Sensor-assisted cooperative localization and communication in multi-agent networks

This thesis presents research advances on cooperative localization and communication. These two macro trends are investigated in the general context of mobile multi-agent networks for situational awareness applications, where time-varying agents of unknown absolute location are asked to fulfill positioning and information sharing tasks. The research on localization aims to develop an integrated solution where cooperative self-localization of agents is combined with multitarget detection, localization and tracking. Targets are not only considered as unknown objects to be just localized, but their statistical properties represent valuable information to be used upside-down to refine the agents' positioning coming from self-definition of the multi-agent network. The operating framework is based on belief propagation, a massage passing algorithm working on the factor graph describing all relationships among agents, measurements and external variables. The final result is the development of a generalized solution that is flexible enough to accommodate heterogeneous measurements of diverse agent types, ensuring a wide range of applications. The two primary scenarios addressed in this thesis are maritime and vehicular uses cases, but internet of things in industrial and surveillance contexts are other major applications of interest. The research on communication is focused on vehicular applications, where the use of Vehicle-to-Everything (V2X) links to extend vehicle's sensing capability by establishing connections with nearby users represents an upgrade for a safer mobility. Such paradigm is here reverted: this thesis proposes the use of vehicles' sensors to enhance communication performances. The specific research topic consists in developing sensor-assisted beam alignment techniques, where narrow directional V2X beams are steered according to the information extracted from perception sensors. Attention is given not only to the specific technical aspects of the methodology and technologies, namely Millimeter-Wave (mmWave) and Free-Space Optics (FSO), but a system-level architecture is proposed too. Inter-vehicle cooperation and intra-vehicle sensor data fusion are combined in a unified system targeted to guarantee reliable beam-based V2X links in mobility scenarios. Both macro-researches deal with a tight integration of heterogeneous sensors with communication in dynamic multi-agent systems. The volatility of interconnections among agents due to mobility and instability of links mandatorily calls for flexible and adaptive techniques, capable of profitably fuse diverse types of information. The outcomes of this thesis demonstrate how a statistical approach is capable of handling realistic problems and developing versatile solutions.

Questa tesi presenta il mio contributo scientifico in merito alle tematiche di localizzazione e comunicazione. La specifica area di ricerca riguarda le reti multi-agente, dove un numero tempo-variante di agenti dalla posizione ignota deve essere in grado di auto-localizzarsi e scambiarsi informazioni. La ricerca sulla localizzazione è focalizzata sullo sviluppo di una soluzione integrata, dove due compiti distinti quali l’auto-localizzazione degli agenti nella rete e il rilevamento di target (oggetti dalla posizione sconosciuta e presenza incerta) esterni alla rete stessa vengono combinati in un’unica metodologia. Il rilevamento dei target non è considerato come un’operazione fine a sé stessa, ma viene sfruttato dagli agenti localizzanti come un elemento supplementare da utilizzare per migliorare la propria auto-localizzazione. La formulazione del problema di localizzazione sfrutta una rappresentazione a grafo della rete multi-agente. Questa scelta permette di descrivere in maniera agevole le singole relazioni tra gli agenti, le relative misure ed eventuali variabili addizionali esterne. Su questa struttura capillare viene eseguito un algoritmo di “belief propagation” che sfrutta uno scambio iterativo di messaggi atti a risolvere l’inferenza statistica tramite una diretta marginalizzazione delle singole variabili caratterizzanti il problema. Ne consegue una soluzione altamente flessibile che è in grado di gestire misure eterogenee disponibili ai diversi agenti, permettendo un’ampia varietà di applicazioni e declinazioni della tecnica stessa, favorendo implementazioni sia di tipo centralizzato che distribuito. In questa tesi, il problema della localizzazione cooperativa viene investigato in due scenari principali (marittimo e veicolare), ma altre potenziali applicazioni di interesse riguardano soluzioni intelligenti in contesti industriali o di sorveglianza sfruttando l’evoluzione dell’internet delle cose. La ricerca relativa alla tematica di comunicazione invece è interamente incentrata su applicazioni veicolari. Attualmente, l’uso delle comunicazioni veicolari per estendere la capacità percettiva del singolo veicolo tramite l’attivazione di connessioni con utenti vicini viene visto come un aspetto chiave per lo sviluppo di un ecosistema di mobilità più sicuro. In questa tesi, il sopracitato paradigma viene ribaltato: si propone l’utilizzo di sensori a bordo veicolo per migliorare le prestazioni del sistema di comunicazione veicolare. Andando nello specifico, viene sviluppato un algoritmo che permette la realizzazione di una comunicazione estremamente direttiva (confinata nello spazio) sfruttando l’informazione sulla dinamica del veicolo. L’orientamento spaziale del segnale di comunicazione viene determinato in base all’informazione proveniente dai sensori e scambiata tra i veicoli connessi. In tal modo è possibile avere una conoscenza distribuita della topologia della rete che velocizza il processo di scelta e direzionalità del fascio di comunicazione. In questa tesi, oltre alla parte prettamente più tecnica e tecnologica (nello specifico vengono considerate le tecnologie wireless a radiofrequenza in onde millimetriche e ottiche in spazio libero), viene prestata particolare attenzione anche alla visione d’insieme dell’architettura del sistema di comunicazione veicolare. In particolare, si propone un sistema a due livelli di comunicazione paralleli e interoperanti, ciascuno dedicato allo scambio di informazioni specifiche. Entrambe le macro aree di ricerca sfruttano una stretta integrazione tra tecnologie di percezione e di comunicazione in sistemi multi-agente. Siccome la natura instabile e volatile delle connessioni tra gli agenti richiede tecniche adattive, flessibili e capaci di fondere diversi tipi di informazioni in maniera proficua, in questa tesi si dimostra come un approccio statistico permetta di gestire problemi reali tramite lo sviluppo di soluzioni versatili.