TOA sensor network self-calibration for receiver and transmitter spaces with difference in dimension

We study and solve the previously unstudied problem of finding both transmitter and receiver positions using only time of arrival (TOA) measurements when there is a difference in dimensionality between the affine subspaces spanned by receivers and transmitters. Anchor-free TOA network calibration has uses both in radio, radio strength and sound applications, such as calibrating ad hoc microphone arrays. Using linear techniques and requiring only minimal number of receivers and transmitters, an algorithm is constructed for general dimension p for the lower dimensional subspace. Degenerate cases are determined and partially characterized as when receivers or transmitters inhabit a lower dimensional affine subspace than was given as input. The algorithm is further extended to overdetermined cases in a straightforward manner. Utilizing the minimal solver, an algorithm using the Random Sample Consensus (RANSAC) paradigm has been constructed to simultaneously solve the calibration problem and remove severe outliers, a common problem in TOA applications. Simulated experiments show good performance for the minimal solver and the RANSAC-like algorithm under noisy measurements. Two indoor environment experiments using microphones and speakers give a RMSE of 2.35 cm and 3.95 cm on receiver and transmitter positions compared to computer vision reconstructions

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

Desarrollo y verificación de procedimientos de modelado cinemático y técnicas de calibración de laser trackers basadas en medición de red de reflectores

Los métodos de calibración existentes se basan en un modelo de errores geométricos y precisan del uso de patrones metrológicos de alto rango, así como de la realización de un gran número de mediciones, todo ello en un entorno en condiciones controladas. Esto supone una gran inversión en medios, tiempo y personal cualificado. La presente tesis tiene por objetivo el desarrollo y validación de un procedimiento de calibración de Laser Trackers rápido, sencillo y preciso basado en el modelo cinemático y al alcance de cualquier usuario sin conocimientos metrológicos avanzados.Para ello se realiza un modelado cinemático del laser tracker (LT) siguiendo el modelo de Denavit-Hartenberg. Este modelo se completa con matrices de error asociadas a cada sistema de referencia del modelo cinemático que, siguiendo la formulación de Slocum en su libro sobre diseño de máquinas de precisión, consigue corregir el modelo cinemático introduciendo un conjunto de parámetros de error. En la formulación tradicional, estos parámetros de error tienen valores constantes para cada articulación de la cadena cinemática, pero en esta tesis se ha realizado una formulación variable en función de la posición de cada articulación, lo cual contribuye a mejorar en gran manera el comportamiento del procedimiento de calibración.El modelo de calibración planteado se ha verificado primeramente por medio de datos sintéticos con los cuales se han simulado las mediciones de diversas mallas de reflectores realizadas por un LT afectado por un vector de parámetros conocidos. Posteriormente se ha utilizado el modelo de calibración para la identificación de los parámetros de error y la corrección de las mediciones.Una vez verificado el modelo con datos sintéticos, se ha procedido a verificarlo con datos reales. Para ello se ha colocado una malla de reflectores en la mesa de una máquina de medición por coordenadas (MMC). La malla de reflectores se ha medido con la MMC y con un LT desde 5 posiciones distintas. La aplicación del modelo de calibración muestra la mejora obtenida en la precisión de medición del LT. Estas mediciones se han utilizado también para definir y comparar distintas estrategias de calibración en ausencia de los valores nominales de medidas proporcionadas por la MMC. Igualmente se han utilizado para comparar los resultados obtenidos por la calibración cinemática con los de la calibración convencional basada en errores geométricos. Se comprueba que la calibración cinemática es más fácilmente extrapolable a todo el ámbito de medición del LT que la calibración geométrica. El criterio de calibración empleado se basa en el hecho de que la distancia entre cada pareja de reflectores debe ser la misma independientemente de la posición del LT desde la que hayan sido medidas.Con el modelo verificado, se ha planteado un ensayo de calibración en condiciones reales. En base a un ensayo de sensibilidad, en el que se ha estudiado la influencia de cada parámetro de error en el error global de medición del LT se han determinado las posiciones óptimas de los reflectores a utilizar en el ensayo de calibración. Esta información, junto con la obtenida del estudio de las estrategias de calibración ha permitido establecer las condiciones idóneas para el ensayo de calibración. Se han colocado 27 reflectores en las posiciones preestablecidas, midiéndose desde 5 posiciones del LT. El resultado de la calibración se ha evaluado con dos criterios distintos. Primero con el novedoso criterio introducido en la tesis de consistencia de distancias entre reflectores y el método tradicional de error de posicionamiento de reflectores, el cual supone la necesidad de transformar todas las medidas a un mismo sistema de referencia para poder compararlas.Dado que no se dispone de valores nominales con los que verificar los resultados de la calibración, se han aplicado los parámetros de calibración a las mediciones realizadas en la MMC, verificándose un incremento en la precisión de medición del LT similar a la esperada.Los reflectores han sido medidos desde posiciones distintas del LT, esto hace que el ángulo de incidencia del haz del láser en el reflector no sea siempre el óptimo. Por ello se ha estudiado la influencia, en el error de medición del LT, del ángulo de incidencia del haz del láser en el reflector.La conclusión de la tesis es que se ha obtenido el método de calibración que se esperaba, el cual con una reducida cantidad de mediciones en condiciones ambientales, permite mejorar la precisión del LT. El método consigue mejoras por encima de la calibración del fabricante del LT y además está al alcance de cualquier usuario sin conocimientos metrológicos avanzados.<br /