Distributed Maximum Likelihood for Simultaneous Self-localization and Tracking in Sensor Networks

We show that the sensor self-localization problem can be cast as a static parameter estimation problem for Hidden Markov Models and we implement fully decentralized versions of the Recursive Maximum Likelihood and on-line Expectation-Maximization algorithms to localize the sensor network simultaneously with target tracking. For linear Gaussian models, our algorithms can be implemented exactly using a distributed version of the Kalman filter and a novel message passing algorithm. The latter allows each node to compute the local derivatives of the likelihood or the sufficient statistics needed for Expectation-Maximization. In the non-linear case, a solution based on local linearization in the spirit of the Extended Kalman Filter is proposed. In numerical examples we demonstrate that the developed algorithms are able to learn the localization parameters.Comment: shorter version is about to appear in IEEE Transactions of Signal Processing; 22 pages, 15 figure

A Sensor Self-aware Distributed Consensus Filter for Simultaneous Localization and Tracking

This is the author accepted manuscript. The final version is available from Springer via the DOI in this recordBackground/Introduction: Simultaneous localization and tracking (SLAT) has become a very hot topic in both academia and industry for its potential wide applications in robotic equipment, sensor networks and smart devices. In order to exploit the advantages supported by state filtering and parameter estimation, researchers have proposed adaptive structures for solving SLAT problems. Existing solutions for SLAT problems that rely on belief propagation often have limited accuracy or high complexity. To adapt the brain decision mechanism for solving SLAT problems, we introduce a specific framework that is suitable for wireless sensor networks. Methods: Motivated by the high efficiency and performance of brain decision making built upon partial information and information updating, we propose a cognitively distributed SLAT algorithm based on an adaptive distributed filter, which is composed of two stages for target tracking and sensor localization. The first stage is consensus filtering that updates the target state with respect to each sensor. The second stage employs a recursive parameter estimation that exploits an on-line optimization method for refining the sensor localization. As an integrated framework, each consensus filter is specific to a separate sensor subsystem and gets feedback information from its parameter estimation. Results: The performance comparison in terms of positioning accuracy with respect to RMSE is shown and the simulation results demonstrate that the proposed ICF-RML performs better than the BPF-RML. This is expected since the distributed estimation with sufficient communication mechanism often achieves higher accuracy than that of less sufficient cases. Furthermore, the performance of the ICF-RML is comparable with that of the BPF-RML even if the latter assumes known prior network topology. We also observe from the results of tracking errors that ICF-RML accomplishes a remarkable improvement in the precision of target tracking and achieves more stable convergence than BPF-RML, in the scenario that all sensors are used to calculate the effect from data association errors. Conclusion: We apply this approach to formulate the SLAT problem and propose an effective solution, summarized in the paper. For small-size sensor networks with Gaussian distribution, our algorithm can be implemented through a distributed version of weighted information filter and a consensus protocol. Comparing the existing method, our solution shows a higher accuracy in estimation but with less complexity.National Natural Science Foundation of ChinaShandong Provincial Natural Science FoundationShandong Outstanding Young Scientist FundRoyal SocietyFundamental Research Funds for the Central Universitie

Fast Optimal Joint Tracking-Registration for Multi-Sensor Systems

Sensor fusion of multiple sources plays an important role in vehicular systems to achieve refined target position and velocity estimates. In this article, we address the general registration problem, which is a key module for a fusion system to accurately correct systematic errors of sensors. A fast maximum a posteriori (FMAP) algorithm for joint registration-tracking (JRT) is presented. The algorithm uses a recursive two-step optimization that involves orthogonal factorization to ensure numerically stability. Statistical efficiency analysis based on Cram\`{e}r-Rao lower bound theory is presented to show asymptotical optimality of FMAP. Also, Givens rotation is used to derive a fast implementation with complexity O(n) with $n$ the number of tracked targets. Simulations and experiments are presented to demonstrate the promise and effectiveness of FMAP

LiDAR-Based Object Tracking and Shape Estimation

Umfeldwahrnehmung stellt eine Grundvoraussetzung für den sicheren und komfortablen Betrieb automatisierter Fahrzeuge dar. Insbesondere bewegte Verkehrsteilnehmer in der unmittelbaren Fahrzeugumgebung haben dabei große Auswirkungen auf die Wahl einer angemessenen Fahrstrategie. Dies macht ein System zur Objektwahrnehmung notwendig, welches eine robuste und präzise Zustandsschätzung der Fremdfahrzeugbewegung und -geometrie zur Verfügung stellt. Im Kontext des automatisierten Fahrens hat sich das Box-Geometriemodell über die Zeit als Quasistandard durchgesetzt. Allerdings stellt die Box aufgrund der ständig steigenden Anforderungen an Wahrnehmungssysteme inzwischen häufig eine unerwünscht grobe Approximation der tatsächlichen Geometrie anderer Verkehrsteilnehmer dar. Dies motiviert einen Übergang zu genaueren Formrepräsentationen. In der vorliegenden Arbeit wird daher ein probabilistisches Verfahren zur gleichzeitigen Schätzung von starrer Objektform und -bewegung mittels Messdaten eines LiDAR-Sensors vorgestellt. Der Vergleich dreier Freiform-Geometriemodelle mit verschiedenen Detaillierungsgraden (Polygonzug, Dreiecksnetz und Surfel Map) gegenüber dem einfachen Boxmodell zeigt, dass die Reduktion von Modellierungsfehlern in der Objektgeometrie eine robustere und präzisere Parameterschätzung von Objektzuständen ermöglicht. Darüber hinaus können automatisierte Fahrfunktionen, wie beispielsweise ein Park- oder Ausweichassistent, von einem genaueren Wissen über die Fremdobjektform profitieren. Es existieren zwei Einflussgrößen, welche die Auswahl einer angemessenen Formrepräsentation maßgeblich beeinflussen sollten: Beobachtbarkeit (Welchen Detaillierungsgrad lässt die Sensorspezifikation theoretisch zu?) und Modell-Adäquatheit (Wie gut bildet das gegebene Modell die tatsächlichen Beobachtungen ab?). Auf Basis dieser Einflussgrößen wird in der vorliegenden Arbeit eine Strategie zur Modellauswahl vorgestellt, die zur Laufzeit adaptiv das am besten geeignete Formmodell bestimmt. Während die Mehrzahl der Algorithmen zur LiDAR-basierten Objektverfolgung ausschließlich auf Punktmessungen zurückgreift, werden in der vorliegenden Arbeit zwei weitere Arten von Messungen vorgeschlagen: Information über den vermessenen Freiraum wird verwendet, um über Bereiche zu schlussfolgern, welche nicht von Objektgeometrie belegt sein können. Des Weiteren werden LiDAR-Intensitäten einbezogen, um markante Merkmale wie Nummernschilder und Retroreflektoren zu detektieren und über die Zeit zu verfolgen. Eine ausführliche Auswertung auf über 1,5 Stunden von aufgezeichneten Fremdfahrzeugtrajektorien im urbanen Bereich und auf der Autobahn zeigen, dass eine präzise Modellierung der Objektoberfläche die Bewegungsschätzung um bis zu 30%-40% verbessern kann. Darüber hinaus wird gezeigt, dass die vorgestellten Methoden konsistente und hochpräzise Rekonstruktionen von Objektgeometrien generieren können, welche die häufig signifikante Überapproximation durch das einfache Boxmodell vermeiden