9-DOF IMU-Based Attitude and Heading Estimation using an Extended Kalman Filter with Bias Consideration

The attitude and heading reference system (AHRS) is an important concept in the area of navigation, image stabilization, and object detection and tracking. Many studies and works have been conducted in this regard to estimate the accurate orientation of rigid bodies. In most research in this area, low-cost MEMS sensors are employed, but since the system’s response will diverge over time due to integration drift, it is necessary to apply proper estimation algorithms. A two-step extended Kalman Filter (EKF) algorithm is used in this study to estimate the orientation of an IMU. A 9-DOF device is used for this purpose, including a 6-DOF IMU with a three-axis gyroscope and a three-axis accelerometer, and a three-axis magnetometer. In addition, to have an accurate algorithm, both IMU and magnetometer biases and disturbances are modeled and considered in the real-time filter. After applying the algorithm to the sensor’s output, an accurate orientation as well as unbiased angular velocity, linear acceleration, and magnetic field were achieved. In order to demonstrate the reduction of noise power, fast Fourier transform (FFT) diagrams are used. The effect of the initial condition on the response of the system is also investigated

MONEDA: scalable multi-objective optimization with a neural network-based estimation of distribution algorithm

The Extension Of Estimation Of Distribution Algorithms (Edas) To The Multiobjective Domain Has Led To Multi-Objective Optimization Edas (Moedas). Most Moedas Have Limited Themselves To Porting Single-Objective Edas To The Multi-Objective Domain. Although Moedas Have Proved To Be A Valid Approach, The Last Point Is An Obstacle To The Achievement Of A Significant Improvement Regarding "Standard" Multi-Objective Optimization Evolutionary Algorithms. Adapting The Model-Building Algorithm Is One Way To Achieve A Substantial Advance. Most Model-Building Schemes Used So Far By Edas Employ Off-The-Shelf Machine Learning Methods. However, The Model-Building Problem Has Particular Requirements That Those Methods Do Not Meet And Even Evade. The Focus Of This Paper Is On The Model- Building Issue And How It Has Not Been Properly Understood And Addressed By Most Moedas. We Delve Down Into The Roots Of This Matter And Hypothesize About Its Causes. To Gain A Deeper Understanding Of The Subject We Propose A Novel Algorithm Intended To Overcome The Draw-Backs Of Current Moedas. This New Algorithm Is The Multi-Objective Neural Estimation Of Distribution Algorithm (Moneda). Moneda Uses A Modified Growing Neural Gas Network For Model-Building (Mb-Gng). Mb-Gng Is A Custom-Made Clustering Algorithm That Meets The Above Demands. Thanks To Its Custom-Made Model-Building Algorithm, The Preservation Of Elite Individuals And Its Individual Replacement Scheme, Moneda Is Capable Of Scalably Solving Continuous Multi-Objective Optimization Problems. It Performs Better Than Similar Algorithms In Terms Of A Set Of Quality Indicators And Computational Resource Requirements.This work has been funded in part by projects CNPq BJT 407851/2012-7, FAPERJ APQ1 211.451/2015, MINECO TEC2014-57022-C2-2-R and TEC2012-37832-C02-01

Subfactors and Applications

The theory of subfactors connects diverse topics in mathematics and mathematical physics such as tensor categories, vertex operator algebras, quantum groups, quantum topology, free probability, quantum field theory, conformal field theory, statistical mechanics, condensed matter physics and, of course, operator algebras. We invited an international group of researchers from these areas and many fruitful interactions took place during the workshop

Applications

Volume 3 describes how resource-aware machine learning methods and techniques are used to successfully solve real-world problems. The book provides numerous specific application examples: in health and medicine for risk modelling, diagnosis, and treatment selection for diseases in electronics, steel production and milling for quality control during manufacturing processes in traffic, logistics for smart cities and for mobile communications

Applications

Volume 3 describes how resource-aware machine learning methods and techniques are used to successfully solve real-world problems. The book provides numerous specific application examples: in health and medicine for risk modelling, diagnosis, and treatment selection for diseases in electronics, steel production and milling for quality control during manufacturing processes in traffic, logistics for smart cities and for mobile communications

Data fusion for ground target tracking in GSM networks

Positioning in mobile cellular networks is an exciting research area. The Global System for Mobile communications (GSM) network, as a widely used mobile communication standard around the world, has shown the potential to provide position information. Ground target tracking is a significant application of finding the position of a mobile station (MS). However, a GSM positioning system based on current specifications faces many difficulties to yield an accurate position estimate. Since the signals are designed by communication needs rather than positioning, the resolution of the measurements in GSM networks for positioning is coarse. The ambiguities of the position estimate arise when there are not a sufficient number of measurements available. Moreover, due to the restriction of terrain, road and traffic, the ground target often maneuvers. Therefore, data fusion approaches, which integrate redundant information from different sources, are applied in this work to obtain improved position estimation accuracy. This work focuses on the state estimation problem of the MS\u27s position given the measurements from the GSM networks and a priori road information. A data fusion solution, which integrates time of arrival (TOA) and received signal strength (RSS) measurements using an extended Kalman filter (EKF), is proposed to provide an improved position estimate. The theoretical best achievable performance, posterior Cramer-Rao lower bound (PCRLB), is derived for the data fusion approach. The PCRLB is used to demonstrate the benefits of the fusion approach and applied as a benchmark to compare different estimators. The road constraint is incorporated into the estimation process as a pseudomeasurement. Simulations of the linear and nonlinear road segments prove the advantages of the road-constrained approach. Moreover, the motion mode uncertainty problem is considered and solved by a multiple model (MM) approach. In particular, an adaptive road-constrained interacting MM (ARC-IMM) estimator, which incorporates the road information into a variable structure MM mechanism, is proposed and demonstrated to be effective and robust to provide a significantly improved position estimate.Die Ortung in Mobilfunknetzen ist ein faszinierendes Forschungsgebiet. Der in großem Umfang genutzte Mobilfunkstandard für digitale Netze Global System for Mobile communications (GSM) kann auch zur Positionsbestimmung erfolgreich eingesetzt werden. Eine der bedeutenden Anwendungen bezüglich der Ortung von Mobilstationen (MS), d.h. von Mobilfunkend-geräten, ist das sogenannte Ground-Target-Tracking, also die Zielverfolgung derselben. Im Falle eines GSM-basierten Ortungssystems, das auf den aktuellen GSM-Spezifikationen basiert, müssen viele Schwierigkeiten überwunden werden, um die Position genau schätzen zu können. Zum einen liegen - da die Signale im Wesentlichen unter Berücksichtigung der Anforderungen hinsichtlich der Kommunikation (und nicht der Ortung) entworfen wurden - die Ergebnisse der Ortung in GSM-Netzwerken nur in einer groben Auflösung vor, und im Falle einer nicht ausreichend hohen Anzahl von verfügbaren Messwerten treten Mehrdeutigkeiten bei der Positionsschätzung auf. Zum anderen führt das Ziel entsprechend dem Gelände, dem Straßenverlauf und dem Verkehr oft Bewegungsänderungen durch. In dieser Arbeit werden deshalb Datenfusionsansätze verfolgt, die redundante Messwerte aus verschiedenen Quellen berücksichtigen, um eine verbesserte Genauigkeit der Positionsschätzung zu erzielen. Im Mittelpunkt der Arbeit steht die Zustandsschätzung unter Berücksichtigung der Messwerte aus dem GSM-Netzwerk und von a priori Information zum Straßenverlauf. Es wird ein Datenfusionsansatz eingeführt, mit dem die Fusion der Messwerte aus den Verfahren Time-of-Arrival (TOA) und Received-Signal-Strength (RSS) möglich wird, um einen verbesserten Positionsschätzwert zu erhalten. Es wird dabei ein Extended-Kalman-Filter (EKF) eingesetzt. Die theoretisch beste erzielbare Genauigkeit mit dem Datenfusionsansatz wird in Form der posterior Cramér-Rao lower bound (PCRLB) abgeleitet. Die PCRLB wird herangezogen um die Vorteile des Datenfusionsansatzes zu zeigen und dient als Benchmark für den Vergleich verschiedener Verfahren. Die Information über den Straßenverlauf wird in den Schätzprozess in Form einer Pseudomessung integriert. Simulationen sowohl in linearen als auch in nichtlinearen Fällen zeigen die Vorteile dieses Ansatzes, der die Randbedingungen durch den Straßenverlauf einbezieht. Weiterhin wird das Problem der Unsicherheit bei der Auswahl der Bewegungsart im Multiple-Model (MM) - Ansatz betrachtet und gelöst. Insbesondere wird ein sogenannter Adaptive-Road-Constraint-Interacting-Multiple-Model (ARC-IMM) - Schätzer, der die Straßen-information in einen MM-Ansatz mit variabler Struktur integriert, vorgeschlagen. Es wird gezeigt, dass dieser Schätzer effizient und robust ist, und eine wesentlich verbesserte Positionsschätzung liefert

Proceedings of the 11th Workshop on Nonmonotonic Reasoning

These are the proceedings of the 11th Nonmonotonic Reasoning Workshop. The aim of this series is to bring together active researchers in the broad area of nonmonotonic reasoning, including belief revision, reasoning about actions, planning, logic programming, argumentation, causality, probabilistic and possibilistic approaches to KR, and other related topics. As part of the program of the 11th workshop, we have assessed the status of the field and discussed issues such as: Significant recent achievements in the theory and automation of NMR; Critical short and long term goals for NMR; Emerging new research directions in NMR; Practical applications of NMR; Significance of NMR to knowledge representation and AI in general

Contributions to Ensemble Classifiers with Image Analysis Applications

134 p.Ésta tesis tiene dos aspectos fundamentales, por un lado, la propuesta denuevas arquitecturas de clasificadores y, por otro, su aplicación a el análisis deimagen.Desde el punto de vista de proponer nuevas arquitecturas de clasificaciónla tesis tiene dos contribucciones principales. En primer lugar la propuestade un innovador ensemble de clasificadores basado en arquitecturas aleatorias,como pueden ser las Extreme Learning Machines (ELM), Random Forest (RF) yRotation Forest, llamado Hybrid Extreme Rotation Forest (HERF) y su mejoraAnticipative HERF (AHERF) que conlleva una selección del modelo basada enel rendimiento de predicción para cada conjunto de datos específico. Ademásde lo anterior, proveemos una prueba formal tanto del AHERF, como de laconvergencia de los ensembles de regresores ELMs que mejoran la usabilidad yreproducibilidad de los resultados.En la vertiente de aplicación hemos estado trabajando con dos tipos de imágenes:imágenes hiperespectrales de remote sensing, e imágenes médicas tanto depatologías específicas de venas de sangre como de imágenes para el diagnósticode Alzheimer. En todos los casos los ensembles de clasificadores han sido la herramientacomún además de estrategias especificas de aprendizaje activo basadasen dichos ensembles de clasificadores. En el caso concreto de la segmentaciónde vasos sanguíneos nos hemos enfrentado con problemas, uno relacionado conlos trombos del Aneurismas de Aorta Abdominal en imágenes 3D de tomografíacomputerizada y el otro la segmentación de venas sangineas en la retina. Losresultados en ambos casos en términos de rendimiento en clasificación y ahorrode tiempo en la segmentación humana nos permiten recomendar esos enfoquespara la práctica clínica.Chapter 1Background y contribuccionesDado el espacio limitado para realizar el resumen de la tesis hemos decididoincluir un resumen general con los puntos más importantes, una pequeña introducciónque pudiera servir como background para entender los conceptos básicosde cada uno de los temas que hemos tocado y un listado con las contribuccionesmás importantes.1.1 Ensembles de clasificadoresLa idea de los ensembles de clasificadores fue propuesta por Hansen y Salamon[4] en el contexto del aprendizaje de las redes neuronales artificiales. Sutrabajo mostró que un ensemble de redes neuronales con un esquema de consensogrupal podía mejorar el resultado obtenido con una única red neuronal.Los ensembles de clasificadores buscan obtener unos resultados de clasificaciónmejores combinando clasificadores débiles y diversos [8, 9]. La propuesta inicialde ensemble contenía una colección homogena de clasificadores individuales. ElRandom Forest es un claro ejemplo de ello, puesto que combina la salida de unacolección de árboles de decisión realizando una votación por mayoría [2, 3], yse construye utilizando una técnica de remuestreo sobre el conjunto de datos ycon selección aleatoria de variables.2CHAPTER 1. BACKGROUND Y CONTRIBUCCIONES 31.2 Aprendizaje activoLa construcción de un clasificador supervisado consiste en el aprendizaje de unaasignación de funciones de datos en un conjunto de clases dado un conjunto deentrenamiento etiquetado. En muchas situaciones de la vida real la obtenciónde las etiquetas del conjunto de entrenamiento es costosa, lenta y propensa aerrores. Esto hace que la construcción del conjunto de entrenamiento sea unatarea engorrosa y requiera un análisis manual exaustivo de la imagen. Esto se realizanormalmente mediante una inspección visual de las imágenes y realizandoun etiquetado píxel a píxel. En consecuencia el conjunto de entrenamiento esaltamente redundante y hace que la fase de entrenamiento del modelo sea muylenta. Además los píxeles ruidosos pueden interferir en las estadísticas de cadaclase lo que puede dar lugar a errores de clasificación y/o overfitting. Por tantoes deseable que un conjunto de entrenamiento sea construido de una manera inteligente,lo que significa que debe representar correctamente los límites de clasemediante el muestreo de píxeles discriminantes. La generalización es la habilidadde etiquetar correctamente datos que no se han visto previamente y quepor tanto son nuevos para el modelo. El aprendizaje activo intenta aprovecharla interacción con un usuario para proporcionar las etiquetas de las muestrasdel conjunto de entrenamiento con el objetivo de obtener la clasificación másprecisa utilizando el conjunto de entrenamiento más pequeño posible.1.3 AlzheimerLa enfermedad de Alzheimer es una de las causas más importantes de discapacidaden personas mayores. Dado el envejecimiento poblacional que es una realidaden muchos países, con el aumento de la esperanza de vida y con el aumentodel número de personas mayores, el número de pacientes con demencia aumentarátambién. Debido a la importancia socioeconómica de la enfermedad enlos países occidentales existe un fuerte esfuerzo internacional focalizado en laenfermedad del Alzheimer. En las etapas tempranas de la enfermedad la atrofiacerebral suele ser sutil y está espacialmente distribuida por diferentes regionescerebrales que incluyen la corteza entorrinal, el hipocampo, las estructuras temporaleslateral e inferior, así como el cíngulo anterior y posterior. Son muchoslos esfuerzos de diseño de algoritmos computacionales tratando de encontrarbiomarcadores de imagen que puedan ser utilizados para el diagnóstico no invasivodel Alzheimer y otras enfermedades neurodegenerativas.CHAPTER 1. BACKGROUND Y CONTRIBUCCIONES 41.4 Segmentación de vasos sanguíneosLa segmentación de los vasos sanguíneos [1, 7, 6] es una de las herramientas computacionalesesenciales para la evaluación clínica de las enfermedades vasculares.Consiste en particionar un angiograma en dos regiones que no se superponen:la región vasculares y el fondo. Basándonos en los resultados de dicha particiónse pueden extraer, modelar, manipular, medir y visualizar las superficies vasculares.Éstas estructuras son muy útiles y juegan un rol muy imporntate en lostratamientos endovasculares de las enfermedades vasculares. Las enfermedadesvasculares son una de las principales fuentes de morbilidad y mortalidad en todoel mundo.Aneurisma de Aorta Abdominal El Aneurisma de Aorta Abdominal (AAA)es una dilatación local de la Aorta que ocurre entre las arterias renal e ilíaca. Eldebilitamiento de la pared de la aorta conduce a su deformación y la generaciónde un trombo. Generalmente, un AAA se diagnostica cuando el diámetro anterioposteriormínimo de la aorta alcanza los 3 centímetros [5]. La mayoría delos aneurismas aórticos son asintomáticos y sin complicaciones. Los aneurismasque causan los síntomas tienen un mayor riesgo de ruptura. El dolor abdominalo el dolor de espalda son las dos principales características clínicas que sugiereno bien la reciente expansión o fugas. Las complicaciones son a menudo cuestiónde vida o muerte y pueden ocurrir en un corto espacio de tiempo. Por lo tanto,el reto consiste en diagnosticar lo antes posible la aparición de los síntomas.Imágenes de Retina La evaluación de imágenes del fondo del ojo es una herramientade diagnóstico de la patología vascular y no vascular. Dicha inspecciónpuede revelar hipertensión, diabetes, arteriosclerosis, enfermedades cardiovascularese ictus. Los principales retos para la segmentación de vasos retinianos son:(1) la presencia de lesiones que se pueden interpretar de forma errónea comovasos sanguíneos; (2) bajo contraste alrededor de los vasos más delgados, (3)múltiples escalas de tamaño de los vasos.1.5 ContribucionesÉsta tesis tiene dos tipos de contribuciones. Contribuciones computacionales ycontribuciones orientadas a una aplicación o prácticas.CHAPTER 1. BACKGROUND Y CONTRIBUCCIONES 5Desde un punto de vista computacional las contribuciones han sido las siguientes:¿ Un nuevo esquema de aprendizaje activo usando Random Forest y el cálculode la incertidumbre que permite una segmentación de imágenes rápida,precisa e interactiva.¿ Hybrid Extreme Rotation Forest.¿ Adaptative Hybrid Extreme Rotation Forest.¿ Métodos de aprendizaje semisupervisados espectrales-espaciales.¿ Unmixing no lineal y reconstrucción utilizando ensembles de regresoresELM.Desde un punto de vista práctico:¿ Imágenes médicas¿ Aprendizaje activo combinado con HERF para la segmentación deimágenes de tomografía computerizada.¿ Mejorar el aprendizaje activo para segmentación de imágenes de tomografíacomputerizada con información de dominio.¿ Aprendizaje activo con el clasificador bootstrapped dendritic aplicadoa segmentación de imágenes médicas.¿ Meta-ensembles de clasificadores para detección de Alzheimer conimágenes de resonancia magnética.¿ Random Forest combinado con aprendizaje activo para segmentaciónde imágenes de retina.¿ Segmentación automática de grasa subcutanea y visceral utilizandoresonancia magnética.¿ Imágenes hiperespectrales¿ Unmixing no lineal y reconstrucción utilizando ensembles de regresoresELM.¿ Métodos de aprendizaje semisupervisados espectrales-espaciales concorrección espacial usando AHERF.¿ Método semisupervisado de clasificación utilizando ensembles de ELMsy con regularización espacial