Architectures for embedded multimodal sensor data fusion systems in the robotics : and airport traffic suveillance ; domain

Schönefeld, Janis

Smaller autonomous robots and embedded sensor data fusion systems often suffer from limited computational and hardware resources. Many ‘Real Time’ algorithms for multi modal sensor data fusion cannot be executed on such systems, at least not in real time and sometimes not at all, because of the computational and energy resources needed, resulting from the architecture of the computational hardware used in these systems. Alternative hardware architectures for generic tracking algorithms could provide a solution to overcome some of these limitations. For tracking and self localization sequential Bayesian filters, in particular particle filters, have been shown to be able to handle a range of tracking problems that could not be solved with other algorithms. But particle filters have some serious disadvantages when executed on serial computational architectures used in most systems. The potential increase in performance for particle filters is huge as many of the computational steps can be done concurrently. A generic hardware solution for particle filters can relieve the central processing unit from the computational load associated with the tracking task. The general topic of this research are hardware-software architectures for multi modal sensor data fusion in embedded systems in particular tracking, with the goal to develop a high performance computational architecture for embedded applications in robotics and airport traffic surveillance domain. The primary concern of the research is therefore: The integration of domain specific concept support into hardware architectures for low level multi modal sensor data fusion, in particular embedded systems for tracking with Bayesian filters; and a distributed hardware-software tracking systems for airport traffic surveillance and control systems. Runway Incursions are occurrences at an aerodrome involving the incorrect presence of an aircraft, vehicle, or person on the protected area of a surface designated for the landing and take-off of aircraft. The growing traffic volume kept runway incursions on the NTSB’s ‘Most Wanted’ list for safety improvements for over a decade. Recent incidents show that problem is still existent. Technological responses that have been deployed in significant numbers are ASDE-X and A-SMGCS. Although these technical responses are a significant improvement and reduce the frequency of runway incursions, some runway incursion scenarios are not optimally covered by these systems, detection of runway incursion events is not as fast as desired, and they are too expensive for all but the biggest airports. Local, short range sensors could be a solution to provide the necessary affordable surveillance accuracy for runway incursion prevention. In this context the following objectives shall be reached. 1) Show the feasibility of runway incursion prevention systems based on localized surveillance. 2) Develop a design for a local runway incursion alerting system. 3) Realize a prototype of the system design using the developed tracking hardware.

Kleinere autonome Roboter und eingebettete Sensordatenfusionssysteme haben oft mit stark begrenzter Rechenkapazität und eingeschränkten Hardwareressourcen zu kämpfen. Viele Echtzeitalgorithmen für die Fusion von multimodalen Sensordaten können, bedingt durch den hohen Bedarf an Rechenkapazität und Energie, auf solchen Systemen überhaupt nicht ausgeführt werden, oder zu mindesten nicht in Echtzeit. Der hohe Bedarf an Energie und Rechenkapazität hat seine Ursache darin, dass die Architektur der ausführenden Hardware und der ausgeführte Algorithmus nicht aufeinander abgestimmt sind. Dies betrifft auch Algorithmen zu Spurverfolgung. Mit Hilfe von alternativen Hardwarearchitekturen für die generische Ausführung solcher Algorithmen könnten sich einige der typischerweise vorliegenden Einschränkungen überwinden lassen. Eine Reihe von Aufgaben, die sich mit anderen Spurverfolgungsalgorithmen nicht lösen lassen, lassen sich mit dem Teilchenfilter, einem Algorithmus aus der Familie der Bayesschen Filter lösen. Bei der Ausführung auf traditionellen Architekturen haben Teilchenfilter gegenüber anderen Algorithmen einen signifikanten Nachteil, allerdings ist hier ein großer Leistungszuwachs durch die nebenläufige Ausführung vieler Rechenschritte möglich. Eine generische Hardwarearchitektur für Teilchenfilter könnte deshalb die oben genannten Systeme stark entlasten. Das allgemeine Thema dieses Forschungsvorhabens sind Hardware-Software-Architekturen für die multimodale Sensordatenfusion auf eingebetteten Systemen - speziell für Aufgaben der Spurverfolgung, mit dem Ziel eine leistungsfähige Architektur für die Berechnung entsprechender Algorithmen auf eingebetteten Systemen zu entwickeln, die für Anwendungen in der Robotik und Verkehrsüberwachung auf Flughäfen geeignet ist. Das Augenmerk des Forschungsvorhabens liegt dabei auf der Integration von vom Einsatzgebiet abhängigen Konzepten in die Architektur von Systemen zur Spurverfolgung mit Bayeschen Filtern, sowie auf verteilten Hardware-Software Spurverfolgungssystemen zur Überwachung und Führung des Rollverkehrs auf Flughäfen. Eine „Runway Incursion“ (RI) ist ein Vorfall auf einem Flugplatz, bei dem ein Fahrzeug oder eine Person sich unerlaubt in einem Abschnitt der Start- bzw. Landebahn befindet, der einem Verkehrsteilnehmer zur Benutzung zugewiesen wurde. Der wachsende Flugverkehr hat dafür gesorgt, das RIs seit über einem Jahrzehnt auf der „Most Wanted“-Liste des NTSB für Verbesserungen der Sicherheit stehen. Jüngere Vorfälle zeigen, dass das Problem noch nicht behoben ist. Technologische Maßnahmen die in nennenswerter Zahl eingesetzt wurden sind das ASDE-X und das A-SMGCS. Obwohl diese Maßnahmen eine deutliche Verbesserung darstellen und die Zahl der RIs deutlich reduzieren, gibt es einige RISituationen die von diesen Systemen nicht optimal abgedeckt werden. Außerdem detektieren sie RIs ist nicht so schnell wie erwünscht und sind - außer für die größten Flughäfen - zu teuer. Lokale Sensoren mit kurzer Reichweite könnten eine Lösung sein um die für die zuverlässige Erkennung von RIs notwendige Präzision bei der Überwachung des Rollverkehrs zu erreichen. Vor diesem Hintergrund sollen die folgenden Ziele erreicht werden. 1) Die Machbarkeit eines Runway Incursion Vermeidungssystems, das auf lokalen Sensoren basiert, zeigen. 2) Einen umsetzbaren Entwurf für ein solches System entwickeln. 3) Einen Prototypen des Systems realisieren, das die oben gennannte Hardware zur Spurverfolgung einsetzt.

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Schönefeld, Janis: Architectures for embedded multimodal sensor data fusion systems in the robotics : and airport traffic suveillance ; domain. 2015.

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