5 research outputs found
Effiziente Algorithmen der Positionsbestimmung und positionsbasierte Kontextgewinnung zur Selbstorganisation in drahtlosen Sensornetzwerken
Als zentrales Thema der Arbeit wird die Positionsbestimmung einzelner Knoten innerhalb drahtloser Sensornetzwerke betrachtet. Im zweiten Themenkomplex, der Clusterbildung, wird zum einen ein auf Lokalisierung aufbauendes Verfahren betrachtet. Zum anderen wird ein Algorithmus vorgestellt, welcher nicht auf die Ermittlung konkreter Positionen angewiesen ist. Das im dritten Themenkomplex betrachtete Verfahren zur Erkennung von Fehlern innerhalb drahtloser Sensornetzwerke bietet eine Möglichkeit, um Fehler innerhalb ermittelter Informationen in drahtlosen Sensornetzwerken zu erkennen.As its main topic this thesis deals with positioning of single nodes within wireless sensor networks. Clustering in wireless sensor networks forms the second part of this work. Two newly developed algorithms will be presented. One of them is based on location information. The other uses coarse grained localization technique but without the need for location information. The third topic of this thesis is about an algorithm newly developed to detect erroneous data at a sensor node
Basissoftware fĂŒr drahtlose Ad-hoc- und Sensornetze
Mit dem Titel "Basissoftware fĂŒr selbstorganisierende Infrastrukturen fĂŒr vernetzte mobile Systeme" vereint das Schwerpunktprogramm 1140 der DFG Forschungsvorhaben zum Thema drahtloser Ad-hoc- und Sensornetze. Durch die Konzeption höherwertiger Dienste fĂŒr diese aufstrebenden Netztypen leistet das Schwerpunktprogramm einen essentiellen Beitrag zur aktuellen Forschung und erschafft gleichzeitig ein solides Fundament zur Entwicklung zahlreicher Anwendungen
7. GI/ITG KuVS FachgesprÀch Drahtlose Sensornetze
In dem vorliegenden Tagungsband sind die BeitrĂ€ge des FachgesprĂ€chs Drahtlose Sensornetze 2008 zusammengefasst. Ziel dieses FachgesprĂ€chs ist es, Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler aus diesem Gebiet die Möglichkeit zu einem informellen Austausch zu geben â wobei immer auch Teilnehmer aus der Industrieforschung willkommen sind, die auch in diesem Jahr wieder teilnehmen.Das FachgesprĂ€ch ist eine betont informelle Veranstaltung der GI/ITG-Fachgruppe âKommunikation und Verteilte Systemeâ (www.kuvs.de). Es ist ausdrĂŒcklich keine weitere Konferenz mit ihrem groĂen Overhead und der Anforderung, fertige und möglichst âwasserdichteâ Ergebnisse zu prĂ€sentieren, sondern es dient auch ganz explizit dazu, mit Neueinsteigern auf der Suche nach ihrem Thema zu diskutieren und herauszufinden, wo die Herausforderungen an die zukĂŒnftige Forschung ĂŒberhaupt liegen.Das FachgesprĂ€ch Drahtlose Sensornetze 2008 findet in Berlin statt, in den RĂ€umen der Freien UniversitĂ€t Berlin, aber in Kooperation mit der ScatterWeb GmbH. Auch dies ein Novum, es zeigt, dass das FachgesprĂ€ch doch deutlich mehr als nur ein nettes Beisammensein unter einem Motto ist.FĂŒr die Organisation des Rahmens und der Abendveranstaltung gebĂŒhrt Dank den beiden Mitgliedern im Organisationskomitee, Kirsten Terfloth und Georg Wittenburg, aber auch Stefanie Bahe, welche die redaktionelle Betreuung des Tagungsbands ĂŒbernommen hat, vielen anderen Mitgliedern der AG Technische Informatik der FU Berlin und natĂŒrlich auch ihrem Leiter, Prof. Jochen Schiller
Automatisierte Integration von funkbasierten Sensornetzen auf Basis simultaner Lokalisierung und Kartenerstellung
Ziel der vorliegenden Arbeit ist die Entwicklung eines Verfahrens zur automatisierten Integration funkbasierter drahtloser Sensornetze (engl. Wireless Sensor Network, kurz WSN) in die jeweilige Anwendungsumgebung. Die Sensornetze realisieren dort neben Kommunikationsaufgaben vor allem die Bestimmung von Ortsinformationen. Das Betriebshofmanagement im ĂPNV stellt dabei eine typische Anwendung dar. So wird auf der Grundlage permanent verfĂŒgbarer Positionskoordinaten von Bussen und Bahnen als mobile Objekte im Verkehrsumfeld eine effizientere BetriebsfĂŒhrung ermöglicht.
Die Datenbasis in dieser Arbeit bilden zum einen geometrische Beziehungen im Sensornetz, die aus GrĂŒnden der VerfĂŒgbarkeit lediglich durch paarweise Distanzen zwischen den mobilen Objekten und den im Umfeld fest installierten Ankern beschrieben sind. Zum anderen kann auf vorhandenes digitales Kartenmaterial in Form von Vektor- und Rasterkarten bspw. von GIS-Diensten zurĂŒckgegriffen werden. Die Argumente fĂŒr eine Automatisierung sind naheliegend. Einerseits soll der Aufwand der Positionskalibrierung nicht mit der Anzahl verbauter Anker skalieren, was sich ausschlieĂlich automatisiert realisieren lĂ€sst. Dadurch werden gleichzeitig symptomatische Fehlerquellen, die aus einer manuellen Systemintegration resultieren, eliminiert. Andererseits soll die Automatisierung ein echtzeitfĂ€higes Betreiben (z.B. Rekalibrierung und Fernwartung) gewĂ€hrleisten, sodass kostenintensive Wartungs- und Servicedienstleistungen entfallen.
Das entwickelte Verfahren generiert zunĂ€chst aus den Sensordaten mittels distanzbasierter simultaner Lokalisierung und Kartenerstellung (engl. Range-Only Simultaneous Localization and Mapping, kurz RO-SLAM) relative Positionsinformationen fĂŒr Anker und mobile Objekte. AnschlieĂend fĂŒhrt das Verfahren diese Informationen im Rahmen einer kooperativen Kartenerstellung zusammen. Aus den relativen, kooperativen Ergebnissen und dem zugrundeliegenden Kartenmaterial wird schlieĂlich ein anwendungsspezifischer absoluter Raumbezug hergestellt. Die Ergebnisse der durchgefĂŒhrten Verfahrensevaluation belegen anhand generierter semi-realer Sensordaten sowie definierter Testszenarien die Funktions- und LeistungsfĂ€higkeit des entwickelten Verfahrens. Sie beinhalten qualifizierende Aussagen und zeigen darĂŒber hinaus statistisch belastbare Genauigkeitsgrenzen auf.:Abbildungsverzeichnis...............................................X
Tabellenverzeichnis...............................................XII
AbkĂŒrzungsverzeichnis............................................XIII
Symbolverzeichnis................................................XVII
1 Einleitung........................................................1
1.1 Stand der Technik...............................................3
1.2 Entwickeltes Verfahren im Ăberblick.............................4
1.3 Wissenschaftlicher Beitrag......................................7
1.4 Gliederung der Arbeit...........................................8
2 Grundlagen zur Verfahrensumsetzung...............................10
2.1 Ăberblick zu funkbasierten Sensornetzen........................10
2.1.1 Aufbau und Netzwerk..........................................11
2.1.2 System- und Technologiemerkmale..............................12
2.1.3 Selbstorganisation...........................................13
2.1.4 RĂ€umliche Beziehungen........................................14
2.2 UmgebungsreprÀsentation........................................18
2.2.1 Koordinatenbeschreibung......................................19
2.2.2 Kartentypen..................................................20
2.3 Lokalisierung..................................................22
2.3.1 Positionierung...............................................23
2.3.2 Tracking.....................................................28
2.3.3 Koordinatentransformation....................................29
3 ZustandsschÀtzung dynamischer Systeme............................37
3.1 Probabilistischer Ansatz.......................................38
3.1.1 Satz von Bayes...............................................39
3.1.2 Markov-Kette.................................................40
3.1.3 Hidden Markov Model..........................................42
3.1.4 Dynamische Bayesâsche Netze..................................43
3.2 Bayes-Filter...................................................45
3.2.1 Extended Kalman-Filter.......................................48
3.2.2 Histogramm-Filter............................................51
3.2.3 Partikel-Filter..............................................52
3.3 Markov Lokalisierung...........................................58
4 Simultane Lokalisierung und Kartenerstellung.....................61
4.1 Ăberblick......................................................62
4.1.1 Objektbeschreibung...........................................63
4.1.2 Umgebungskarte...............................................65
4.1.3 SchlieĂen von Schleifen......................................70
4.2 Numerische Darstellung.........................................72
4.2.1 Formulierung als Bayes-Filter................................72
4.2.2 Diskretisierung des Zustandsraums............................74
4.2.3 Verwendung von Hypothesen....................................74
4.3 Initialisierung des Range-Only SLAM............................75
4.3.1 Verzögerte und unverzögerte Initialisierung..................75
4.3.2 InitialisierungsansÀtze......................................76
4.4 SLAM-Verfahren.................................................80
4.4.1 Extended Kalman-Filter-SLAM..................................81
4.4.2 Incremental Maximum Likelihood-SLAM..........................90
4.4.3 FastSLAM.....................................................99
5 Kooperative Kartenerstellung....................................107
5.1 Aufbereitung der Ankerkartierungsergebnisse...................108
5.2 Ankerkarten-Merging-Verfahren.................................110
5.2.1 Auflösen von Mehrdeutigkeiten...............................110
5.2.2 Erstellung einer gemeinsamen Ankerkarte.....................115
6 Herstellung eines absoluten Raumbezugs..........................117
6.1 Aufbereitung der Lokalisierungsergebnisse.....................117
6.1.1 Generierung von Geraden.....................................119
6.1.2 Generierung eines Graphen...................................122
6.2 Daten-Matching-Verfahren......................................123
6.2.1 Vektorbasierte Karteninformationen..........................125
6.2.2 Rasterbasierte Karteninformationen..........................129
7 Verfahrensevaluation............................................133
7.1 Methodischer Ansatz...........................................133
7.2 Datenbasis....................................................135
7.2.1 Sensordaten.................................................137
7.2.2 Digitales Kartenmaterial....................................143
7.3 Definition von Testszenarien..................................145
7.4 Bewertung.....................................................147
7.4.1 SLAM-Verfahren..............................................148
7.4.2 Ankerkarten-Merging-Verfahren...............................151
7.4.3 Daten-Matching-Verfahren....................................152
8 Zusammenfassung und Ausblick....................................163
8.1 Ergebnisse der Arbeit.........................................164
8.2 Ausblick......................................................165
Literaturverzeichnis..............................................166
A ErgÀnzungen zum entwickelten Verfahren..........................A-1
A.1 Generierung von Bewegungsinformationen........................A-1
A.2 Erweiterung des FastSLAM-Verfahrens...........................A-2
A.3 Ablauf des konzipierten Greedy-Algorithmus....................A-4
A.4 Lagewinkel der Kanten in einer Rastergrafik...................A-5
B ErgÀnzungen zur Verfahrensevaluation............................A-9
B.1 Geschwindigkeitsprofile der simulierten Objekttrajektorien....A-9
B.2 Gesamtes SLAM-Ergebnis eines Testszenarios....................A-9
B.3 Statistische ReprÀsentativitÀt...............................A-10
B.4 Gesamtes Ankerkarten-Merging-Ergebnis eines Testszenarios....A-11
B.5 Gesamtes Daten-Matching-Ergebnis eines Testszenarios.........A-18
B.6 Qualitative Ergebnisbewertung................................A-18
B.7 Divergenz des Gesamtverfahrens...............................A-18The aim of this work is the development of a method for the automated integration of Wireless Sensor Networks (WSN) into the respective application environment. The sensor networks realize there beside communication tasks above all the determination of location information. Therefore, the depot management in public transport is a typical application. Based on permanently available position coordinates of buses and trams as mobile objects in the traffic environment, a more efficient operational management is made possible.
The database in this work is formed on the one hand by geometric relationships in the sensor network, which for reasons of availability are only described by pairwise distances between the mobile objects and the anchors permanently installed in the environment. On the other hand, existing digital map material in the form of vector and raster maps, e.g. obtained by GIS services, is used. The arguments for automation are obvious. First, the effort of position calibration should not scale with the number of anchors installed, which can only be automated. This at once eliminates symptomatic sources of error resulting from manual system integration. Secondly, automation should ensure real-time operation (e.g. recalibration and remote maintenance), eliminating costly maintenance and service.
Initially, the developed method estimates relative position information for anchors and mobile objects from the sensor data by means of Range-Only Simultaneous Localization and Mapping (RO-SLAM). The method then merges this information within a cooperative map creation. From the relative, cooperative results and the available map material finally an application-specific absolute spatial outcome is generated. Based on semi-real sensor data and defined test scenarios, the results of the realized method evaluation demonstrate the functionality and performance of the developed method. They contain qualifying statements and also show statistically reliable limits of accuracy.:Abbildungsverzeichnis...............................................X
Tabellenverzeichnis...............................................XII
AbkĂŒrzungsverzeichnis............................................XIII
Symbolverzeichnis................................................XVII
1 Einleitung........................................................1
1.1 Stand der Technik...............................................3
1.2 Entwickeltes Verfahren im Ăberblick.............................4
1.3 Wissenschaftlicher Beitrag......................................7
1.4 Gliederung der Arbeit...........................................8
2 Grundlagen zur Verfahrensumsetzung...............................10
2.1 Ăberblick zu funkbasierten Sensornetzen........................10
2.1.1 Aufbau und Netzwerk..........................................11
2.1.2 System- und Technologiemerkmale..............................12
2.1.3 Selbstorganisation...........................................13
2.1.4 RĂ€umliche Beziehungen........................................14
2.2 UmgebungsreprÀsentation........................................18
2.2.1 Koordinatenbeschreibung......................................19
2.2.2 Kartentypen..................................................20
2.3 Lokalisierung..................................................22
2.3.1 Positionierung...............................................23
2.3.2 Tracking.....................................................28
2.3.3 Koordinatentransformation....................................29
3 ZustandsschÀtzung dynamischer Systeme............................37
3.1 Probabilistischer Ansatz.......................................38
3.1.1 Satz von Bayes...............................................39
3.1.2 Markov-Kette.................................................40
3.1.3 Hidden Markov Model..........................................42
3.1.4 Dynamische Bayesâsche Netze..................................43
3.2 Bayes-Filter...................................................45
3.2.1 Extended Kalman-Filter.......................................48
3.2.2 Histogramm-Filter............................................51
3.2.3 Partikel-Filter..............................................52
3.3 Markov Lokalisierung...........................................58
4 Simultane Lokalisierung und Kartenerstellung.....................61
4.1 Ăberblick......................................................62
4.1.1 Objektbeschreibung...........................................63
4.1.2 Umgebungskarte...............................................65
4.1.3 SchlieĂen von Schleifen......................................70
4.2 Numerische Darstellung.........................................72
4.2.1 Formulierung als Bayes-Filter................................72
4.2.2 Diskretisierung des Zustandsraums............................74
4.2.3 Verwendung von Hypothesen....................................74
4.3 Initialisierung des Range-Only SLAM............................75
4.3.1 Verzögerte und unverzögerte Initialisierung..................75
4.3.2 InitialisierungsansÀtze......................................76
4.4 SLAM-Verfahren.................................................80
4.4.1 Extended Kalman-Filter-SLAM..................................81
4.4.2 Incremental Maximum Likelihood-SLAM..........................90
4.4.3 FastSLAM.....................................................99
5 Kooperative Kartenerstellung....................................107
5.1 Aufbereitung der Ankerkartierungsergebnisse...................108
5.2 Ankerkarten-Merging-Verfahren.................................110
5.2.1 Auflösen von Mehrdeutigkeiten...............................110
5.2.2 Erstellung einer gemeinsamen Ankerkarte.....................115
6 Herstellung eines absoluten Raumbezugs..........................117
6.1 Aufbereitung der Lokalisierungsergebnisse.....................117
6.1.1 Generierung von Geraden.....................................119
6.1.2 Generierung eines Graphen...................................122
6.2 Daten-Matching-Verfahren......................................123
6.2.1 Vektorbasierte Karteninformationen..........................125
6.2.2 Rasterbasierte Karteninformationen..........................129
7 Verfahrensevaluation............................................133
7.1 Methodischer Ansatz...........................................133
7.2 Datenbasis....................................................135
7.2.1 Sensordaten.................................................137
7.2.2 Digitales Kartenmaterial....................................143
7.3 Definition von Testszenarien..................................145
7.4 Bewertung.....................................................147
7.4.1 SLAM-Verfahren..............................................148
7.4.2 Ankerkarten-Merging-Verfahren...............................151
7.4.3 Daten-Matching-Verfahren....................................152
8 Zusammenfassung und Ausblick....................................163
8.1 Ergebnisse der Arbeit.........................................164
8.2 Ausblick......................................................165
Literaturverzeichnis..............................................166
A ErgÀnzungen zum entwickelten Verfahren..........................A-1
A.1 Generierung von Bewegungsinformationen........................A-1
A.2 Erweiterung des FastSLAM-Verfahrens...........................A-2
A.3 Ablauf des konzipierten Greedy-Algorithmus....................A-4
A.4 Lagewinkel der Kanten in einer Rastergrafik...................A-5
B ErgÀnzungen zur Verfahrensevaluation............................A-9
B.1 Geschwindigkeitsprofile der simulierten Objekttrajektorien....A-9
B.2 Gesamtes SLAM-Ergebnis eines Testszenarios....................A-9
B.3 Statistische ReprÀsentativitÀt...............................A-10
B.4 Gesamtes Ankerkarten-Merging-Ergebnis eines Testszenarios....A-11
B.5 Gesamtes Daten-Matching-Ergebnis eines Testszenarios.........A-18
B.6 Qualitative Ergebnisbewertung................................A-18
B.7 Divergenz des Gesamtverfahrens...............................A-1
Vernetzt und ausgeglichen : Festschrift zur Verabschiedung von Prof. Dr.-Ing. habil. Dr.-Ing. E.h. GĂŒnter Schmitt
Im Rahmen der Festschrift zur Verabschiedung von Prof. Schmitt wurden von Mitarbeitern des GeodĂ€tischen Instituts sowie von ehemaligen Doktoranden insgesamt 24 BeitrĂ€ge zu aktuellen Arbeiten der Verfasser erstellt. Das Spektrum dieser Arbeiten liegt in den Bereichen GeodĂ€sie, GIS, GNSS, Netzausgleichung, Geodynamik sowie Wertermittlung. Innovative Arbeiten zu aktuellen Fragestellungen stehen in direktem Zusammenhang mit frĂŒheren wissenschaftlichen Arbeiten von Prof. Schmitt