Circuiti e algoritmi per la Meccatronica

Corso di Laurea in Ingegneria Elettronica – Facoltà di Ingegneria –
Università di Cagliari – A.A. 2002/03- 60 ore equivalenti a 6 crediti-I semestre
(Attività formativa: Affine/Integ.)

Docente: Antonino Serri

Descrizione sintetica

L’obiettivo del corso è fornire strumenti teorici e pratici per formare, nell’allievo ingegnere elettronico, l’approccio “meccatronico” per la realizzazione di sistemi autonomi. Gli argomenti delle lezioni riguarderanno aspetti teorici e pratici con esempi HW, SW. Sono previste esercitazioni pratiche al calcolatore e con due microcontrollori: Motorola HC11 (developer’s kit) e Hitachi H8 (robot della serie “Lego MINDSTORMS”). Per le esercitazioni relativamente a circuiti ed algoritmi saranno utilizzati Matlab e PSPICE.

Obiettivi

L’obiettivo del corso è la formazione di ingegneri con competenze di progettazione meccatronica. Si intende quindi fornire agli studenti gli strumenti teorici necessari (conoscenze di controlli, di sensoristica, di metodi di attuazione e di progettazione di meccanismi) nonché educarli alla capacità di pensare e progettare in un’ottica integrata e rivolta al design di sistema. Al termine del corso gli studenti dovranno acquisire un approccio integrato e “meccatronico” per i problemi di design e progettazione; in questo contesto le conoscenze di base fornite dai moduli del corso più teorici potranno essere valorizzate ed utilizzate come bagaglio tecnico per la progettazione integrata.

Finalità del corso

Il corso si propone di far acquisire agli studenti le capacità di base richieste per progettare “macchine meccatroniche”, vale a dire sistemi che integrano la meccanica con un controllo immerso e che rispondano in tempo reale.
Le conoscenze di base che lo studente acquisisce sono quelle che rispecchiano gli stessi moduli fondamentali di un sistema meccatronico: i meccanismi, i sensori, gli attuatori, il controllo e l’interfaccia uomo-macchina.

Programma

1. Introduzione alla meccatronica: evoluzione della robotica,  algoritmi di ottimizzazione e circuiti resistivi (3h lezione).

2. Analisi e sintesi dei circuiti resistivi non lineari con l’approssimazione PWL (lineare a tratti). Generalità sull’insorgenza dei fenomeni caotici nei sistemi meccatronici. Il circuito di Chua come esempio del caos deterministico. Esercitazioni sperimentali e numeriche con PSPICE (6h lezione+9h laboratorio).

3. HW: microprocessori, microcontrollori e DSP; sviluppo di sistemi embedded; algoritmi di controllo real-time; gerarchie di controllo e di comunicazione. Motorola HC11: architettura e funzionamento. Lego Mindstorms RCX: caratteristiche e funzionamento (6h). Esercitazione con misure su scheda HC11 e RCX (3h)

4. SW: programmazione assembler e linguaggi ad alto livello. Crosscompilatore C per HC11. La programmazione grafica LabVIEW e Robolab per RCX. La programmazione JAVA e LeJOS, cenni a NQC per RCX (9h). Esercitazioni con crosscompilatore, Robolab, LeJOS (9h)

5. Algoritmi di ottimizzazione: metodi unidimensionali, algoritmi di ricerca, algoritmi di discesa, algoritmi non deterministici (6h). Esercitazioni con Matlab (optimization e neural network toolbox): algoritmi deterministici, algoritmi neurali e genetico (3h lezione+6h laboratorio)

Articolazione temporale

Numero totale di ore di lezione: 30
Numero totale di ore di esercitazione: 30
Numero complessivo di ore: 60 (6 crediti)

Testi di riferimento

1. “Recent advances in Mechatronics”, O. Kaynak et alii, Springer Verlag, 1999.
2. “*”, Kovalic, Pizzo
3. “Design with microcontrollers”, J.B. Peatman, Mc Graw Hill, 1988.
4. “*”, Chua,”
5. Pubblicazioni del docente e Risorse multimediali dal WEB

NOTA per la declaratoria: “Nell’ambito dello sviluppo delle relative applicazioni dei due filoni complementari dei campi elettromagnetici e dei circuiti elettrici ed elettronici nell’ingegneria civile, industriale e dell’informazione, si studiano i circuiti, sia analogici sia digitali, ed i relativi modelli: lineari, non lineari e tempo-varianti, a parametri concentrati e distribuiti, di segnale e di potenza, mono e multidimensionali. ”
In particolare in CAM, l’approccio circuitale è applicato ad analisi, sintesi, modellistica numerica e progettazione automatica dei sistemi meccatronici.

Metodologia didattica

Gli argomenti teorici del corso verranno proposti facendo sempre riferimento a casi concreti, in modo da invitare gli studenti ad una partecipazione attiva. Per alcuni argomenti su cui si richiede una conoscenza specialistica particolare, il titolare del corso potrà essere affiancato da alcuni esperti. La parte sperimentale verrà sviluppata mediante l’impiego dei LEGO Mindstorms