Underwater simulation and mapping using imaging sonar through ray theory and Hilbert maps

Mapping, sometimes as part of a SLAM system, is an active topic of research and has remarkable solutions using laser scanners, but most of the underwater mapping is focused on 2D maps, treating the environment as a floor plant, or on 2.5D maps of the seafloor. The reason for the problematic of underwater mapping originates in its sensor, i.e. sonars. In contrast to lasers (LIDARs), sonars are unprecise high-noise sensors. Besides its noise, imaging sonars have a wide sound beam effectuating a volumetric measurement. The first part of this dissertation develops an underwater simulator for highfrequency single-beam imaging sonars capable of replicating multipath, directional gain and typical noise effects on arbitrary environments. The simulation relies on a ray theory based method and explanations of how this theory follows from first principles under short-wavelegnth assumption are provided. In the second part of this dissertation, the simulator is combined to a continous map algorithm based on Hilbert Maps. Hilbert maps arise as a machine learning technique over Hilbert spaces, using features maps, applied to the mapping context. The embedding of a sonar response in such a map is a contribution. A qualitative comparison between the simulator ground truth and the reconstucted map reveal Hilbert maps as a promising technique to noisy sensor mapping and, also, indicates some hard to distinguish characteristics of the surroundings, e.g. corners and non smooth features.O mapeamento, às vezes como parte de um sistema SLAM, é um tema de pesquisa ativo e tem soluções notáveis usando scanners a laser, mas a maioria do mapeamento subaquático é focada em mapas 2D, que tratam o ambiente como uma planta, ou mapas 2.5D do fundo do mar. A razão para a dificuldade do mapeamento subaquático origina-se no seu sensor, i.e. sonares. Em contraste com lasers (LIDARs), os sonares são sensores imprecisos e com alto nível de ruído. Além do seu ruído, os sonares do tipo imaging têm um feixe sonoro muito amplo e, com isso, efetuam uma medição volumétrica, ou seja, sobre todo um volume. Na primeira parte dessa dissertação se desenvolve um simulador para sonares do tipo imaging de feixo único de alta frequência capaz de replicar os efeitos típicos de multicaminho, ganho direcional e ruído de fundo em ambientes arbitrários. O simulador implementa um método baseado na teoria geométrica de raios, com todo seu desenvolvimento partindo da acústica subaquática. Na segunda parte dessa dissertação, o simulador é incorporado em um algoritmo de reconstrução de mapas contínuos baseado em Hilbert Maps. Hilbert Maps surge como uma técnica de aprendizado de máquina sobre espaços de Hilbert, usando mapas de características, aplicadas ao contexto de mapeamento. A incorporação de uma resposta de sonar em um tal mapa é uma contribuição desse trabalho. Uma comparação qualitativa entre o ambiente de referência fornecido ao simulador e o mapa reconstruído pela técnica proposta, revela Hilbert Maps como uma técnica promissora para mapeamento atráves de sensores ruidosos e, também, aponta para algumas características do ambiente difíceis de se distinguir, e.g. cantos e regiões não suaves

Localização indoor via KDE em assinaturas de RSSI

O projeto consiste em um sistema de localização indoor desenvolvido para rodar em smartphones, ele faz parte de um projeto maior de localização e rastreio robusto à variações do ambiente. Entretanto este projeto se restringe ao caso de localização do aparelho em estado imóvel, desconsiderando também variações do ambiente. O algoritmo se baseia no mapeamento das assinaturas RSSI, i.e. indicadores da potência do sinal, assim como suas variações, construindo,então,uma malha de pontos e associando à cada ponto uma distribuição de probabilidade. Esta distribuição deve ser estimada pelo método de KDE –Kernel Density Estimation. O algoritmo, então, cruza os dados de RSSI medidos em tempo real com as informações contidas nas distribuições de probabilidade, através de uma inferência Bayesiana, para determinar o local mais provável de origem dos vales de RSSI aferidos. O algoritmo foi capaz de obter uma acurácia de mais de 90