Localisation and tracking of people using distributed UWB sensors

Jovanoska, Snezhana GND

In vielen Überwachungs- und Rettungsszenarien ist die Lokalisierung und Verfolgung von Personen in Innenräumen auf nichtkooperative Weise erforderlich. Für die Erkennung von Objekten durch Wände in kurzer bis mittlerer Entfernung, ist die Ultrabreitband (UWB) Radartechnologie aufgrund ihrer hohen zeitlichen Auflösung und Durchdringungsfähigkeit Erfolg versprechend. In dieser Arbeit wird ein Prozess vorgestellt, mit dem Personen in Innenräumen mittels UWB-Sensoren lokalisiert werden können. Er umfasst neben der Erfassung von Messdaten, Abstandschätzungen und dem Erkennen von Mehrfachzielen auch deren Ortung und Verfolgung. Aufgrund der schwachen Reflektion von Personen im Vergleich zum Rest der Umgebung, wird zur Personenerkennung zuerst eine Hintergrundsubtraktionsmethode verwendet. Danach wird eine konstante Falschalarmrate Methode zur Detektion und Abstandschätzung von Personen angewendet. Für Mehrfachziellokalisierung mit einem UWB-Sensor wird eine Assoziationsmethode entwickelt, um die Schätzungen des Zielabstandes den richtigen Zielen zuzuordnen. In Szenarien mit mehreren Zielen kann es vorkommen, dass ein näher zum Sensor positioniertes Ziel ein anderes abschattet. Ein Konzept für ein verteiltes UWB-Sensornetzwerk wird vorgestellt, in dem sich das Sichtfeld des Systems durch die Verwendung mehrerer Sensoren mit unterschiedlichen Blickfeldern erweitert lässt. Hierbei wurde ein Prototyp entwickelt, der durch Fusion von Sensordaten die Verfolgung von Mehrfachzielen in Echtzeit ermöglicht. Dabei spielen insbesondere auch Synchronisierungs- und Kooperationsaspekte eine entscheidende Rolle. Sensordaten können durch Zeitversatz und systematische Fehler gestört sein. Falschmessungen und Rauschen in den Messungen beeinflussen die Genauigkeit der Schätzergebnisse. Weitere Erkenntnisse über die Zielzustände können durch die Nutzung zeitlicher Informationen gewonnen werden. Ein Mehrfachzielverfolgungssystem wird auf der Grundlage des Wahrscheinlichkeitshypothesenfilters (Probability Hypothesis Density Filter) entwickelt, und die Unterschiede in der Systemleistung werden bezüglich der von den Sensoren ausgegebene Informationen, d.h. die Fusion von Ortungsinformationen und die Fusion von Abstandsinformationen, untersucht. Die Information, dass ein Ziel detektiert werden sollte, wenn es aufgrund von Abschattungen durch andere Ziele im Szenario nicht erkannt wurde, wird als dynamische Überdeckungswahrscheinlichkeit beschrieben. Die dynamische Überdeckungswahrscheinlichkeit wird in das Verfolgungssystem integriert, wodurch weniger Sensoren verwendet werden können, während gleichzeitig die Performanz des Schätzers in diesem Szenario verbessert wird. Bei der Methodenauswahl und -entwicklung wurde die Anforderung einer Echtzeitanwendung bei unbekannten Szenarien berücksichtigt. Jeder untersuchte Aspekt der Mehrpersonenlokalisierung wurde im Rahmen dieser Arbeit mit Hilfe von Simulationen und Messungen in einer realistischen Umgebung mit UWB Sensoren verifiziert.

Indoor localisation and tracking of people in non-cooperative manner is important in many surveillance and rescue applications. Ultra wideband (UWB) radar technology is promising for through-wall detection of objects in short to medium distances due to its high temporal resolution and penetration capability. This thesis tackles the problem of localisation of people in indoor scenarios using UWB sensors. It follows the process from measurement acquisition, multiple target detection and range estimation to multiple target localisation and tracking. Due to the weak reflection of people compared to the rest of the environment, a background subtraction method is initially used for the detection of people. Subsequently, a constant false alarm rate method is applied for detection and range estimation of multiple persons. For multiple target localisation using a single UWB sensor, an association method is developed to assign target range estimates to the correct targets. In the presence of multiple targets it can happen that targets closer to the sensor induce shadowing over the environment hindering the detection of other targets. A concept for a distributed UWB sensor network is presented aiming at extending the field of view of the system by using several sensors with different fields of view. A real-time operational prototype has been developed taking into consideration sensor cooperation and synchronisation aspects, as well as fusion of the information provided by all sensors. Sensor data may be erroneous due to sensor bias and time offset. Incorrect measurements and measurement noise influence the accuracy of the estimation results. Additional insight of the targets states can be gained by exploiting temporal information. A multiple person tracking framework is developed based on the probability hypothesis density filter, and the differences in system performance are highlighted with respect to the information provided by the sensors i.e. location information fusion vs range information fusion. The information that a target should have been detected when it is not due to shadowing induced by other targets is described as dynamic occlusion probability. The dynamic occlusion probability is incorporated into the tracking framework, allowing fewer sensors to be used while improving the tracker performance in the scenario. The method selection and development has taken into consideration real-time application requirements for unknown scenarios at every step. Each investigated aspect of multiple person localization within the scope of this thesis has been verified using simulations and measurements in a realistic environment using M-sequence UWB sensors.

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