A Review of pedestrian indoor positioning systems for mass market applications

In the last decade, the interest in Indoor Location Based Services (ILBS) has increased stimulating the development of Indoor Positioning Systems (IPS). In particular, ILBS look for positioning systems that can be applied anywhere in the world for millions of users, that is, there is a need for developing IPS for mass market applications. Those systems must provide accurate position estimations with minimum infrastructure cost and easy scalability to different environments. This survey overviews the current state of the art of IPSs and classifies them in terms of the infrastructure and methodology employed. Finally, each group is reviewed analysing its advantages and disadvantages and its applicability to mass market applications

On the use of smartphones as novel photogrammetric water gauging instruments: Developing tools for crowdsourcing water levels

The term global climate change is omnipresent since the beginning of the last decade. Changes in the global climate are associated with an increase in heavy rainfalls that can cause nearly unpredictable flash floods. Consequently, spatio-temporally high-resolution monitoring of rivers becomes increasingly important. Water gauging stations continuously and precisely measure water levels. However, they are rather expensive in purchase and maintenance and are preferably installed at water bodies relevant for water management. Small-scale catchments remain often ungauged. In order to increase the data density of hydrometric monitoring networks and thus to improve the prediction quality of flood events, new, flexible and cost-effective water level measurement technologies are required. They should be oriented towards the accuracy requirements of conventional measurement systems and facilitate the observation of water levels at virtually any time, even at the smallest rivers. A possible solution is the development of a photogrammetric smartphone application (app) for crowdsourcing water levels, which merely requires voluntary users to take pictures of a river section to determine the water level. Today’s smartphones integrate high-resolution cameras, a variety of sensors, powerful processors, and mass storage. However, they are designed for the mass market and use low-cost hardware that cannot comply with the quality of geodetic measurement technology. In order to investigate the potential for mobile measurement applications, research was conducted on the smartphone as a photogrammetric measurement instrument as part of the doctoral project. The studies deal with the geometric stability of smartphone cameras regarding device-internal temperature changes and with the accuracy potential of rotation parameters measured with smartphone sensors. The results show a high, temperature-related variability of the interior orientation parameters, which is why the calibration of the camera should be carried out during the immediate measurement. The results of the sensor investigations show considerable inaccuracies when measuring rotation parameters, especially the compass angle (errors up to 90° were observed). The same applies to position parameters measured by global navigation satellite system (GNSS) receivers built into smartphones. According to the literature, positional accuracies of about 5 m are possible in best conditions. Otherwise, errors of several 10 m are to be expected. As a result, direct georeferencing of image measurements using current smartphone technology should be discouraged. In consideration of the results, the water gauging app Open Water Levels (OWL) was developed, whose methodological development and implementation constituted the core of the thesis project. OWL enables the flexible measurement of water levels via crowdsourcing without requiring additional equipment or being limited to specific river sections. Data acquisition and processing take place directly in the field, so that the water level information is immediately available. In practice, the user captures a short time-lapse sequence of a river bank with OWL, which is used to calculate a spatio-temporal texture that enables the detection of the water line. In order to translate the image measurement into 3D object space, a synthetic, photo-realistic image of the situation is created from existing 3D data of the river section to be investigated. Necessary approximations of the image orientation parameters are measured by smartphone sensors and GNSS. The assignment of camera image and synthetic image allows for the determination of the interior and exterior orientation parameters by means of space resection and finally the transfer of the image-measured 2D water line into the 3D object space to derive the prevalent water level in the reference system of the 3D data. In comparison with conventionally measured water levels, OWL reveals an accuracy potential of 2 cm on average, provided that synthetic image and camera image exhibit consistent image contents and that the water line can be reliably detected. In the present dissertation, related geometric and radiometric problems are comprehensively discussed. Furthermore, possible solutions, based on advancing developments in smartphone technology and image processing as well as the increasing availability of 3D reference data, are presented in the synthesis of the work. The app Open Water Levels, which is currently available as a beta version and has been tested on selected devices, provides a basis, which, with continuous further development, aims to achieve a final release for crowdsourcing water levels towards the establishment of new and the expansion of existing monitoring networks.Der Begriff des globalen Klimawandels ist seit Beginn des letzten Jahrzehnts allgegenwärtig. Die Veränderung des Weltklimas ist mit einer Zunahme von Starkregenereignissen verbunden, die nahezu unvorhersehbare Sturzfluten verursachen können. Folglich gewinnt die raumzeitlich hochaufgelöste Überwachung von Fließgewässern zunehmend an Bedeutung. Pegelmessstationen erfassen kontinuierlich und präzise Wasserstände, sind jedoch in Anschaffung und Wartung sehr teuer und werden vorzugsweise an wasserwirtschaftlich-relevanten Gewässern installiert. Kleinere Gewässer bleiben häufig unbeobachtet. Um die Datendichte hydrometrischer Messnetze zu erhöhen und somit die Vorhersagequalität von Hochwasserereignissen zu verbessern, sind neue, kostengünstige und flexibel einsetzbare Wasserstandsmesstechnologien erforderlich. Diese sollten sich an den Genauigkeitsanforderungen konventioneller Messsysteme orientieren und die Beobachtung von Wasserständen zu praktisch jedem Zeitpunkt, selbst an den kleinsten Flüssen, ermöglichen. Ein Lösungsvorschlag ist die Entwicklung einer photogrammetrischen Smartphone-Anwendung (App) zum Crowdsourcing von Wasserständen mit welcher freiwillige Nutzer lediglich Bilder eines Flussabschnitts aufnehmen müssen, um daraus den Wasserstand zu bestimmen. Heutige Smartphones integrieren hochauflösende Kameras, eine Vielzahl von Sensoren, leistungsfähige Prozessoren und Massenspeicher. Sie sind jedoch für den Massenmarkt konzipiert und verwenden kostengünstige Hardware, die nicht der Qualität geodätischer Messtechnik entsprechen kann. Um das Einsatzpotential in mobilen Messanwendungen zu eruieren, sind Untersuchungen zum Smartphone als photogrammetrisches Messinstrument im Rahmen des Promotionsprojekts durchgeführt worden. Die Studien befassen sich mit der geometrischen Stabilität von Smartphone-Kameras bezüglich geräteinterner Temperaturänderungen und mit dem Genauigkeitspotential von mit Smartphone-Sensoren gemessenen Rotationsparametern. Die Ergebnisse zeigen eine starke, temperaturbedingte Variabilität der inneren Orientierungsparameter, weshalb die Kalibrierung der Kamera zum unmittelbaren Messzeitpunkt erfolgen sollte. Die Ergebnisse der Sensoruntersuchungen zeigen große Ungenauigkeiten bei der Messung der Rotationsparameter, insbesondere des Kompasswinkels (Fehler von bis zu 90° festgestellt). Selbiges gilt auch für Positionsparameter, gemessen durch in Smartphones eingebaute Empfänger für Signale globaler Navigationssatellitensysteme (GNSS). Wie aus der Literatur zu entnehmen ist, lassen sich unter besten Bedingungen Lagegenauigkeiten von etwa 5 m erreichen. Abseits davon sind Fehler von mehreren 10 m zu erwarten. Infolgedessen ist von einer direkten Georeferenzierung von Bildmessungen mittels aktueller Smartphone-Technologie abzusehen. Unter Berücksichtigung der gewonnenen Erkenntnisse wurde die Pegel-App Open Water Levels (OWL) entwickelt, deren methodische Entwicklung und Implementierung den Kern der Arbeit bildete. OWL ermöglicht die flexible Messung von Wasserständen via Crowdsourcing, ohne dabei zusätzliche Ausrüstung zu verlangen oder auf spezifische Flussabschnitte beschränkt zu sein. Datenaufnahme und Verarbeitung erfolgen direkt im Feld, so dass die Pegelinformationen sofort verfügbar sind. Praktisch nimmt der Anwender mit OWL eine kurze Zeitraffersequenz eines Flussufers auf, die zur Berechnung einer Raum-Zeit-Textur dient und die Erkennung der Wasserlinie ermöglicht. Zur Übersetzung der Bildmessung in den 3D-Objektraum wird aus vorhandenen 3D-Daten des zu untersuchenden Flussabschnittes ein synthetisches, photorealistisches Abbild der Aufnahmesituation erstellt. Erforderliche Näherungen der Bildorientierungsparameter werden von Smartphone-Sensoren und GNSS gemessen. Die Zuordnung von Kamerabild und synthetischem Bild erlaubt die Bestimmung der inneren und äußeren Orientierungsparameter mittels räumlichen Rückwärtsschnitt. Nach Rekonstruktion der Aufnahmesituation lässt sich die im Bild gemessene 2D-Wasserlinie in den 3D-Objektraum projizieren und der vorherrschende Wasserstand im Referenzsystem der 3D-Daten ableiten. Im Soll-Ist-Vergleich mit konventionell gemessenen Pegeldaten zeigt OWL ein erreichbares Genauigkeitspotential von durchschnittlich 2 cm, insofern synthetisches und reales Kamerabild einen möglichst konsistenten Bildinhalt aufweisen und die Wasserlinie zuverlässig detektiert werden kann. In der vorliegenden Dissertation werden damit verbundene geometrische und radiometrische Probleme ausführlich diskutiert sowie Lösungsansätze, auf der Basis fortschreitender Entwicklungen von Smartphone-Technologie und Bildverarbeitung sowie der zunehmenden Verfügbarkeit von 3D-Referenzdaten, in der Synthese der Arbeit vorgestellt. Mit der gegenwärtig als Betaversion vorliegenden und auf ausgewählten Geräten getesteten App Open Water Levels wurde eine Basis geschaffen, die mit kontinuierlicher Weiterentwicklung eine finale Freigabe für das Crowdsourcing von Wasserständen und damit den Aufbau neuer und die Erweiterung bestehender Monitoring-Netzwerke anstrebt

Design and Implementation of System Components for Radio Frequency Based Asset Tracking Devices to Enhance Location Based Services. Study of angle of arrival techniques, effects of mutual coupling, design of an angle of arrival algorithm, design of a novel miniature reconfigurable antenna optimised for wireless communication systems

The angle of arrival estimation of multiple sources plays a vital role in the field of array signal processing as MIMO systems can be employed at both the transmitter and the receiver end and the system capacity, reliability and throughput can be significantly increased by using array signal processing. Almost all applications require accurate direction of arrival (DOA) estimation to localize the sources of the signals. Another important parameter of localization systems is the array geometry and sensor design which can be application specific and is used to estimate the DOA. In this work, various array geometries and arrival estimation algorithms are studied and then a new scheme for multiple source estimation is proposed and evaluated based on the performance of subspace and non-subspace decomposition methods. The proposed scheme has shown to outperform the conventional Multiple Signal Classification (MUSIC) estimation and Bartlett estimation techniques. The new scheme has a better performance advantage at low and high signal to noise ratio values (SNRs). The research work also studies different array geometries for both single and multiple incident sources and proposes a geometry which is cost effective and efficient for 3, 4, and 5 antenna array elements. This research also considers the shape of the ground plane and its effects on the angle of arrival estimation and in addition it shows how the mutual couplings between the elements effect the overall estimation and how this error can be minimised by using a decoupling matrix. At the end, a novel miniaturised multi element reconfigurable antenna to represent the receiver base station is designed and tested. The antenna radiation patterns in the azimuth angle are almost omni-directional with linear polarisation. The antenna geometry is uniplanar printed logspiral with striplines feeding network and biased components to improve the impedance bandwidth. The antenna provides the benefit of small size, and re-configurability and is very well suited for the asset tracking applications

Survey of Motion Tracking Methods Based on Inertial Sensors: A Focus on Upper Limb Human Motion

Motion tracking based on commercial inertial measurements units (IMUs) has been widely studied in the latter years as it is a cost-effective enabling technology for those applications in which motion tracking based on optical technologies is unsuitable. This measurement method has a high impact in human performance assessment and human-robot interaction. IMU motion tracking systems are indeed self-contained and wearable, allowing for long-lasting tracking of the user motion in situated environments. After a survey on IMU-based human tracking, five techniques for motion reconstruction were selected and compared to reconstruct a human arm motion. IMU based estimation was matched against motion tracking based on the Vicon marker-based motion tracking system considered as ground truth. Results show that all but one of the selected models perform similarly (about 35 mm average position estimation error)

Aspekte der Verkehrstelematik – ausgewählte Veröffentlichungen 2014

Im fünften Band der Schriftenreihe Verkehrstelematik stehen die intermodalen Forschungsthemen aus ausgewählten Veröffentlichungen das Jahres 2014 der Professur für Verkehrsleitsysteme und prozessautomatisierung an der Fakultät Verkehrswissenschaften „Friedrich List“ der Technischen Universität Dresden im Fokus. Die Beiträge des Bandes können in diesem Jahr drei Schwerpunkten zugeordnet werden. Dabei handelt es sich zum einen um Veröffentlichungen zum abgeschlossenen EU-Projekt ON-TIME, das sich dem Thema Verkehrsmanagement und Fahrerassistenz sowie Fahrplanbewertung und optimierung in Bahnsystemen widmet. Fragestellungen zu Verkehrsdaten hinsichtlich des Designs von Datenschnittstellen, der Datenerfassung und -auswertung sowie des Erzeugens von Verkehrsdaten durch Realdaten-kalibrierte Simulationen sind ein zweites Kernthema. Hier reicht die Spannweite von Ansätzen bei der Zugfahrtsimulation der Vollbahn über Leistungsspitzenreduktion bei Straßen- und Stadtbahnen bis hin zu Lichtsignal-Assistenten im Straßenverkehr. Den dritten Schwerpunkt bilden Beiträge zum VAMOS, dem Verkehrsmanagementsystem der Stadt Dresden. Neben einem kurzen Abriss über Entstehung und Umfang des Systems ist die Nutzung der Datenbasis Ausgangspunkt für mehrere Fachpublikationen. Auch hierbei verfolgt die Professur einen multimodalen Ansatz. So zeigen Artikel über die Steigerung der ÖPNV-Qualität einerseits und Assistenzfunktionen des Individualverkehrs zur energieeffizienten Fahrt andererseits, dass VAMOS-Daten für verschiedene Verkehrsträger nutzbar sind

Ultra-wideband Based Indoor Localization of Mobile Nodes in ToA and TDoA Configurations

Zandian R. Ultra-wideband Based Indoor Localization of Mobile Nodes in ToA and TDoA Configurations. Bielefeld: Universität Bielefeld; 2019.This thesis discusses the utilization of ultra-wideband (UWB) technology in indoor localization scenarios and proposes system setup and evaluates different localization algorithms in order to improve the localization accuracy and stability of such systems in non-ideal conditions of the indoor environment. Recent developments and advances of technology in the areas of ubiquitous Internet, robotics and internet of things (IoT) have resulted in emerging new application areas in daily life in which localization systems are vital. The significant demand for a robust and accurate localization system that is applicable in indoor areas lacking satellites link, can be sensed. The UWB technology offers accurate localization systems with an accuracy of below 10 cm and covering the range of up to a few hundred meters thanks to their dedicated large bandwidth, modulation technique and signal power. In this thesis, the technology behind the UWB systems is discussed in detail. In terms of localization topologies, different scenarios with the focus on time-based methods are introduced. The main focus of this thesis is on the differential time of arrival localization systems (TDoA) with unilateral constellation that is suitable for robotic localization and navigation applications. A new approach for synchronization of TDoA topology is proposed and influence of clock inaccuracies in such systems are thoroughly evaluated. For localization engine, two groups of static and dynamic iterative algorithms are introduced. Among the possible dynamic methods, extended Kalman filter (EKF), H∞ and unscented Kalman filter (UKF) are discussed and meticulously evaluated. In order to tackle the non-line of sight (NLOS) problem of such systems, for detection stage several solutions which are based on parametric machine learning methods are proposed. Furthermore, for mitigation phase two solutions namely adjustment of measurement variance and innovation term are suggested. Practical results prove the efficiency and high reliability of the proposed algorithms with positive NLOS condition detection rate of more than 87%. In practical trials, the localization system is evaluated in indoor and outdoor arenas in both line of sight and non-line of sight conditions. The results show that the proposed detection and mitigation methods can be successfully applied for both small and large-scale arenas with the higher performance of the localization filters in terms of accuracy in large-scale scenarios