo (Cibernetica fisiologica) ci si occupa di modellizzare,
      attraverso gli strumenti matematici propri della teoria dei controlli automatici, i processi fisici e chimici degli organismi viventi, al fine di
      interpretarne e prevederne il comportamento ed eventualmente di dimensionarne il controllo per mezzo di farmaci o sistemi meccatronici.
      Nel secondo modulo (Controllo dei processi tecnologici) il corso si propone di fornire le basi per l’analisi e per il controllo dei processi multivariabili. Vengono perciò presentate le tecniche principali per la analisi e la sintesi dei controllori decentralizzati. Vengono affrontate la sintesi dei controllori nel dominio della frequenza e le tecniche di monitoraggio per le applicazioni ingegneristiche di interesse nel campo dell’automazione.
      L'insegnamento ha l'obiettivo di sviluppare le capacità di analisi e di sintesi di controllori per processi industriali.
  • Attività a scelta (6 cfu)

  • Probabilità e Processi Stocastici (6 cfu)

    • Le conoscenze fornite dall’insegnamento sono relative aille nozioni di base del Calcolo delle Probabilità: spazio degli eventi, misure di probabilità; probabilità condizionale, indipendenza, formule di fattorizzazione e di Bayes; funzione di distribuzione cumulativa, densità di probabilità; variabili aleatorie, valor medio, varianza ed altre grandezze medie, funzione generatrice e caratteristica; principali esempi di variabili aleatorie discrete e continue; legge dei grandi numeri, teorema limite centrale, grandi deviazioni.
      Saranno inoltre trattati gli elementi generali di teoria dei processi stocastici: processi stocastici a tempo discreto e continuo, campi aleatori; loro valori medi del primo e secondo ordine; processi gaussiani; processi stazionari e processi ergodici; proprietà di Markov; alcuni esempi, come il moto browniano ed il processo di Poisson.
      Approfondimenti sui processi stocastici: catene di Markov a tempo discreto, misure invarianti; processi di Markov a salti, legame con la teoria delle code; equazioni differenziali stocastiche, equazione di Fokker-Planck.



  • Teoria dei sistemi e del controllo (12 cfu)

    • Il corso si propone di fornire all'allievo gli strumenti tipici dell'analisi dei sistemi dinamici sia continui che discreti sia in ambiente deterministico che stocastico, di trattare le proprietà strutturali dei sistemi e di apprendere le tecniche di sintesi del controllo, al di là delle tecniche basilari nel dominio della frequenza usualmente utilizzate.
      Il corso si pone l'obiettivo di sviluppare la capacità di analisi dei sistemi dinamici e della sintesi del controllo e di sviluppare capacità metodologiche generali di impostazione di un problema di automazione dal punto di vista ingegneristico. L'insegnamento ha l'obiettivo di sensibilizzare gli studenti ad affrontare un problema di ingegneria mediante un approccio metodologico approfondito, organico, basato sulla modellistica del fenomeno fisico e sugli strumenti analitici atti ad affrontare soluzioni ingegneristiche.
  • Meccanica dei robot (6 cfu)

    • L'insegnamento è organizzato in modo da fornire allo studente gli strumenti per la costruzione di modelli dinamici di sistemi meccanici complessi, quali i bracci manipolatori, le piattaforme di manipolazione parallele, e i veicoli autonomi. Il corso si propone di fornire agli allievi le nozioni fondamentali e gli strumenti necessari per l’analisi, la progettazione ed il controllo di sistemi robotici, intesi nella loro più ampia accezione: sistemi meccanici controllati da un processore digitale, dotati di capacità sensoriali e di intervento sull’ambiente, con caratteristiche di elevata autonomia e di facile interazione con l’uomo.
      Lo studente al termine del corso è posto in grado di:
      • Conoscere le tipologie e le applicazioni dei sistemi robotici usati nell’industria e in altri settori dell’economia e
      dei servizi;
      • Saper definire i modelli geometrici, cinematici e dinamici dei sistemi meccanici utilizzati in robotica;

      L'insegnamento ha l'obiettivo di sensibilizzare gli studenti ad affrontare un problema di ingegneria mediante un approccio metodologico, organico, basato sulla modellistica del fenomeno fisico e sugli strumenti analitici
      atti ad affrontare soluzioni ingegneristiche.
  • 6 cfu a scelta nel gruppo GRUPPO B

    • Gruppo di materie caratterizzanti
    • Sistemi subacquei (6 cfu)

      • L’insegnamento ha l’obiettivo di fornire conoscenze integrative nel campo delle tecnologie per l’esplorazione geofisica in ambiente subacqueo. In particolare, l’insegnamento si propone di fornire conoscenze riguardanti la propagazione e le comunicazioni acustiche subacquee, la strumentazione per l’esplorazione del fondale marino (side-scan sonar, ecoscandagli a fasci, sub-bottom profilers, …), i sistemi automatici di raccolta dati, inclusi i robot subacquei autonomi o semi autonomi. L’insegnamento intende sviluppare negli studenti le capacità di pianificare, condurre e interpretare i risultati di sperimentazione geofisica in mare; in particolare, si intende sviluppare la capacità di scelta critica della strumentazione e del suo impiego relativamente all’obiettivo della sperimentazione. L’insegnamento ha l’obiettivo di rendere gli studenti consapevoli delle problematiche, dei limiti fisici e dei necessari compromessi nelle prestazioni dovuti alla complessità ed ai vincoli della sperimentazione in ambito marino. In particolare, si intende sviluppare un approccio razionale e metodologicamente motivato alla scelta, configurazione ed impiego della strumentazione oceanografica.
    • Laboratorio di Meccanica e Meccatronica (6 cfu)

      • Il corso di “Meccatronica” mira a fornire competenze di base per la modellazione, la pianificazione del movimento e la realizzazione di sistemi di automazione a controllo digitale. Il corso offre allo studente competenze per affrontare la progettazione di una architettura di controllo funzionale. Il corso esaminerà le componenti di un sistema di automazione dai quattro diversi punti di vista, meccanica, elettronica, programmazione e controllo. Tali tematiche verranno affrontate da una prospettiva di insieme, relazionando come eventuali scelte/limitazioni sulla struttura di controllo, meccanica, e/o elettronica si relazionino tra loro e concorrano insieme a definire le prestazioni complessive di sistema. Il corso di compone di lezioni teoriche ed esercitazioni sia in aula informatica che in laboratorio.
    • Dinamica dei veicoli (6 cfu)

      • L'insegnamento ha lo scopo di fornire gli strumenti per comprendere ed analizzare il funzionamento dinamico degli autoveicoli. L'insegnamento si propone di analizzare criticamente la modellazione degli autoveicoli al fine di meglio comprenderne il comportamento dinamico, a partire dal modello meccanico della ruota con pneumatico. L’insegnamento si prefigge l’obiettivo di sviluppare le capacità di saper creare un modello di veicolo, e di studiare le problematiche in termini di assetto, frenatura e stabilità. L’insegnamento ha l’obiettivo di sensibilizzare gli studenti sulla complessità dell’attività di modellazione nel contesto veicolistico, dove le proprie conoscenze e competenze devono poter portare allo studio di sistemi complessi.
    • Controllo digitale (6 cfu)

      • Il corso si propone di fornire le basi per l’analisi e il controllo digitale dei sistemi dinamici. Lo scopo è di descrivere le tecniche di discretizzazione dei segnali, le metodologie di analisi e controllo dei sistemi discreti, o con componenti discreti. Vengono presentate le tecniche principali per la analisi e la sintesi dei controllori digitali per le applicazioni ingegneristiche di interesse nel campo dell’automazione.
    • Robotica aerospaziale (6 cfu)

      • L’insegnamento si propone di fornire le basi per l’analisi e la sintesi di sistemi autonomi in ambito aeronautico e spaziale, con riferimenti alle problematiche di moto in tali ambienti.
  • 12 cfu a scelta nel gruppo GRUPPO A

    • Gruppo materie affini
    • Sistemi Elettronici per Automazione e Robotica (6 cfu)

      • Le conoscenze fornite dall’insegnamento sono relative ai sistemi elettronici per applicazioni di automazione e robotica. Verranno affrontati sia aspetti di interfacciamento col mondo esterno (acquisizione da sensori, comando di attuatori) sia gli aspetti di comunicazione ed elaborazione digitale con programmabilità sia software (esecuzione di istruzioni in micro-controllori e/o DSP) che hardware (impostazione sul campo della connettività in PLD e FPGA). Dei diversi sistemi verranno analizzate le architetture logiche, le caratteristiche elettriche, i linguaggi e strumenti CAD di modellizzazione e sviluppo hardware-software, i bus di comunicazione per applicazioni di controllo. In tali settori lo studente maturerà competenze specifiche anche mediante attività progettuali. Verranno mostrati esempi applicativi di sistemi per acquisizione dati da sensori, per controllo di veicoli e/o per automazione industriale.
    • Termofluidodinamica e macchine (6 cfu)

      • Il corso affronta tre parti principali. Nella prima parte vengono descritti: gli aspetti di origine e di controllo delle fonti energetiche; le fondamentali variabili per gli studi termofluidodinamici; le macchine a fluido e i principali cicli termodinamici ai quali rispondono queste macchine; gli scambiatori di calore. Nella seconda parte vengono presentati ed affrontati gli argomenti: della termofluidodinamica di fluidi a basse ed alte velocità; degli ugelli di espansione; dell’energia eolica. Infine, nella terza ed ultima parte vengono considerati gli strumenti di analisi fondamentali delle turbomacchine, suddivise in :impianti a vapore; ventilatori e compressori; impianti di turbine a gas; impianti a cicli combinati. Lo scopo principale del Corso è quello di fornire agli studenti, provenienti da studi privi o carenti di nozioni di energetica e di macchine, le informazioni ci base necessarie per poter affrontare ed applicare moltissime delle tecniche che costituiscono l’oggetto principale della loro Laurea. L'insegnamento ha l'obiettivo di sensibilizzare gli studenti ad affrontare i problemi termodinamici mediante un approccio organico, per affrontare e risolvere vari aspetti professionali delle macchine considerate, sia dal punto di vista progettuale, che di verifica e controllo di esse.
    • Informatica e Sistemi in tempo reale (6 cfu)

      • Il corso si propone l'obiettivo di fornire le basi per la progettazione e l'implementazione di controllori digitali software tramite sistemi operativi real-time concorrenti. In una prima fase vengono richiamati i principi di programmazione e le conoscenze di base in C necessarie. Vengono poi affrontati argomenti sia di progettazione software che di progettazione di un controllore digitale, tenendo conto di ritardi e approssimazioni introdotti dal supporto digitale. L'obiettivo del corso è duplice. Da un lato, si vuole far prendere coscienza allo studente dei problemi pratici legati al passaggio da un ambiente di progettazione teorico-simulativo all'implementazione pratica. Dall'altro, si vogliono sviluppare tecniche di progettazione e programmazione che permettano una corretta implementazione real-time. L'insegnamento ha l'obiettivo di sensibilizzare gli studenti al problema di “integrazione” tra tecniche strettamente software e tecniche di progettazione di controllori. Lo studente dovrà sviluppare un approccio metodologico integrato che permetta di prevedere problemi di natura implementativa, e quindi tenerne in conto, già nelle prime fasi della progettazione.
  • Controllo e identificazione dei sistemi incerti (12 cfu)

    • Il corso si propone di fornire un insieme di metodologie per l’analisi di sistemi dinamici in condizioni di incertezza, per la stima delle grandezze incerte e per il trattamento conseguente dei dati di processo. Vengono in particolare fornite conoscenze riguardanti la teoria della stima, i processi stocastici dinamici lineari (modelli autoregressivi,
      a media mobile, …), il filtraggio ricorsivo e l’analisi dei dati (periodogramma, componenti spettrali,…).
      L'insegnamento ha l'obiettivo di sviluppare le capacità di analisi critica di situazioni con incertezza sul sistema dinamico e sul sistema di misura, e di fornire un insieme di metodologie che consentano di progettare e porre in
      atto esperimenti per la stima di grandezze dinamiche incerte.
      L'insegnamento ha infine l'obiettivo di rendere gli studenti consapevoli delle problematiche pratiche legate alle incertezze nei processi dinamici, industriali e non; l’insegnamento ha inoltre l’obiettivo di sviluppare le capacità di analisi e sintesi degli studenti per consentire un approccio razionale e metodologicamente motivato alla gestione dell’incertezza.
  • Sistemi di guida e navigazione (6 cfu)

    • L’insegnamento ha lo scopo di illustrare gli strumenti e le metodologie per la guida, la navigazione ed il controllo di veicoli autonomi e semi autonomi con particolare riguardo alle metodologie di localizzazione, inseguimento e stima di traiettorie, individuazione di guasti, navigazione in formazione e in spazi vincolati. Vengono presentate le tecniche principali di guida e le caratterizzazioni delle tecniche di misura della posizione e del calcolo del fix di navigazione. Viene affrontato il problema dell’integrazione di vari sistemi di navigazione per la riduzione dell’errore di posizione. L'insegnamento ha l'obiettivo di sviluppare le capacità di analisi riguardanti le problematiche di guida e navigazione di veicoli mobili.
  • Prova finale (18 cfu)

    • La prova finale consiste nella presentazione da parte del laureando della attività di tesi svolta come approfondimento di fine corso nelle discipline tipiche dell'Ingegneria Robotica e dell'Automazione.
  • Attività a scelta (6 cfu)

  • Robotica (12 cfu)

    • L'insegnamento è organizzato in due parti. Nella prima si forniscono allo studente gli strumenti le nozioni fondamentali e gli strumenti necessari per l’analisi, la progettazione di algoritmi per il controllo e la gestione di sistemi distribuiti per l'automazione e la robotica, sia in ambito industriale che di servizio. Nella seconda parte si affronta il problema del controllo dei robot manipolatori e dei veicoli autonomi (a bassa velocità).
  • 6 cfu a scelta nel gruppo GRUPPO B

    • Gruppo di materie caratterizzanti
    • Sistemi subacquei (6 cfu)

      • L’insegnamento ha l’obiettivo di fornire conoscenze integrative nel campo delle tecnologie per l’esplorazione geofisica in ambiente subacqueo. In particolare, l’insegnamento si propone di fornire conoscenze riguardanti la propagazione e le comunicazioni acustiche subacquee, la strumentazione per l’esplorazione del fondale marino (side-scan sonar, ecoscandagli a fasci, sub-bottom profilers, …), i sistemi automatici di raccolta dati, inclusi i robot subacquei autonomi o semi autonomi. L’insegnamento intende sviluppare negli studenti le capacità di pianificare, condurre e interpretare i risultati di sperimentazione geofisica in mare; in particolare, si intende sviluppare la capacità di scelta critica della strumentazione e del suo impiego relativamente all’obiettivo della sperimentazione. L’insegnamento ha l’obiettivo di rendere gli studenti consapevoli delle problematiche, dei limiti fisici e dei necessari compromessi nelle prestazioni dovuti alla complessità ed ai vincoli della sperimentazione in ambito marino. In particolare, si intende sviluppare un approccio razionale e metodologicamente motivato alla scelta, configurazione ed impiego della strumentazione oceanografica.
    • Laboratorio di Meccanica e Meccatronica (6 cfu)

      • Il corso di “Meccatronica” mira a fornire competenze di base per la modellazione, la pianificazione del movimento e la realizzazione di sistemi di automazione a controllo digitale. Il corso offre allo studente competenze per affrontare la progettazione di una architettura di controllo funzionale. Il corso esaminerà le componenti di un sistema di automazione dai quattro diversi punti di vista, meccanica, elettronica, programmazione e controllo. Tali tematiche verranno affrontate da una prospettiva di insieme, relazionando come eventuali scelte/limitazioni sulla struttura di controllo, meccanica, e/o elettronica si relazionino tra loro e concorrano insieme a definire le prestazioni complessive di sistema. Il corso di compone di lezioni teoriche ed esercitazioni sia in aula informatica che in laboratorio.
    • Dinamica dei veicoli (6 cfu)

      • L'insegnamento ha lo scopo di fornire gli strumenti per comprendere ed analizzare il funzionamento dinamico degli autoveicoli. L'insegnamento si propone di analizzare criticamente la modellazione degli autoveicoli al fine di meglio comprenderne il comportamento dinamico, a partire dal modello meccanico della ruota con pneumatico. L’insegnamento si prefigge l’obiettivo di sviluppare le capacità di saper creare un modello di veicolo, e di studiare le problematiche in termini di assetto, frenatura e stabilità. L’insegnamento ha l’obiettivo di sensibilizzare gli studenti sulla complessità dell’attività di modellazione nel contesto veicolistico, dove le proprie conoscenze e competenze devono poter portare allo studio di sistemi complessi.
    • Controllo digitale (6 cfu)

      • Il corso si propone di fornire le basi per l’analisi e il controllo digitale dei sistemi dinamici. Lo scopo è di descrivere le tecniche di discretizzazione dei segnali, le metodologie di analisi e controllo dei sistemi discreti, o con componenti discreti. Vengono presentate le tecniche principali per la analisi e la sintesi dei controllori digitali per le applicazioni ingegneristiche di interesse nel campo dell’automazione.
    • Robotica aerospaziale (6 cfu)

      • L’insegnamento si propone di fornire le basi per l’analisi e la sintesi di sistemi autonomi in ambito aeronautico e spaziale, con riferimenti alle problematiche di moto in tali ambienti.

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