Sviluppo di algoritmi di localizzazione per reti di sensori ad ultrasuoni

Studio di un nuovo algoritmo di localizzazione per rete di sensori ad ultrasuoni e sviluppo di un simulatore di propagazione di onda sonora.

Underwater mapping using sonar

[ES]El proyecto contiene módulos de simulación, procesado de datos, mapeo y localización, desarrollados en C++ utilizando ROS (Robot Operating System) y PCL (Point Cloud Library). Ha sido desarrollado bajo el proyecto de robótica submarina AVORA.Se han caracterizado el vehículo y el sensor, y se han analizado diferentes tecnologías de sensores y mapeo. Los datos pasan por tres etapas: Conversión a nube de puntos, filtrado por umbral, eliminación de puntos espureos y, opcionalmente, detección de formas. Estos datos son utilizados para construir un mapa de superficie multinivel. La otra herramienta desarrollada es un algoritmo de Punto más Cercano Iterativo (ICP) modificado, que tiene en cuenta el modo de funcionamiento del sonar de imagen utilizado.

Riconoscimento e localizzazione di carrelli per la spesa da immagini.

Il lavoro di tesi è stato svolto presso Datalogic ADC, azienda attiva nel campo dell'automazione industriale. La divisione presso cui mi sono recato per 6 mesi ha sede a Pasadena (California, USA) e si occupa principalmente di sistemi di visione e riconoscimento oggetti, con particolare applicazione al settore della grande distribuzione. L'azienda ha in catalogo diversi prodotti finalizzati ad automatizzare e velocizzare il processo di pagamento alle casse da parte dei clienti. In questo contesto, al mio arrivo, era necessario sviluppare un software che permettesse di riconoscere i comuni carrelli per la spesa quando sono inquadrati dall'alto, con posizione verticale della camera. Mi sono quindi occupato di sviluppare ed implementare un algoritmo che permetta di riconoscere i carrelli della spesa sotto ben precise ipotesi e dati iniziali. Come sarà spiegato più dettagliatamente in seguito, è necessario sia individuare la posizione del carrello sia il suo orientamento, al fine di ottenere in quale direzione si stia muovendo. Inoltre, per i diversi impieghi che si sono pensati per il software in oggetto, è necessario che l'algoritmo funzioni sia con carrelli vuoti, sia con carrelli pieni, anche parzialmente. In aggiunta a ciò il programma deve essere in grado di gestire immagini in cui siano presenti più di un carrello, identificando correttamente ciascuno di essi. Nel Capitolo 1 è data una più specifica introduzione al problema e all'approccio utilizzato per risolverlo. Il Capitolo 2 illustra nel dettaglio l'algoritmo utilizzato. Il Capitolo 3 mostra i risultati sperimentali ottenuti e il procedimento seguito per l'analisi degli stessi. Infine il Capitolo 4 espone alcuni accorgimenti che sono stati apportati all'algoritmo iniziale per cercare di velocizzarlo in vista di un possibile impiego, distinguendo i cambiamenti che introducono un leggero degrado delle prestazioni da quelli che non lo implicano. Il Capitolo 5 conclude sinteticamente questa trattazione ricordando i risultati ottenuti.

Tecniche automatiche di mapping e localizzazione in ambienti indoor

Il mapping di grandezze fisiche risulta estremamente importante, essendo in grado di fornire un adeguato supporto per la localizzazione e il monitoraggio di parametri ambientali sensibili. Nel caso indoor, in assenza di un sistema di localizzazione di riferimento analogo al GPS per il caso outdoor, sfruttando appieno le potenzialità della sensoristica a bordo degli smartphone, si è fatto progressivamente strada il mapping di grandezze fisiche quali, ad esempio, il segnale Wi-Fi e il campo magnetico terrestre. In questo caso il mapping, senza richiedere alcuna infrastruttura e coadiuvato dall'utilizzo di dispositivi portatili largamente diffusi ad uso quotidiano, rappresenta una soluzione relativamente recente ridefinibile come Mobile Crowd Sensing. Il MCS rappresenta un nuovo paradigma di servizio, volto a sfruttare l'interconnettività tra dispositivi portatili per effettuare misurazioni di caratteristiche ambientali in maniera automatizzata, aggregandole in un sistema cloud usufruibile ad una vasta comunità. Tuttavia , il considerevole flusso di dati generato, la variabilità temporale delle grandezze di interesse e il rumore insito nelle misurazioni costituiscono problematiche fondamentali per l'utilizzo e la gestione delle misurazioni effettuate. Per tali motivi l'attività di tesi ha previsto i seguenti obiettivi: (i) fornire una panoramica delle principali tecniche e tecnologie di localizzazione volta a motivare l'importanza del mapping di grandezze fisiche ambientali; (ii) individuazione di grandezze fisiche appetibili per la creazione di mappe affidabili e realizzabili nei contesti applicativi più disparati, sfruttando risorse già presenti nell'ambiente; (iii) sviluppo di un algoritmo statistico in grado di fornire una stima accurata dell'andamento spaziale della grandezza di interesse attraverso un numero limitato di misurazioni, mantenendo la compatibilità con processi MCS e una bassa complessità computazionale. L’algoritmo sviluppato è stato validato attraverso simulazioni e misurazioni svolte in ambienti reali. In particolare, prove sperimentali sono state effettuate nell’arena Vicon nei laboratori DEI dell’Università di Bologna, sede Cesena, concepita dal gruppo di ricerca Casy.

Implementazione di algoritmi di localizzazione di sorgenti audio

Questo progetto è stato ideato con lo scopo di implementare e simulare un algoritmo di stima della posizione di una sorgente sonora. E' stato scelto di utilizzare MATLAB come strumento di sviluppo. Tutti i dispositivi hardware utilizzati sono compatibili, interfacciabili tra loro ed ampiamente descritti all'interno di questo elaborato.

Localizzazione e tracking tramite filtri statistici in sistemi multi antenna

Uno dei temi più recenti nel campo delle telecomunicazioni è l'IoT. Tale termine viene utilizzato per rappresentare uno scenario nel quale non solo le persone, con i propri dispositivi personali, ma anche gli oggetti che le circondano saranno connessi alla rete con lo scopo di scambiarsi informazioni di diversa natura. Il numero sempre più crescente di dispositivi connessi in rete, porterà ad una richiesta maggiore in termini di capacità di canale e velocità di trasmissione. La risposta tecnologica a tali esigenze sarà data dall’avvento del 5G, le cui tecnologie chiave saranno: massive MIMO, small cells e l'utilizzo di onde millimetriche. Nel corso del tempo la crescita delle vendite di smartphone e di dispositivi mobili in grado di sfruttare la localizzazione per ottenere servizi, ha fatto sì che la ricerca in questo campo aumentasse esponenzialmente. L'informazione sulla posizione viene utilizzata infatti in differenti ambiti, si passa dalla tradizionale navigazione verso la meta desiderata al geomarketing, dai servizi legati alle chiamate di emergenza a quelli di logistica indoor per industrie. Data quindi l'importanza del processo di positioning, l'obiettivo di questa tesi è quello di ottenere la stima sulla posizione e sulla traiettoria percorsa da un utente che si muove in un ambiente indoor, sfruttando l'infrastruttura dedicata alla comunicazione che verrà a crearsi con l'avvento del 5G, permettendo quindi un abbattimento dei costi. Per fare ciò è stato implementato un algoritmo basato sui filtri EKF, nel quale il sistema analizzato presenta in ricezione un array di antenne, mentre in trasmissione è stato effettuato un confronto tra due casi: singola antenna ed array. Lo studio di entrambe le situazioni permette di evidenziare, quindi, i vantaggi ottenuti dall’utilizzo di sistemi multi antenna. Inoltre sono stati analizzati altri elementi chiave che determinano la precisione, quali geometria del sistema, posizionamento del ricevitore e frequenza operativa.

Entre la epistemología y la lógica. Decisión y algoritmo de ordenación

[ES] Este trabajo en homenaje al Profesor Emilio Soldevilla trata de plantear algunos elementos de la matemática combinatoria, escogidos sin otro criterio que el de ser fácilmente visualizados para poner en evidencia el aspecto altamente significativo que poseen para la construcción de una epistemología de la economía y gestión de empresas. Y todo ello en torno a uno de los conceptos más destacados de este ámbito del conocimiento cual es el de decisión.

Whales and Sonar: Environmental Exemptions for the Navy’s Mid-Frequency Active Sonar Training

Mid-frequency active (MFA) sonar emits pulses of sound from an underwater transmitter to help determine the size, distance, and speed of objects. The sound waves bounce off objects and reflect back to underwater acoustic receivers as an echo. MFA sonar has been used since World War II, and the Navy indicates it is the only reliable way to track submarines, especially more recently designed submarines that operate more quietly, making them more difficult to detect. Scientists have asserted that sonar may harm certain marine mammals under certain conditions, especially beaked whales. Depending on the exposure, they believe that sonar may damage the ears of the mammals, causing hemorrhaging and/or disorientation. The Navy agrees that the sonar may harm some marine mammals, but says it has taken protective measures so that animals are not harmed. MFA training must comply with a variety of environmental laws, unless an exemption is granted by the appropriate authority. Marine mammals are protected under the Marine Mammal Protection Act (MMPA) and some under the Endangered Species Act (ESA). The training program must also comply with the National Environmental Policy Act (NEPA), and in some cases the Coastal Zone Management Act (CZMA). Each of these laws provides some exemption for certain federal actions. The Navy has invoked all of the exemptions to continue its sonar training exercises. Litigation challenging the MFA training off the coast of Southern California ended with a November 2008 U.S. Supreme Court decision. The Supreme Court said that the lower court had improperly favored the possibility of injuring marine animals over the importance of military readiness. The Supreme Court’s ruling allowed the training to continue without the limitations imposed on it by other courts. (pdf contains 20pp.)

Survey report of NOAA Ship McArthur II cruises AR-04-04, AR-05-05 and AR-06-03: Habitat classification of side scan sonar imagery in support of deep-sea coral/sponge explorations at the Olympic Coast National Marine Sanctuary

Habitat mapping and characterization has been defined as a high-priority management issue for the Olympic Coast National Marine Sanctuary (OCNMS), especially for poorly known deep-sea habitats that may be sensitive to anthropogenic disturbance. As a result, a team of scientists from OCNMS, National Centers for Coastal Ocean Science (NCCOS), and other partnering institutions initiated a series of surveys to assess the distribution of deep-sea coral/sponge assemblages within the sanctuary and to look for evidence of potential anthropogenic impacts in these critical habitats. Initial results indicated that remotely delineating areas of hard bottom substrate through acoustic sensing could be a useful tool to increase the efficiency and success of subsequent ROV-based surveys of the associated deep-sea fauna. Accordingly, side scan sonar surveys were conducted in May 2004, June 2005, and April 2006 aboard the NOAA Ship McArthur II to: (1) obtain additional imagery of the seafloor for broader habitat-mapping coverage of sanctuary waters, and (2) help delineate suitable deep-sea coral/sponge habitat, in areas of both high and low commercial-fishing activities, to serve as sites for surveying-in more detail using an ROV on subsequent cruises. Several regions of the sea floor throughout the OCNMS were surveyed and mosaicked at 1-meter pixel resolution. Imagery from the side scan sonar mapping efforts was integrated with other complementary data from a towed camera sled, ROVs, sedimentary samples, and bathymetry records to describe geological and biological (where possible) aspects of habitat. Using a hierarchical deep-water marine benthic classification scheme (Greene et al. 1999), we created a preliminary map of various habitat polygon features for use in a geographical information system (GIS). This report provides a description of the mapping and groundtruthing efforts as well as results of the image classification procedure for each of the areas surveyed. (PDF contains 60 pages.)

Olympic Coast National Marine Sanctuary Habitat Mapping: Survey report and classification of side scan sonar data from surveys HMPR-114-2004-02 and HMPR-116-2005-01.

The Olympic Coast National Marine Sanctuary (OCNMS) continues to invest significant resources into seafloor mapping activities along Washington’s outer coast (Intelmann and Cochrane 2006; Intelmann et al. 2006; Intelmann 2006). Results from these annual mapping efforts offer a snapshot of current ground conditions, help to guide research and management activities, and provide a baseline for assessing the impacts of various threats to important habitat. During the months of August 2004 and May and July 2005, we used side scan sonar to image several regions of the sea floor in the northern OCNMS, and the data were mosaicked at 1-meter pixel resolution. Video from a towed camera sled, bathymetry data, sedimentary samples and side scan sonar mapping were integrated to describe geological and biological aspects of habitat. Polygon features were created and attributed with a hierarchical deep-water marine benthic classification scheme (Greene et al. 1999). For three small areas that were mapped with both side scan sonar and multibeam echosounder, we made a comparison of output from the classified images indicating little difference in results between the two methods. With these considerations, backscatter derived from multibeam bathymetry is currently a costefficient and safe method for seabed imaging in the shallow (<30 meters) rocky waters of OCNMS. The image quality is sufficient for classification purposes, the associated depths provide further descriptive value and risks to gear are minimized. In shallow waters (<30 meters) which do not have a high incidence of dangerous rock pinnacles, a towed multi-beam side scan sonar could provide a better option for obtaining seafloor imagery due to the high rate of acquisition speed and high image quality, however the high probability of losing or damaging such a costly system when deployed as a towed configuration in the extremely rugose nearshore zones within OCNMS is a financially risky proposition. The development of newer technologies such as intereferometric multibeam systems and bathymetric side scan systems could also provide great potential for mapping these nearshore rocky areas as they allow for high speed data acquisition, produce precisely geo-referenced side scan imagery to bathymetry, and do not experience the angular depth dependency associated with multibeam echosounders allowing larger range scales to be used in shallower water. As such, further investigation of these systems is needed to assess their efficiency and utility in these environments compared to traditional side scan sonar and multibeam bathymetry. (PDF contains 43 pages.)

Benthic habitat mapping in the Olympic Coast National Marine Sanctuary: Classification of side scan sonar data from survey HMPR-108-2002-01: Version I

In September 2002, side scan sonar was used to image a portion of the sea floor in the northern OCNMS and was mosaiced at 1-meter pixel resolution using 100 kHz data collected at 300-meter range scale. Video from a remotely-operated vehicle (ROV), bathymetry data, sedimentary samples, and sonar mapping have been integrated to describe geological and biological aspects of habitat and polygon features have been created and attributed with a hierarchical deep-water marine benthic classification scheme (Greene et al. 1999). The data can be used with geographic information system (GIS) software for display, query, and analysis. Textural analysis of the sonar images provided a relatively automated method for delineating substrate into three broad classes representing soft, mixed sediment, and hard bottom. Microhabitat and presence of certain biologic attributes were also populated into the polygon features, but strictly limited to areas where video groundtruthing occurred. Further groundtruthing work in specific areas would improve confidence in the classified habitat map. (PDF contains 22 pages.)

Detección automática de presencia/ausencia de atún en imágenes obtenidas mediante sonar de largo alcance a bordo de buques pesqueros y aplicación de Optical Character Recognition (OCR) para la extracción de parámetros

En esta tesis de máster se presenta una metodología para el análisis automatizado de las señales del sonar de largo alcance y una aplicación basada en la técnica de reconocimiento óptico de Optical Character Recognition, caracteres (OCR). La primera contribución consiste en el análisis de imágenes de sonar mediante técnicas de procesamiento de imágenes. En este proceso, para cada imagen de sonar se extraen y se analizan las regiones medibles, obteniendo para cada región un conjunto de características. Con la ayuda de los expertos, cada región es identi cada en una clase (atún o no-atún). De este modo, mediante el aprendizaje supervisado se genera la base de datos y, a su vez, se obtiene un modelo de clasi cación. La segunda contribución es una aplicación OCR que reconoce y extrae de las capturas de pantalla de imágenes de sonar, los caracteres alfanuméricos correspondientes a los parámetros de situación (velocidad, rumbo, localización GPS) y la confi guración de sonar (ganancias, inclinación, ancho del haz). El objetivo de este proceso es el de maximizar la e ficiencia en la detección de atún en el Golfo de Vizcaya y dar el primer paso hacia el desarrollo de un índice de abundancia de esta especie, el cual esté basado en el procesamiento automático de las imágenes de sonar grabadas a bordo de la ota pesquera durante su actividad pesquera rutinaria.

Detecting fish aggregations from reef habitats mapped with high resolution side scan sonar imagery

As part of a multibeam and side scan sonar (SSS) benthic survey of the Marine Conservation District (MCD) south of St. Thomas, USVI and the seasonal closed areas in St. Croix—Lang Bank (LB) for red hind (Epinephelus guttatus) and the Mutton Snapper (MS) (Lutjanus analis) area—we extracted signals from water column targets that represent individual and aggregated fish over various benthic habitats encountered in the SSS imagery. The survey covered a total of 18 km2 throughout the federal jurisdiction fishery management areas. The complementary set of 28 habitat classification digital maps covered a total of 5,462.3 ha; MCDW (West) accounted for 45% of that area, and MCDE (East) 26%, LB 17%, and MS the remaining 13%. With the exception of MS, corals and gorgonians on consolidated habitats were significantly more abundant than submerged aquatic vegetation (SAV) on unconsolidated sediments or unconsolidated sediments. Continuous coral habitat was the most abundant consolidated habitat for both MCDW and MCDE (41% and 43% respectively). Consolidated habitats in LB and MS predominantly consisted of gorgonian plain habitat with 95% and 83% respectively. Coral limestone habitat was more abundant than coral patch habitat; it was found near the shelf break in MS, MCDW, and MCDE. Coral limestone and coral patch habitats only covered LB minimally. The high spatial resolution (0.15 m) of the acquired imagery allowed the detection of differing fish aggregation (FA) types. The largest FA densities were located at MCDW and MCDE over coral communities that occupy up to 70% of the bottom cover. Counts of unidentified swimming objects (USOs), likely representing individual fish, were similar among locations and occurred primarily over sand and shelf edge areas. Fish aggregation school sizes were significantly smaller at MS than the other three locations (MCDW, MCDE, and LB). This study shows the advantages of utilizing SSS in determining fish distributions and density.

Algoritmo urza para el análisis de sensibilidad en problemas de programación lineal

Este artículo menciona que el algoritmo pretende llenar un hueco existente en los análisis de sensibilidad de la Programación Lineal. Estos análisis abarcan tradicionalmente a todos los coeficientes del sistema excepto a los coeficientes técnicos de las variables de la BASE, debido a la dificultad de calcular la inversa de ésta cuando se ha introducido un parámetro en uno de sus elementos.