Location-aware networks will introduce new services and applications for modern convenience, surveillance, and public safety. In this paper, we consider the problem of cooperative localization in a wireless network where the position of certain anchor nodes can be controlled. We introduce an active planning method that aims at moving the anchors such that the information gain of future measurements is maximized. In the control layer of the proposed method, control inputs are calculated by minimizing the traces of approximate inverse Bayesian Fisher information matrixes (FIMs). The estimation layer computes estimates of the agent states and provides Gaussian representations of marginal posteriors of agent positions to the control layer for approximate Bayesian FIM computations. Based on a cost function that accumulates Bayesian FIM contributions over a sliding window of discrete future timesteps, a receding horizon (RH) control is performed. Approximations that make it possible to solve the resulting tree-search problem efficiently are also discussed. A numerical case study demonstrates the intelligent behavior of a single controlled anchor in a 3-D scenario and the resulting significantly improved localization accuracy.

Passive monitoring of acoustic or radio sources has important applications in modern convenience, public safety, and surveillance. A key task in passive monitoring is multiobject tracking (MOT). This paper presents a Bayesian method for multisensor MOT for challenging tracking problems where the object states are high-dimensional, and the measurements follow a nonlinear model. Our method is developed in the framework of factor graphs and the sum-product algorithm (SPA). The multimodal probability density functions (pdfs) provided by the SPA are effectively represented by a Gaussian mixture model (GMM). To perform the operations of the SPA in high-dimensional spaces, we make use of Particle flow (PFL). Here, particles are migrated towards regions of high likelihood based on the solution of a partial differential equation. This makes it possible to obtain good object detection and tracking performance even in challenging multisensor MOT scenarios with single sensor measurements that have a lower dimension than the object positions. We perform a numerical evaluation in a passive acoustic monitoring scenario where multiple sources are tracked in 3-D from 1-D time-difference-of-arrival (TDOA) measurements provided by pairs of hydrophones. Our numerical results demonstrate favorable detection and estimation accuracy compared to state-of-the-art reference techniques.

本文解决了积极计划的问题，以在GNSS受限的场景中测量不确定性下实现多机器人系统（MRS）的合作定位。具体而言，我们解决了准确预测配备基于范围的测量设备的两个机器人之间未来连接的概率的问题。由于配备的传感器范围有限，由于机器人相互移动，网络连接拓扑中的边缘将被创建或破坏。因此，鉴于状态估计不完善和嘈杂的驱动，准确地预测边缘的未来存在是一项具有挑战性的任务。自适应功率序列扩展（或APSE）算法是根据当前估计和控制候选者开发的。这种算法在正态分布中应用了二次阳性形式的功率序列扩展公式。有限端近似是为了实现计算障碍。提出了进一步的分析，以表明通过自适应选择功率序列的求和度，可以从理论上将有限端近似中的截断误差降低到所需的阈值。几种足够的条件被严格得出作为选择原则。最后，相对于单个和多机器人案例，广泛的仿真结果和比较验证了正式计算的，因此将来拓扑的更准确的概率可以帮助改善在不确定性下积极计划的性能。

Algorithmic solutions for multi-object tracking (MOT) are a key enabler for applications in autonomous navigation and applied ocean sciences. State-of-the-art MOT methods fully rely on a statistical model and typically use preprocessed sensor data as measurements. In particular, measurements are produced by a detector that extracts potential object locations from the raw sensor data collected for a discrete time step. This preparatory processing step reduces data flow and computational complexity but may result in a loss of information. State-of-the-art Bayesian MOT methods that are based on belief propagation (BP) systematically exploit graph structures of the statistical model to reduce computational complexity and improve scalability. However, as a fully model-based approach, BP can only provide suboptimal estimates when there is a mismatch between the statistical model and the true data-generating process. Existing BP-based MOT methods can further only make use of preprocessed measurements. In this paper, we introduce a variant of BP that combines model-based with data-driven MOT. The proposed neural enhanced belief propagation (NEBP) method complements the statistical model of BP by information learned from raw sensor data. This approach conjectures that the learned information can reduce model mismatch and thus improve data association and false alarm rejection. Our NEBP method improves tracking performance compared to model-based methods. At the same time, it inherits the advantages of BP-based MOT, i.e., it scales only quadratically in the number of objects, and it can thus generate and maintain a large number of object tracks. We evaluate the performance of our NEBP approach for MOT on the nuScenes autonomous driving dataset and demonstrate that it has state-of-the-art performance.

本文提出了一种新型的自适应样品基于空间的Viterbi算法，以在线方式定位。该方法依靠将目标的运动空间离散为代表有限数量的隐藏状态的单元。然后，通过隐藏的Markov模型（HMM）框架中的动态编程计算了跟踪目标的最可能的轨迹。提出的方法使用贝叶斯估计框架，该框架既不限于高斯噪声模型，也不需要线性化的目标运动模型或传感器测量模型。但是，基于HMM的定位方法可能会遭受较差的计算复杂性，因为在大空间中，由于高分辨率建模或目标定位，隐藏状态的数量增加。为了提高这种差的计算复杂性，本文提出了在最可能的信念空间中依次低至高分辨率的信念传播，从而大大降低了所需的资源。所提出的方法的灵感来自计算机视野字段中常用的K-D树算法（例如Quadtree）。使用超宽带（UWB）传感器网络进行的实验测试证明了我们的结果。

主动位置估计（APE）是使用一个或多个传感平台本地化一个或多个目标的任务。 APE是搜索和拯救任务，野生动物监测，源期限估计和协作移动机器人的关键任务。 APE的成功取决于传感平台的合作水平，他们的数量，他们的自由度和收集的信息的质量。 APE控制法通过满足纯粹剥削或纯粹探索性标准，可以实现主动感测。前者最大限度地减少了位置估计的不确定性;虽然后者驱动了更接近其任务完成的平台。在本文中，我们定义了系统地分类的主要元素，并批判地讨论该域中的最新状态。我们还提出了一个参考框架作为对截图相关的解决方案的形式主义。总体而言，本调查探讨了主要挑战，并设想了本地化任务的自主感知系统领域的主要研究方向。促进用于搜索和跟踪应用的强大主动感测方法的开发也有益。

本文考虑了跟踪大量小组目标的问题。通常，在大多数跟踪方案中，多目标都被认为具有独立的运动，并且分离良好。但是，对于小组目标跟踪（GTT），组内的目标是紧密间隔并以协调方式移动，组可以分裂或合并，并且组中的目标数可能很大，这会导致更具挑战性的数据关联，过滤和计算问题。在信仰传播（BP）框架内，我们通过共同推断目标存在变量，组结构，数据关联和目标状态提出了可扩展的群体目标信念传播（GTBP）方法。该方法可以通过在设计因子图上进行信仰传播来有效计算这些变量边际后验分布的近似值。结果，GTBP能够捕获组结构的变化，例如组拆分和合并。此外，我们将目标的演变建模为可能的组结构和相应概率指定的组或单目标运动的合作。这种灵活的建模可实现多个组目标和未组目标的无缝和同时跟踪。特别是，GTBP具有出色的可扩展性和低计算复杂性。它不仅保持与BP相同的可伸缩性，即在传感器测量的数量中线性缩放，并在目标数量中二次缩放，而且仅在保留的组分区数量中线性缩放。最后，提出了数值实验，以证明所提出的GTBP方法的有效性和可伸缩性。

嘈杂的传感，不完美的控制和环境变化是许多现实世界机器人任务的定义特征。部分可观察到的马尔可夫决策过程（POMDP）提供了一个原则上的数学框架，用于建模和解决不确定性下的机器人决策和控制任务。在过去的十年中，它看到了许多成功的应用程序，涵盖了本地化和导航，搜索和跟踪，自动驾驶，多机器人系统，操纵和人类机器人交互。这项调查旨在弥合POMDP模型的开发与算法之间的差距，以及针对另一端的不同机器人决策任务的应用。它分析了这些任务的特征，并将它们与POMDP框架的数学和算法属性联系起来，以进行有效的建模和解决方案。对于从业者来说，调查提供了一些关键任务特征，以决定何时以及如何成功地将POMDP应用于机器人任务。对于POMDP算法设计师，该调查为将POMDP应用于机器人系统的独特挑战提供了新的见解，并指出了有希望的新方向进行进一步研究。

在执行视觉伺服或对象跟踪任务时，有效的传感器规划对于保持目标的目标是必不可少的，或者在缺失时重新定位它们。特别是，当处理从传感器的视野中缺少的已知目标时，我们建议使用与上下文信息相关的先验知识来估计其可能的位置。为此，本研究提出了一种动态贝叶斯网络，它使用上下文信息来有效地搜索目标。 Monte Carlo颗粒滤波器用于近似目标状态的后验概率，从中定义不确定性。我们通过信息理论形式主义定义机器人的实用程序函数，因为寻求最佳动作减少了任务的不确定性，提示机器人代理商调查最可能存在的目标的位置。使用上下文状态模型，我们使用部分可观察的Markov决策过程设计代理的高级决策框架。根据通过顺序观察的基础上下文的估计信仰状态，决定了机器人的导航行动进行探索性和检测任务。通过使用这种多模态上下文模型，我们的代理可以有效处理基本动态事件，例如妨碍目标或从视野中的缺失。我们实时实施并展示移动机器人的这些功能。

主动同时定位和映射（SLAM）是规划和控制机器人运动以构建周围环境中最准确，最完整的模型的问题。自从三十多年前出现了积极感知的第一项基础工作以来，该领域在不同科学社区中受到了越来越多的关注。这带来了许多不同的方法和表述，并回顾了当前趋势，对于新的和经验丰富的研究人员来说都是非常有价值的。在这项工作中，我们在主动大满贯中调查了最先进的工作，并深入研究了仍然需要注意的公开挑战以满足现代应用程序的需求。为了实现现实世界的部署。在提供了历史观点之后，我们提出了一个统一的问题制定并审查经典解决方案方案，该方案将问题分解为三个阶段，以识别，选择和执行潜在的导航措施。然后，我们分析替代方法，包括基于深入强化学习的信念空间规划和现代技术，以及审查有关多机器人协调的相关工作。该手稿以讨论新的研究方向的讨论，解决可再现的研究，主动的空间感知和实际应用，以及其他主题。

近年来，研究人员委托机器人和无人驾驶汽车（UAV）团队委托进行准确的在线野火覆盖范围和跟踪。迄今为止，大多数先前的工作都集中在此类多机器人系统的协调和控制上，但尚未赋予这些无人机团队对火的轨道（即位置和传播动态）进行推理的能力，以提供性能保证时间范围。在空中野火监测的问题上，我们提出了一个预测框架，该框架使多UAV团队的合作能够与概率性能保证一起进行协作现场覆盖和火灾跟踪。我们的方法使无人机能够推断出潜在的火灾传播动态，以在安全至关重要的条件下进行时间扩展的协调。我们得出了一组新颖的，分析的时间和跟踪纠纷界限，以使无人机团队根据特定于案例的估计状态分发有限的资源并覆盖整个火灾区域，并提供概率性能保证。我们的结果不仅限于空中野火监测案例研究，而且通常适用于搜索和救援，目标跟踪和边境巡逻等问题。我们在模拟中评估了我们的方法，并在物理多机器人测试台上提供了建议的框架，以说明真实的机器人动态和限制。我们的定量评估验证了我们的方法的性能，分别比基于最新的模型和强化学习基准分别累积了7.5倍和9.0倍的跟踪误差。

在协作人类机器人语义传感问题中，例如为了进行科学探索，机器人可能会通过人类伴侣提供过度质疑的信息，从而导致次优的状态估计和团队绩效差。当人类不能被视为牙齿时，机器人需要更新状态信念，以正确解释人类语义观察与导致这些观察的现实世界状态之间可能存在的差异。这项工作为在一般环境中针对语义可能性的概率语义数据关联（PSDA）概率进行了严格的在线计算制定了策略，这与以前的工作不同，这些工作开发了针对特定设置的天真或启发式近似。新的PSDA方法纳入了混合贝叶斯数据融合方案中，该方案将高斯混合先验用于对象状态和SoftMax函数用于语义人类传感器观察可能性，并在Monte Carlo模拟中证明了合作的多对象搜索任务的范围人类感测特征（例如错误的检测率）。结果表明，每当语义人类传感器数据包含重要的目标参考歧义性，用于自主对象搜索和本地化时，PSDA会导致在广泛条件下对观察关联概率的强大估计。

We propose a path planning methodology for a mobile robot navigating through an obstacle-filled environment to generate a reference path that is traceable with moderate sensing efforts. The desired reference path is characterized as the shortest path in an obstacle-filled Gaussian belief manifold equipped with a novel information-geometric distance function. The distance function we introduce is shown to be an asymmetric quasi-pseudometric and can be interpreted as the minimum information gain required to steer the Gaussian belief. An RRT*-based numerical solution algorithm is presented to solve the formulated shortest-path problem. To gain insight into the asymptotic optimality of the proposed algorithm, we show that the considered path length function is continuous with respect to the topology of total variation. Simulation results demonstrate that the proposed method is effective in various robot navigation scenarios to reduce sensing costs, such as the required frequency of sensor measurements and the number of sensors that must be operated simultaneously.

移动机器人的精确位置信息对于导航和任务处理至关重要，尤其是对于多机器人系统（MRS），可以从该领域进行协作和收集有价值的数据。但是，在无法访问GPS信号（例如在环境控制，室内或地下环境中）的机器人发现很难单独使用其传感器找到。结果，机器人共享其本地信息以改善其本地化估计，使整个MRS团队受益。已经尝试使用无线电信号强度指标（RSSI）作为计算轴承信息的来源进行了几次尝试模拟基于多机器人的定位。我们还利用了通过系统中多个机器人的通信生成的无线网络，并旨在在动态环境中具有很高准确性和效率的定位代理，以共享信息融合以完善本地化估计。该估计器结构减少了一个测量相关性的来源，同时适当地纳入了其他相关性。本文提出了一个分散的多机器人协同定位系统（MRSL），以实现密集和动态的环境。每当从邻居那里收到新信息时，机器人都会更新其位置估计。当系统感觉到该地区其他机器人的存在时，它会交换位置估计并将接收到的数据合并以提高其本地化精度。我们的方法使用基于贝叶斯规则的集成，该集成已证明在计算上是有效的，适用于异步机器人通信。我们已经使用数量不同的机器人进行了广泛的仿真实验，以分析算法。 MRSL与RSSI的本地化准确性优于文献中的其他算法，对未来发展有很大的希望。

在本文中，我们设计了一个基于信息的多机器人来源，以寻求算法，其中一组移动传感器仅使用基于局部范围的测量值就本地化并移动靠近单个源。在算法中，移动传感器执行源标识/本地化以估计源位置；同时，他们移至新位置，以最大程度地提高有关传感器测量中包含的源的Fisher信息。在这样做的过程中，它们改善了源位置估计，并更靠近源。与传统的攀登算法相比，我们的算法在收敛速度方面具有优越性，在测量模型和信息指标的选择中是灵活的，并且对测量模型误差非常强大。此外，我们提供了算法的完全分布式版本，每个传感器都决定自己的动作，并且仅通过稀疏的通信网络与邻居共享信息。我们进行密集的仿真实验，以测试带有光传感器的小型地面车辆上的大规模系统和物理实验的算法，这表明在寻求光源方面取得了成功。

本文解决了多机器人主动信息采集（AIA）问题，其中一组移动机器人通过基础图进行通信，估计一个表达感兴趣现象的隐藏状态。可以在此框架中表达诸如目标跟踪，覆盖范围和大满贯之类的应用程序。但是，现有的方法要么是不可扩展的，因此无法处理动态现象，或者对通信图中的变化不健全。为了应对这些缺点，我们提出了一个信息感知的图形块网络（I-GBNET），即图形神经网络的AIA适应，该网络将信息通过图表表示，并以分布式方式提供顺序决定。通过基于集中抽样的专家求解器训练通过模仿学习训练的I-GBNET表现出置换量比和时间不变性，同时利用了对以前看不见的环境和机器人配置的卓越可扩展性，鲁棒性和概括性。与训练中看到的相比，隐藏状态和更复杂的环境的实验和更复杂的环境实验验证了所提出的体系结构的特性及其在应用定位和动态目标的应用中的功效。

有效计划的能力对于生物体和人造系统都是至关重要的。在认知神经科学和人工智能（AI）中广泛研究了基于模型的计划和假期，但是从不同的角度来看，以及难以调和的考虑（生物现实主义与可伸缩性）的不同意见（生物现实主义与可伸缩性）。在这里，我们介绍了一种新颖的方法来计划大型POMDP（Active Tree search（ACT）），该方法结合了神经科学中领先的计划理论的规范性特征和生物学现实主义（主动推论）和树木搜索方法的可扩展性AI。这种统一对两种方法都是有益的。一方面，使用树搜索可以使生物学接地的第一原理，主动推断的方法可应用于大规模问题。另一方面，主动推理为探索 - 开发困境提供了一种原则性的解决方案，该解决方案通常在树搜索方法中以启发性解决。我们的模拟表明，ACT成功地浏览了对基于抽样的方法，需要自适应探索的问题以及大型POMDP问题“ RockSample”的二进制树，其中ACT近似于最新的POMDP解决方案。此外，我们说明了如何使用ACT来模拟人类和其他解决大型计划问题的人类和其他动物的神经生理反应（例如，在海马和前额叶皮层）。这些数值分析表明，主动树搜索是神经科学和AI计划理论的原则性实现，既具有生物现实主义和可扩展性。

在这项工作中，我们研究了在不确定性下的在线决策问题，我们将其制定为在信仰空间的规划中。在高维状态（例如，整个轨迹）上维护信仰（即，整个轨迹）不仅被证明可以显着提高准确性，而且还允许在主动SLAM和信息收集的任务所需的情况下规划信息理论目标。尽管如此，根据这种“平滑”范式的规划持有高计算复杂性，这使得在线解决方案具有挑战性。因此，我们建议以下想法：在规划之前，在初始信念上执行独立状态可变重新排序过程，并“推进”所有预测的环路关闭变量。由于初始可变顺序确定将受到传入更新影响的它们的哪个子集，因此这种重新排序允许我们最小化受影响变量的总数，并在规划期间降低候选评估的计算复杂性。我们称之为Pivot：预测增量变量订购策略。应用此策略也可以提高国家推理效率;如果我们在规划会议后维持枢轴令，那么我们应该同样降低循环闭合的成本，当实际发生时。为了展示其有效性，我们将枢轴应用于一个现实的主动Slam仿真中，在那里我们设法显着减少了规划和推理会话的计算时间。该方法适用于一般分布，并不能准确地损失。

具有多模式传感（AIPPMS）的自适应信息路径计划（AIPPMS）考虑了配备多个传感器的代理商的问题，每个传感器具有不同的感应精度和能量成本。代理商的目标是探索环境并在未知的，部分可观察到的环境中受到其资源约束的信息。先前的工作集中在不太一般的适应性信息路径计划（AIPP）问题上，该问题仅考虑了代理人运动对收到的观察结果的影响。 AIPPMS问题通过要求代理的原因共同出现感应和移动的影响，同时平衡资源约束与信息目标，从而增加了额外的复杂性。我们将AIPPMS问题作为一种信念马尔可夫决策过程，并具有高斯流程信念，并使用在线计划中使用顺序的贝叶斯优化方法来解决它。我们的方法始终优于以前的AIPPMS解决方案，这几乎将几乎每个实验中获得的平均奖励增加了一倍，同时还将根平方的错误在环境信念中减少了50％。我们完全开放我们的实施方式，以帮助进一步开发和比较。

5G毫米波（MMWAVE）信号与传播信道和传播环境具有固有的几何连接。因此，它们可用于共同本地化接收器并映射传播环境，该传播环境被称为同时定位和映射（SLAM）。5G SLAM中最重要的任务之一是处理测量模型的非线性。为了解决这个问题，现有的5G SLAM依赖于Sigma点或扩展卡尔曼滤波器，针对现有概率密度函数（PDF）线性化测量功能。在本文中，我们研究了关于后部PDF的测量功能的线性化，并将迭代后线性化滤波器实施到泊松多Bernoulli Slam滤波器中。仿真结果表明了所得SLAM过滤器的精度和精确改善。