A framework for context-aware sensor fusion

Mención Internacional en el título de doctorSensor fusion is a mature but very active research field, included in the more general discipline of information fusion. It studies how to combine data coming from different sensors, in such way that the resulting information is better in some sense –more complete, accurate or stable– than any of the original sources used individually. Context is defined as everything that constraints or affects the process of solving a problem, without being part of the problem or the solution itself. Over the last years, the scientific community has shown a remarkable interest in the potential of exploiting this context information for building smarter systems that can make a better use of the available information. Traditional sensor fusion systems are based in fixed processing schemes over a predefined set of sensors, where both the employed algorithms and domain are assumed to remain unchanged over time. Nowadays, affordable mobile and embedded systems have a high sensory, computational and communication capabilities, making them a perfect base for building sensor fusion applications. This fact represents an opportunity to explore fusion system that are bigger and more complex, but pose the challenge of offering optimal performance under changing and unexpected circumstances. This thesis proposes a framework supporting the creation of sensor fusion systems with self-adaptive capabilities, where context information plays a crucial role. These two aspects have never been integrated in a common approach for solving the sensor fusion problem before. The proposal includes a preliminary theoretical analysis of both problem aspects, the design of a generic architecture capable for hosting any type of centralized sensor fusion application, and a description of the process to be followed for applying the architecture in order to solve a sensor fusion problem. The experimental section shows how to apply this thesis’ proposal, step by step, for creating a context-aware sensor fusion system with self-adaptive capabilities. This process is illustrated for two different domains: a maritime/coastal surveillance application, and ground vehicle navigation in urban environment. Obtained results demonstrate the viability and validity of the implemented prototypes, as well as the benefit of including context information to enhance sensor fusion processes.La fusión de sensores es un campo de investigación maduro pero no por ello menos activo, que se engloba dentro de la disciplina más amplia de la fusión de información. Su papel consiste en mezclar información de dispositivos sensores para proporcionar un resultado que mejora en algún aspecto –completitud, precisión, estabilidad– al que se puede obtener de las diversas fuentes por separado. Definimos contexto como todo aquello que restringe o afecta el proceso de resolución de un problema, sin ser parte del problema o de su solución. En los últimos años, la comunidad científica ha demostrado un gran interés en el potencial que ofrece el contexto para construir sistemas más inteligentes, capaces de hacer un mejor uso de la información disponible. Por otro lado, el desarrollo de sistemas de fusión de sensores ha respondido tradicionalmente a esquemas de procesado poco flexibles sobre un conjunto prefijado de sensores, donde los algoritmos y el dominio de problema permanecen inalterados con el paso del tiempo. En la actualidad, el abaratamiento de dispositivos móviles y embebidos con gran capacidad sensorial, de comunicación y de procesado plantea nuevas oportunidades. La comunidad científica comienza a explorar la creación de sistemas con mayor grado de complejidad y autonomía, que sean capaces de adaptarse a circunstancias inesperadas y ofrecer un rendimiento óptimo en cada caso. En esta tesis se propone un framework que permite crear sistemas de fusión de sensores con capacidad de auto-adaptación, donde la información contextual juega un papel fundamental. Hasta la fecha, ambos aspectos no han sido integrados en un enfoque conjunto. La propuesta incluye un análisis teórico de ambos aspectos del problema, el diseño de una arquitectura genérica capaz de dar cabida a cualquier aplicación de fusión de sensores centralizada, y la descripción del proceso a seguir para aplicar dicha arquitectura a cualquier problema de fusión de sensores. En la sección experimental se demuestra cómo aplicar nuestra propuesta, paso por paso, para crear un sistema de fusión de sensores adaptable y sensible al contexto. Este proceso de diseño se ilustra sobre dos problemas pertenecientes a dominios tan distintos como la vigilancia costera y la navegación de vehículos en entornos urbanos. El análisis de resultados incluye experimentos concretos que demuestran la validez de los prototipos implementados, así como el beneficio de usar información contextual para mejorar los procesos de fusión de sensores.Programa Oficial de Doctorado en Ciencia y Tecnología InformáticaPresidente: Javier Bajo Pérez.- Secretario: Antonio Berlanga de Jesús.- Vocal: Lauro Snidar