Self-Localization of Ad-Hoc Arrays Using Time Difference of Arrivals

This work was supported by the U.K. Engineering and Physical Sciences Research Council (EPSRC) under Grant EP/K007491/1

Simultaneous asynchronous microphone array calibration and sound source localisation

© 2015 IEEE. In this paper, an approach for sound source localisation and calibration of an asynchronous microphone array is proposed to be solved simultaneously. A graph-based Simultaneous Localisation and Mapping (SLAM) method is used for this purpose. Traditional sound source localisation using a microphone array has two main requirements. Firstly, geometrical information of microphone array is needed. Secondly, a multichannel analog-to-digital converter is required to obtain synchronous readings of the audio signal. Recent works aim at releasing these two requirements by estimating the time offset between each pair of microphones. However, it was assumed that the clock timing in each microphone sound card is exactly the same, which requires the clocks in the sound cards to be identically manufactured. A methodology is hereby proposed to calibrate an asynchronous microphone array using a graph-based optimisation method borrowed from the SLAM literature, effectively estimating the array geometry, time offset and clock difference/drift rate of each microphone together with the sound source locations. Simulation and experimental results are presented, which prove the effectiveness of the proposed methodology in achieving accurate estimates of the microphone array characteristics needed to be used on realistic settings with asynchronous sound devices

Audio Fingerprinting for Multi-Device Self-Localization

This work was supported by the U.K. Engineering and Physical Sciences Research Council (EPSRC) under Grant EP/K007491/1

An OFDM Signal Identification Method for Wireless Communications Systems

Distinction of OFDM signals from single carrier signals is highly important for adaptive receiver algorithms and signal identification applications. OFDM signals exhibit Gaussian characteristics in time domain and fourth order cumulants of Gaussian distributed signals vanish in contrary to the cumulants of other signals. Thus fourth order cumulants can be utilized for OFDM signal identification. In this paper, first, formulations of the estimates of the fourth order cumulants for OFDM signals are provided. Then it is shown these estimates are affected significantly from the wireless channel impairments, frequency offset, phase offset and sampling mismatch. To overcome these problems, a general chi-square constant false alarm rate Gaussianity test which employs estimates of cumulants and their covariances is adapted to the specific case of wireless OFDM signals. Estimation of the covariance matrix of the fourth order cumulants are greatly simplified peculiar to the OFDM signals. A measurement setup is developed to analyze the performance of the identification method and for comparison purposes. A parametric measurement analysis is provided depending on modulation order, signal to noise ratio, number of symbols, and degree of freedom of the underlying test. The proposed method outperforms statistical tests which are based on fixed thresholds or empirical values, while a priori information requirement and complexity of the proposed method are lower than the coherent identification techniques

Self-localization in Ad Hoc Indoor Acoustic Networks

The increasing use of mobile technology in everyday life has aroused interest into developing new ways of utilizing the data collected by devices such as mobile phones and wearable devices. Acoustic sensors can be used to localize sound sources if the positions of spatially separate sensors are known or can be determined. However, the process of determining the 3D coordinates by manual measurements is tedious especially with increasing number of sensors. Therefore, the localization process has to be automated. Satellite based positioning is imprecise for many applications and requires line-of-sight to the sky. This thesis studies localization methods for wireless acoustic sensor networks and the process is called self-localization.This thesis focuses on self-localization from sound, and therefore the term acoustic is used. Furthermore, the development of the methods aims at utilizing ad hoc sensor networks, which means that the sensors are not necessarily installed in the premises like meeting rooms and other purpose-built spaces, which often have dedicated audio hardware for spatial audio applications. Instead of relying on such spaces and equipment, mobile devices are used, which are combined to form sensor networks.For instance, a few mobile phones laid on a table can be used to create a sensor network built for an event and it is inherently dismantled once the event is over, which explains the use of the term ad hoc. Once positions of the devices are estimated, the network can be used for spatial applications such as sound source localization and audio enhancement via spatial filtering. The main purpose of this thesis is to present the methods for self-localization of such an ad hoc acoustic sensor network. Using off-the-shelf ad hoc devices to establish sensor networks enables implementation of many spatial algorithms basically in any environment.Several acoustic self-localization methods have been introduced over the years. However, they often rely on specialized hardware and calibration signals. This thesis presents methods that are passive and utilize environmental sounds such as speech from which, by using time delay estimation, the spatial information of the sensor network can be determined. Many previous self-localization methods assume that audio captured by the sensors is synchronized. This assumption cannot be made in an ad hoc sensor network, since the different sensors are unaware of each other without specific signaling that is not available without special arrangement.The methods developed in this thesis are evaluated with simulations and real data recordings. Scenarios in which the targets of positioning are stationary and in motion are studied. The real world recordings are made in closed spaces such as meeting rooms. The targets are approximately 1 – 5 meters apart. The positioning accuracy is approximately five centimeters in a stationary scenario, and ten centimeters in a moving-target scenario on average. The most important result of this thesis is presenting the first self-localization method that uses environmental sounds and off-the-shelf unsynchronized devices, and allows the targets of self-localization to move

Distributed, Low-Cost, Non-Expert Fine Dust Sensing with Smartphones

Diese Dissertation behandelt die Frage, wie mit kostengünstiger Sensorik Feinstäube in hoher zeitlicher und räumlicher Auflösung gemessen werden können. Dazu wird ein neues Sensorsystem auf Basis kostengünstiger off-the-shelf-Sensoren und Smartphones vorgestellt, entsprechende robuste Algorithmen zur Signalverarbeitung entwickelt und Erkenntnisse zur Interaktions-Gestaltung für die Messung durch Laien präsentiert. Atmosphärische Aerosolpartikel stellen im globalen Maßstab ein gravierendes Problem für die menschliche Gesundheit dar, welches sich in Atemwegs- und Herz-Kreislauf-Erkrankungen äußert und eine Verkürzung der Lebenserwartung verursacht. Bisher wird Luftqualität ausschließlich anhand von Daten relativ weniger fester Messstellen beurteilt und mittels Modellen auf eine hohe räumliche Auflösung gebracht, so dass deren Repräsentativität für die flächendeckende Exposition der Bevölkerung ungeklärt bleibt. Es ist unmöglich, derartige räumliche Abbildungen mit den derzeitigen statischen Messnetzen zu bestimmen. Bei der gesundheitsbezogenen Bewertung von Schadstoffen geht der Trend daher stark zu räumlich differenzierenden Messungen. Ein vielversprechender Ansatz um eine hohe räumliche und zeitliche Abdeckung zu erreichen ist dabei Participatory Sensing, also die verteilte Messung durch Endanwender unter Zuhilfenahme ihrer persönlichen Endgeräte. Insbesondere für Luftqualitätsmessungen ergeben sich dabei eine Reihe von Herausforderungen - von neuer Sensorik, die kostengünstig und tragbar ist, über robuste Algorithmen zur Signalauswertung und Kalibrierung bis hin zu Anwendungen, die Laien bei der korrekten Ausführung von Messungen unterstützen und ihre Privatsphäre schützen. Diese Arbeit konzentriert sich auf das Anwendungsszenario Partizipatorischer Umweltmessungen, bei denen Smartphone-basierte Sensorik zum Messen der Umwelt eingesetzt wird und üblicherweise Laien die Messungen in relativ unkontrollierter Art und Weise ausführen. Die Hauptbeiträge hierzu sind: 1. Systeme zum Erfassen von Feinstaub mit Smartphones (Low-cost Sensorik und neue Hardware): Ausgehend von früher Forschung zur Feinstaubmessung mit kostengünstiger off-the-shelf-Sensorik wurde ein Sensorkonzept entwickelt, bei dem die Feinstaub-Messung mit Hilfe eines passiven Aufsatzes auf einer Smartphone-Kamera durchgeführt wird. Zur Beurteilung der Sensorperformance wurden teilweise Labor-Messungen mit künstlich erzeugtem Staub und teilweise Feldevaluationen in Ko-Lokation mit offiziellen Messstationen des Landes durchgeführt. 2. Algorithmen zur Signalverarbeitung und Auswertung: Im Zuge neuer Sensordesigns werden Kombinationen bekannter OpenCV-Bildverarbeitungsalgorithmen (Background-Subtraction, Contour Detection etc.) zur Bildanalyse eingesetzt. Der resultierende Algorithmus erlaubt im Gegensatz zur Auswertung von Lichtstreuungs-Summensignalen die direkte Zählung von Partikeln anhand individueller Lichtspuren. Ein zweiter neuartiger Algorithmus nutzt aus, dass es bei solchen Prozessen ein signalabhängiges Rauschen gibt, dessen Verhältnis zum Mittelwert des Signals bekannt ist. Dadurch wird es möglich, Signale die von systematischen unbekannten Fehlern betroffen sind auf Basis ihres Rauschens zu analysieren und das "echte" Signal zu rekonstruieren. 3. Algorithmen zur verteilten Kalibrierung bei gleichzeitigem Schutz der Privatsphäre: Eine Herausforderung partizipatorischer Umweltmessungen ist die wiederkehrende Notwendigkeit der Sensorkalibrierung. Dies beruht zum einen auf der Instabilität insbesondere kostengünstiger Luftqualitätssensorik und zum anderen auf der Problematik, dass Endbenutzern die Mittel für eine Kalibrierung üblicherweise fehlen. Bestehende Ansätze zur sogenannten Cross-Kalibrierung von Sensoren, die sich in Ko-Lokation mit einer Referenzstation oder anderen Sensoren befinden, wurden auf Daten günstiger Feinstaubsensorik angewendet sowie um Mechanismen erweitert, die eine Kalibrierung von Sensoren untereinander ohne Preisgabe privater Informationen (Identität, Ort) ermöglicht. 4. Mensch-Maschine-Interaktions-Gestaltungsrichtlinien für Participatory Sensing: Auf Basis mehrerer kleiner explorativer Nutzerstudien wurde empirisch eine Taxonomie der Fehler erstellt, die Laien beim Messen von Umweltinformationen mit Smartphones machen. Davon ausgehend wurden mögliche Gegenmaßnahmen gesammelt und klassifiziert. In einer großen summativen Studie mit einer hohen Teilnehmerzahl wurde der Effekt verschiedener dieser Maßnahmen durch den Vergleich vier unterschiedlicher Varianten einer App zur partizipatorischen Messung von Umgebungslautstärke evaluiert. Die dabei gefundenen Erkenntnisse bilden die Basis für Richtlinien zur Gestaltung effizienter Nutzerschnittstellen für Participatory Sensing auf Mobilgeräten. 5. Design Patterns für Participatory Sensing Games auf Mobilgeräten (Gamification): Ein weiterer erforschter Ansatz beschäftigt sich mit der Gamifizierung des Messprozesses um Nutzerfehler durch den Einsatz geeigneter Spielmechanismen zu minimieren. Dabei wird der Messprozess z.B. in ein Smartphone-Spiel (sog. Minigame) eingebettet, das im Hintergrund bei geeignetem Kontext die Messung durchführt. Zur Entwicklung dieses "Sensified Gaming" getauften Konzepts wurden Kernaufgaben im Participatory Sensing identifiziert und mit aus der Literatur zu sammelnden Spielmechanismen (Game Design Patterns) gegenübergestellt

Hearing What You Cannot See: Acoustic Vehicle Detection Around Corners

This work proposes to use passive acoustic perception as an additional sensing modality for intelligent vehicles. We demonstrate that approaching vehicles behind blind corners can be detected by sound before such vehicles enter in line-of-sight. We have equipped a research vehicle with a roof-mounted microphone array, and show on data collected with this sensor setup that wall reflections provide information on the presence and direction of occluded approaching vehicles. A novel method is presented to classify if and from what direction a vehicle is approaching before it is visible, using as input Direction-of-Arrival features that can be efficiently computed from the streaming microphone array data. Since the local geometry around the ego-vehicle affects the perceived patterns, we systematically study several environment types, and investigate generalization across these environments. With a static ego-vehicle, an accuracy of 0.92 is achieved on the hidden vehicle classification task. Compared to a state-of-the-art visual detector, Faster R-CNN, our pipeline achieves the same accuracy more than one second ahead, providing crucial reaction time for the situations we study. While the ego-vehicle is driving, we demonstrate positive results on acoustic detection, still achieving an accuracy of 0.84 within one environment type. We further study failure cases across environments to identify future research directions.Comment: Accepted to IEEE Robotics & Automation Letters (2021), DOI: 10.1109/LRA.2021.3062254. Code, Data & Video: https://github.com/tudelft-iv/occluded_vehicle_acoustic_detectio