Improving Accuracy in Ultra-Wideband Indoor Position Tracking through Noise Modeling and Augmentation

The goal of this research is to improve the precision in tracking of an ultra-wideband (UWB) based Local Positioning System (LPS). This work is motivated by the approach taken to improve the accuracies in the Global Positioning System (GPS), through noise modeling and augmentation. Since UWB indoor position tracking is accomplished using methods similar to that of the GPS, the same two general approaches can be used to improve accuracy. Trilateration calculations are affected by errors in distance measurements from the set of fixed points to the object of interest. When these errors are systemic, each distinct set of fixed points can be said to exhibit a unique set noise. For UWB indoor position tracking, the set of fixed points is a set of sensors measuring the distance to a tracked tag. In this work we develop a noise model for this sensor set noise, along with a particle filter that uses our set noise model. To the author\u27s knowledge, this noise has not been identified and modeled for an LPS. We test our methods on a commercially available UWB system in a real world setting. From the results we observe approximately 15% improvement in accuracy over raw UWB measurements. The UWB system is an example of an aided sensor since it requires a person to carry a device which continuously broadcasts its identity to determine its location. Therefore the location of each user is uniquely known even when there are multiple users present. However, it suffers from limited precision as compared to some unaided sensors such as a camera which typically are placed line of sight (LOS). An unaided system does not require active participation from people. Therefore it has more difficulty in uniquely identifying the location of each person when there are a large number of people present in the tracking area. Therefore we develop a generalized fusion framework to combine measurements from aided and unaided systems to improve the tracking precision of the aided system and solve data association issues in the unaided system. The framework uses a Kalman filter to fuse measurements from multiple sensors. We test our approach on two unaided sensor systems: Light Detection And Ranging (LADAR) and a camera system. Our study investigates the impact of increasing the number of people in an indoor environment on the accuracies using a proposed fusion framework. From the results we observed that depending on the type of unaided sensor system used for augmentation, the improvement in precision ranged from 6-25% for up to 3 people

Sparse Bayesian information filters for localization and mapping

Submitted in partial fulfillment of the requirements for the degree of Doctor of Philosophy at the Massachusetts Institute of Technology and the Woods Hole Oceanographic Institution February 2008This thesis formulates an estimation framework for Simultaneous Localization and Mapping (SLAM) that addresses the problem of scalability in large environments. We describe an estimation-theoretic algorithm that achieves significant gains in computational efficiency while maintaining consistent estimates for the vehicle pose and the map of the environment. We specifically address the feature-based SLAM problem in which the robot represents the environment as a collection of landmarks. The thesis takes a Bayesian approach whereby we maintain a joint posterior over the vehicle pose and feature states, conditioned upon measurement data. We model the distribution as Gaussian and parametrize the posterior in the canonical form, in terms of the information (inverse covariance) matrix. When sparse, this representation is amenable to computationally efficient Bayesian SLAM filtering. However, while a large majority of the elements within the normalized information matrix are very small in magnitude, it is fully populated nonetheless. Recent feature-based SLAM filters achieve the scalability benefits of a sparse parametrization by explicitly pruning these weak links in an effort to enforce sparsity. We analyze one such algorithm, the Sparse Extended Information Filter (SEIF), which has laid much of the groundwork concerning the computational benefits of the sparse canonical form. The thesis performs a detailed analysis of the process by which the SEIF approximates the sparsity of the information matrix and reveals key insights into the consequences of different sparsification strategies. We demonstrate that the SEIF yields a sparse approximation to the posterior that is inconsistent, suffering from exaggerated confidence estimates. This overconfidence has detrimental effects on important aspects of the SLAM process and affects the higher level goal of producing accurate maps for subsequent localization and path planning. This thesis proposes an alternative scalable filter that maintains sparsity while preserving the consistency of the distribution. We leverage insights into the natural structure of the feature-based canonical parametrization and derive a method that actively maintains an exactly sparse posterior. Our algorithm exploits the structure of the parametrization to achieve gains in efficiency, with a computational cost that scales linearly with the size of the map. Unlike similar techniques that sacrifice consistency for improved scalability, our algorithm performs inference over a posterior that is conservative relative to the nominal Gaussian distribution. Consequently, we preserve the consistency of the pose and map estimates and avoid the effects of an overconfident posterior. We demonstrate our filter alongside the SEIF and the standard EKF both in simulation as well as on two real-world datasets. While we maintain the computational advantages of an exactly sparse representation, the results show convincingly that our method yields conservative estimates for the robot pose and map that are nearly identical to those of the original Gaussian distribution as produced by the EKF, but at much less computational expense. The thesis concludes with an extension of our SLAM filter to a complex underwater environment. We describe a systems-level framework for localization and mapping relative to a ship hull with an Autonomous Underwater Vehicle (AUV) equipped with a forward-looking sonar. The approach utilizes our filter to fuse measurements of vehicle attitude and motion from onboard sensors with data from sonar images of the hull. We employ the system to perform three-dimensional, 6-DOF SLAM on a ship hull

Pattern-theoretic foundations of automatic target recognition in clutter

Issued as final reportAir Force Office of Scientific Research (U.S.

Performance Analysis of Bearings-only Tracking Problems for Maneuvering Target and Heterogeneous Sensor Applications

State estimation, i.e. determining the trajectory, of a maneuvering target from noisy measurements collected by a single or multiple passive sensors (e.g. passive sonar and radar) has wide civil and military applications, for example underwater surveillance, air defence, wireless communications, and self-protection of military vehicles. These passive sensors are listening to target emitted signals without emitting signals themselves which give them concealing properties. Tactical scenarios exists where the own position shall not be revealed, e.g. for tracking submarines with passive sonar or tracking an aerial target by means of electro-optic image sensors like infrared sensors. This estimation process is widely known as bearings-only tracking. On the one hand, a challenge is the high degree of nonlinearity in the estimation process caused by the nonlinear relation of angular measurements to the Cartesian state. On the other hand, passive sensors cannot provide direct target location measurements, so bearings-only tracking suffers from poor target trajectory estimation accuracy due to marginal observability from sensor measurements. In order to achieve observability, that means to be able to estimate the complete target state, multiple passive sensor measurements must be fused. The measurements can be recorded spatially distributed by multiple dislocated sensor platforms or temporally distributed by a single, moving sensor platform. Furthermore, an extended case of bearings-only tracking is given if heterogeneous measurements from targets emitting different types of signals, are involved. With this, observability can also be achieved on a single, not necessarily moving platform. In this work, a performance bound for complex motion models, i.e. piecewisely maneuvering targets with unknown maneuver change times, by means of bearings-only measurements from a single, moving sensor platform is derived and an efficient estimator is implemented and analyzed. Furthermore, an observability analysis is carried out for targets emitting acoustic and electromagnetic signals. Here, the different signal propagation velocities can be exploited to ensure observability on a single, not necessarily moving platform. Based on the theoretical performance and observability analyses a distributed fusion system has been realized by means of heterogeneous sensors, which shall detect an event and localize a threat. This is performed by a microphone array to detect sound waves emitted by the threat as well as a radar detector that detects electromagnetic emissions from the threat. Since multiple platforms are involved to provide increased observability and also redundancy against possible breakdowns, a WiFi mobile ad hoc network is used for communications. In order to keep up the network in a breakdown OLSR (optimized link state routing) routing approach is employed

Distributed Estimation Using Partial Knowledge about Correlated Estimation Errors

Sensornetzwerke werden in vielen verschiedenen Anwendungen, z. B. zur Überwachung des Flugraumes oder zur Lokalisierung in Innenräumen eingesetzt. Dabei werden Sensoren häufig räumlich verteilt, um eine möglichst gute Abdeckung des zu beobachtenden Prozesses zu ermöglichen. Sowohl der Prozess als auch die Sensormessungen unterliegen stochastischem Rauschen. Daher wird oftmals eine Zustandsschätzung, z. B. durch ein Kalmanfilter durchgeführt, welcher die Unsicherheiten aus dem Prozess- und Messmodel systematisch berücksichtigt. Die Kooperation der individuellen Sensorknoten erlaubt eine verbesserte Schätzung des Systemzustandes des beobachteten Prozesses. Durch die lokale Verarbeitung der Sensordaten direkt in den Sensorknoten können Sensornetzwerke flexibel und modular entworfen werden und skalieren auch bei steigender Anzahl der Einzelkomponenten gut. Zusätzlich werden Sensornetzwerke dadurch robuster, da die Funktionsfähigkeit des Systems nicht von einem einzigen zentralen Knoten abhängt, der alle Sensordaten sammelt und verarbeitet. Ein Nachteil der verteilten Schätzung ist jedoch die Entstehung von korrelierten Schätzfehlern durch die lokale Verarbeitung in den Filtern. Diese Korrelationen müssen systematisch berücksichtigt werden, um genau und zuverlässig den Systemzustand zu schätzen. Dabei muss oftmals ein Kompromiss zwischen Schätzgenauigkeit und den begrenzt verfügbaren Ressourcen wie Bandbreite, Speicher und Energie gefunden werden. Eine zusätzliche Herausforderung sind unterschiedliche Netzwerktopologien sowie die Heterogenität lokaler Informationen und Filter, welche das Nachvollziehen der individuellen Verarbeitungsschritte innerhalb der Sensorknoten und der korrelierten Schätzfehler erschweren. Diese Dissertation beschäftigt sich mit der Fusion von Zustandsschätzungen verteilter Sensorknoten. Speziell wird betrachtet, wie korrelierte Schätzfehler entweder vollständig oder teilweise gelernt werden können, um eine präzisere und weniger unsichere fusionierte Zustandsschätzung zu erhalten. Um Wissen über korrelierte Schätzfehler zu erhalten, werden in dieser Arbeit sowohl analytische als auch simulations-basierte Ansätze verfolgt. Eine analytische Berechnung der Korrelationen zwischen Zustandsschätzungen ist möglich, wenn alle Verarbeitungsschritte und Parameter der lokalen Filter bekannt sind. Dadurch kann z. B. ein zentraler Fusionsknoten die die Korrelation zwischen den Schätzfehlern rekonstruieren. Dieses zentralisierte Vorgehen ist jedoch oft sehr aufwendig und benötigt entweder eine hohe Kommunikationsrate oder Vorwissen über die lokale Verarbeitungsschritte und Filterparameter. Daher wurden in den letzten Jahren zunehmend dezentrale Methoden zur Rekonstruktion von Korrelationen zwischen Zustandsschätzungen erforscht. In dieser Arbeit werden Methoden zur dezentralen Nachverfolgung und Rekonstruktion von korrelierten Schätzfehlern diskutiert und weiterentwickelt. Dabei basiert der erste Ansatz auf der Verwendung deterministischer Samples und der zweite auf der Wurzelzerlegung korrelierter Rauschkovarianzen. Um die Verwendbarkeit dieser Methoden zu steigern, werden mehrere wichtige Erweiterungen erarbeitet. Zum Einen schätzen verteilte Sensorknoten häufig den Zustand desselben Systems. Jedoch unterscheiden sie sich in ihrer lokalen Berechnung, indem sie unterschiedliche Zustandsraummodelle nutzen. Ein Beitrag dieser Arbeit ist daher die Verallgemeinerung dezentraler Methoden zur Nachverfolgung in unterschiedlichen (heterogenen) Zustandsräumen gleicher oder geringerer Dimension, die durch lineare Transformationen entstehen. Des Weiteren ist die Rekonstruktion begrenzt auf Systeme mit einem einzigen zentralen Fusionsknoten. Allerdings stellt die Abhängigkeit des Sensornetzwerkes von einem solchen zentralen Knoten einen Schwachpunkt dar, der im Fehlerfall zum vollständigen Ausfall des Netzes führen kann. Zudem verfügen viele Sensornetzwerke über komplexe und variierende Netzwerktopologien ohne zentralen Fusionsknoten. Daher ist eine weitere wichtige Errungenschaft dieser Dissertation die Erweiterung der Methodik auf die Rekonstruktion korrelierter Schätzfehler unabhängig von der genutzten Netzwerkstruktur. Ein Nachteil der erarbeiteten Algorithmen sind die wachsenden Anforderungen an Speicherung, Verarbeitung und Kommunikation der zusätzlichen Informationen, welche für die vollständige Rekonstruktion notwendig sind. Um diesen Mehraufwand zu begrenzen, wird ein Ansatz zur teilweisen Rekonstruktion korrelierter Schätzfehler erarbeitet. Das resultierende partielle Wissen über korrelierte Schätzfehler benötigt eine konservative Abschätzung der Unsicherheit, um genaue und zuverlässige Zustandsschätzungen zu erhalten. Es gibt jedoch Fälle, in denen keine Rekonstruktion der Korrelationen möglich ist oder es eine Menge an möglichen Korrelationen gibt. Dies ist zum Einen der Fall, wenn mehrere Systemmodelle möglich sind. Dies führt dann zu einer Menge möglicher korrelierter Schätzfehler, beispielsweise wenn die Anzahl der lokalen Verarbeitungsschritte bis zur Fusion ungewiss ist. Auf der anderen Seite ist eine Rekonstruktion auch nicht möglich, wenn die Systemparameter nicht bekannt sind oder die Rekonstruktion aufgrund von begrenzter Rechenleistung nicht ausgeführt werden kann. In diesem Fall kann ein Simulationsansatz verwendet werden, um die Korrelationen zu schätzen. In dieser Arbeit werden Ansätze zur Schätzung von Korrelationen zwischen Schätzfehlern basierend auf der Simulation des gesamten Systems erarbeitet. Des Weiteren werden Ansätze zur vollständigen und teilweisen Rekonstruktion einer Menge korrelierter Schätzfehler für mehrere mögliche Systemkonfigurationen entwickelt. Diese Mengen an Korrelationen benötigen entsprechende Berücksichtigung bei der Fusion der Zustandsschätzungen. Daher werden mehrere Ansätze zur konservativen Fusion analysiert und angewendet. Zuletzt wird ein Verfahren basierend auf Gaußmischdichten weiterentwickelt, dass die direkte Verwendung von Mengen an Korrelationen ermöglicht. Die in dieser Dissertation erforschten Methoden bieten sowohl Nutzern als auch Herstellern von verteilten Schätzsystemen einen Baukasten an möglichen Lösungen zur systematischen Behandlung von korrelierten Schätzfehlern. Abhängig von der Art und den Umfang des Wissens über Korrelationen, der Kommunikationsbandbreite sowie der gewünschten Qualität der fusionierten Schätzung kann eine Methode passgenau aus den beschriebenen Methoden zusammengesetzt und angewendet werden. Die somit geschlossene Lücke in der Literatur eröffnet neue Möglichkeiten für verteilte Sensorsysteme in verschiedenen Anwendungsgebieten