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A review of navigation systems nowadays shows that new features are required in the automotive field. One such feature is suggesting a parking space within a positioning system. In the new global context of navigation, finding a parkingplace has become a central issue for all drivers. The research question for this study is what happens when you get to the destination or when you don’t need to use a GPS to arrive to your destination? This thesis has two major purposes:(1) to investigate an efficient solution for detecting the parking behavior of a moving car; (2) to implement and integrate an environment-friendly solution for HERE in a way that would give the company a competitive edge. By examining only the latitude and longitude from all the input GPS data received in a navigation system, the author defines the best configuration for a parking detection algorithm. Once the best configuration was found, an implementation was proposed. An extensive series of tests has been carried out on the final implementation. Data for tests was obtained using internal tools from HERE for producing different testing routes as navigation files (.nmea files). Creating the input files manually offers flexibility and gives the opportunity to touch all the unexpected behaviors, knowing the expected result in any case. The results obtained from the analysis of the algorithm are encouraging.It has been shown that the configuration chosen for implementation is cheap and effective in predicting parking behavior. In conclusion, the implementation of the algorithm was successfully integrated with the existing HERE SDK. The new feature will be available for the following three automotive companies: Audi, BMW, and Daimler. The algorithm is designed such that it can be easily extended and improved. Future work might include adding parameters that should be adjustable by the user or client like speed of the car. / En genomgång av nutida navigationssystem visar att nya funktioner krävs för fordonsområdet. En sådan funktion är att föreslå en parkeringsplats inom ett positioneringssystem. I det nya globala sammanhanget för navigering har problemet att hitta en pa parkeringsplats blivit en central fråga för alla förare. Frågeställningen för denna studie är vad som händer när du kommer till destinationen eller när du inte behöver använda en GPS för att komma fram till din destination? Denna avhandling har två huvudsakliga syften: (1) att undersöka en effektiv lösning för detektering av parkeringsbeteende hos en bil som rör sig; (2) att genomföra och integrera en miljövänlig lösning för HERE på ett sätt som skulle ge bolaget en konkurrensfördel. Genom att endast undersöka latitud och longitud från all GPS-indata som mottags i ett navigationssystem definierar författaren den bästa konfigurationen för en parkeringdetekteringsalgoritm. När väl den bästa konfigurationen funnits föreslots ett genomförande. En omfattande serie tester har utförts på det slutliga genomförandet. Data för prov erhölls med hjälp av interna verktygfrån HERE för att producera olika provvägar som navigationsfiler (.nmea filer). Att skapa indatafiler manuellt erbjuder flexibilitet och ger möjlighet att vidröra alla oväntade beteenden, för att veta det förväntade resultatet i vilket fall som helst. De resultat som erhållits från analysen av algoritmen är uppmuntrande. Det har visats att konfigurationen som valts för genomförandet är billig och effektiv i att förutsäga parkeringsbeteende. Sammanfattningsvis har genomförandet av algoritmen framgångsrikt integrerats med den befintliga HERE SDK:n. Den nya funktionen kommer att finnas tillgänglig för följande tre bilföretag: Audi,BMW och Daimler. Algoritmen är utformad så att den lätt kan utvidgas och förbättras. Framtida arbete kan omfatta att lägga till parametrar som bör vara inställningsbara av användaren eller kunden som till exmpel hastigheten på bilen.

Navigation proficiency - the ability to find and recall new and familiar locations - varies widely among individuals (e.g., Schinazi, Epstein, Nardi, Newcombe, & Shipley, 2013; Weisberg, Schinazi, Newcombe, Shipley, & Epstein, 2014). The cognitive processes that support effective navigation have been theoretically sketched out (e.g., Wolbers & Hegarty, 2010), but how do those processes contribute to aspects of and individual differences in navigation behavior? Using a virtual environment to assess navigation proficiency (Weisberg et al., 2014), we conducted two studies to investigate whether individual differences in navigating meaningfully relate to memory capacity (Study1) and navigation strategy (Study 2). Results from Study 1 suggest that working memory capacity may limit some participants' ability to build accurate cognitive maps. Using a virtual environment paradigm based on the rodent T-maze (Marchette, Bakker, & Shelton, 2011), Study 2 shows that good navigators do not prefer to use a place-based strategy over a response-based strategy, but there was an interaction between strategy selection and goals found. Good navigators who used a place-based strategy found more goals than good navigators who used a response-based strategy; the opposite was true for bad navigators. Emerging from this set of studies is a richer picture of how individual differences in cognitive traits (i.e., working memory capacity), and strategy choice relate to navigation proficiency. / Psychology

Interaction with the environment is a crucial feature that characterizes intelligent biological systems. To do so the information acquired by the surroundings needs to be organized in flexible and generalizable structure, namely cognitive maps, which encode relational information, store it, and make it easily accessible and reusable. The hippocampal-entorhinal system plays a crucial role in the creation of cognitive maps, and, particularly, grid cells have been targeted as the main neural correlate. In humans, grid-like activity has been associated with the encoding of both spatial and abstract knowledge. However, in the field of cognitive maps, the precise relationship between spatial and conceptual knowledge remains unclear. Here, we take blindness as a model to test whether the mechanisms ontogenetically evolved to navigate in space scaffold the navigation through concepts or, on the contrary, if spatial and abstract knowledge develop independently. In this thesis, I provide, for the first time, evidence in favor of the scaffolding hypothesis by observing a reduction of the grid-like coding in the early blind individuals’ entorhinal cortex both during a spatial and a conceptual navigation task. Crucially, lack of visual experience seems to influence specifically the grid system, as, instead, the typical cortical networks that support spatial and conceptual navigation show a high resiliency to early visual deprivation. These findings will deepen significantly our understanding of the relationship between spatial and nonspatial concepts, opening the path to novel questions related to the development of the grid system and, more in general of the cognitive maps.

Guided airdrop parafoil systems depend on GPS for localization and landing. In some scenarios, GPS may be unreliable (jammed, spoofed, or disabled), or unavailable (indoor, or extraterrestrial environments). In the context of guided parafoils, landing locations for each system must be pre-programmed manually with global coordinates, which may be inaccurate or outdated, and offer no in-flight adaptability. Parafoil systems in particular have constrained motion, communication, and on-board computation and storage capabilities, and must operate in harsh conditions. These constraints necessitate a comprehensive approach to address the fundamental limitations of these systems when GPS cannot be used reliably. A novel and minimalist approach to visual navigation and multi-agent communication using semantic machine learning classification and geometric constraints is introduced. This approach enables localization and landing site identification for multiple communicating parafoil systems deployed in GPS-denied environments.

La navigation autonome des voitures robotisées est un domaine largement étudié avec plusieurs techniques et applications dans une démarche coopérative. Elle intègre du contrôle de bas niveau jusqu’à la navigation globale, en passant par la perception de l’environnement, localisation du robot, et autres aspects dans une approche référencée capteurs. Bien qu’il existe des travaux très avancés, ils présentent encore des problèmes et limitations liés aux capteurs utilisés et à l’environnement où la voiture est insérée.Ce travail aborde le problème de navigation des voitures robotisées en utilisant des capteurs à faible coût dans des milieux urbains. Dans cette thèse, nous avons traité le problème concernant le développement d’un système global de navigation autonome référencée capteur appliqué à un véhicule électrique intelligent, équipé avec des caméras et d’autres capteurs. La problématique traitée se décline en trois grands domaines de la navigation robotique : la perception de l’environnement, le contrôle de la navigation locale et la gestion de la navigation globale. Dans la perception de l’environnement, une approche de traitement d’image 2D et 3D a été proposé pour la segmentation de la route et des obstacles. Cette méthode est appliquée pour extraire aussi des caractéristiques visuelles, associées au milieu de la route, pour le contrôle de la navigation locale du véhicule. Avec les données perçues, une nouvelle méthode hybride de navigation référencée capteur et d’évitement d’obstacle a été appliquée pour le suivi de la route. Cette méthode est caractérisée par la validation d’une stratégie d’asservissement visuel (contrôleur délibératif) dans une nouvelle formulation de la méthode “fenêtre dynamique référencée image" (Dynamic Window Approach - DWA, en anglais) (contrôleur réactif). Pour assurer la navigation globale de la voiture, nous proposons l’association des données de cartes numériques afin de gérer la navigation locale dans les points critiques du chemin, comme les intersections de routes. Des essais dans les scénarios difficiles, avec une voiture expérimentale, et aussi en environnement simulé, montrent la viabilité de la méthode proposée. / Autonomous navigation of car-like robots is a large domain with several techniques and applications working in cooperation. It ranges from low-level control to global navigation, passing by environment perception, robot localization, and many others in asensor-based approach. Although there are very advanced works, they still presenting problems and limitations related to the environment where the car is inserted and the sensors used. This work addresses the navigation problem of car-like robots based on low cost sensors in urban environments. For this purpose, an intelligent electric vehicle was equipped with vision cameras and other sensors to be applied in three big areas of robot navigation : the Environment Perception, Local Navigation Control, and Global Navigation Management. In the environment perception, a 2D and 3D image processing approach was proposed to segment the road area and detect the obstacles. This segmentation approach also provides some image features to local navigation control.Based on the previous detected information, a hybrid control approach for vision based navigation with obstacle avoidance was applied to road lane following. It is composed by the validation of a Visual Servoing methodology (deliberative controller) in a new Image-based Dynamic Window Approach (reactive controller). To assure the car’s global navigation, we proposed the association of the data from digital maps in order tomanage the local navigation at critical points, like road intersections. Experiments in a challenging scenario with both simulated and real experimental car show the viabilityof the proposed methodology.

En turistbroschyr är en bekant produkt som turister kan hämta information ifrån. Men hur upplever användarna interaktionen med ett obekant navigationskoncept som vi kallar DSI i kontexten av att söka turistinformation och vad har DSI för påverkan på användarupplevelsen? Vi har utfört en studie på tio respondenter. Studien inkluderar en observation där respondenterna har fått interagera, med applikationen vi skapade med navigationskonceptet DSI, och utföra ett antal uppgifter. De har även fått utföra ett antal uppgifter på en PDF med samma innehåll men med en annan struktur. Därefter utförde vi metoden Product Reaction Cards och till sist en intervju. Vi kom fram till att det tar tid att lära sig någonting obekant som DSI men när respondenterna väl har lärt sig konceptet så har det haft en positiv påverkan på användarupplevelsen och majoritet ansåg den som användbar i kontexten av att söka turistinformation. / A tourist brochure is a familiar product that tourists collect information from. But how do users experience the interaction with an unfamiliar navigation concept we call DSI in the context of seeking tourist information and what impact does DSI have on the user experience (UX)? We conducted a study of ten respondents. The study includes an observation in which the respondents had to interact with the application we created with the navigation concept DSI, and perform a number of tasks. They also performed a number of tasks on a PDF with the same content but with a different structure. Afterwards we performed the method Product Reaction Cards and lastly an interview. We concluded that it takes time to learn something unfamiliar as DSI but when the respondents have learned the concept it turned out to have a positive impact on the user experience and the majority considered it useful in the context of seeking tourist information.

Unbekannte Ziele in öffentlichen Gebäuden zu erreichen, ist ein besonderes Problem für blinde und sehbehinderte Menschen. Es gibt elektronische Hilfsmittel, die dieses Problem lösen, aber meist auf sprachlicher Ausgabe basieren. Die non-verbale Ausgabe der Wegführung hat den Vorteil, dass Informationsübertragung durch kürzere Sinnesreize weniger belasten. Die vorliegende Arbeit präsentiert eine Benutzungsschnittstelle zur Routenführung durch Sonifikation. Es wurde dafür ein Set von akustischen Signalen erarbeitet, die durch Tonhöhenunterschiede und Stereopanorama Richtungen angeben. Die Wahl dieser Parameter wurde durch einen Labortest ermittelt. Es wurde untersucht, welche Informationen für eine erfolgreiche Routenführung notwendig sind. Durch eine einfach gehaltene Funktionsweise mit turn-by-turn Anweisungen und ohne große Anforderungen an akustische Schnittstellen ist die Benutzungsschnittstelle leicht auf bestehende Navigationssysteme übertragbar. In einem Pilottest wurde das Führungskonzept in einer realitätsnahen Umgebung auf seine Gebrauchstauglichkeit hin überprüft.

In response to the unparalleled growth of demand for air traffic during the past few decades, the Federal Aviation Administration (FAA) launched the Next Generation Air Transportation (NextGen) program to restructure the National Airspace System (NAS). Among the research is the focus on direct, wind optimal routing using geodesic routes and flight operations that do not depend solely on ground based navigation aids (NAVAID) and a fixed airspace structure. While technologies, such as the Global Positioning System (GPS), exist to locate an aircraft at higher degrees of resolution with a larger coverage, the way in which this information is conveyed is long and cumbersome. Therefore, new ways to describe the airspace is desired. The thesis presents the results of an experimental investigation into three alternatives to fix/route and GPS methods. The first method is the Navigation Reference System (NRS) using an absolute grid based strategy that has been recently implemented in limited portions of the United States airspace. The second method, the Military Grid Reference System (MGRS), is also a grid based system, and it is used by NATO, but it has not been applied to the air traffic control context. The third alternative is Point Relation Navigation (PRN), which uses a single point of reference within each Air Route Traffic Center (ARTCC) airspace and acts as a hybrid of coordinate and radial fixes. 21 airline dispatchers from a single major U.S air carrier participated in an online assessment of the five methods above through specific tasks. Results indicate that most participants prefer the fix/route system over the others, followed closely by the PRN method. However, there were varying results across all of the methods in terms of speed and accuracy of completing the tasks. This study incites further interest in strategies to describe aircraft routes operating in a more flexible airspace.

L'estimation précise du mouvement 3D d'une caméra relativement à une scène rigideest essentielle pour tous les systèmes de navigation visuels. Aujourd'hui différentstypes de capteurs sont adoptés pour se localiser et naviguer dans des environnementsinconnus : GPS, capteurs de distance, caméras, capteurs magnétiques, centralesinertielles (IMU, Inertial Measurement Unit). Afin d'avoir une estimation robuste, lesmesures de plusieurs capteurs sont fusionnées. Même si le progrès technologiquepermet d'avoir des capteurs de plus en plus précis, et si la communauté de robotiquemobile développe algorithmes de navigation de plus en plus performantes, il y aencore des défis ouverts. De plus, l'intérêt croissant des la communauté de robotiquepour les micro robots et essaim de robots pousse vers l'emploi de capteurs à bas poids,bas coût et vers l'étude d'algorithmes à faible complexité. Dans ce contexte, capteursinertiels et caméras monoculaires, grâce à leurs caractéristiques complémentaires,faible poids, bas coût et utilisation généralisée, représentent une combinaison decapteur intéressante.Cette thèse présente une contribution dans le cadre de la navigation inertielle assistéepar vision et aborde les problèmes de fusion de données et estimation de la pose, envisant des algorithmes à faible complexité appliqués à des micro-véhicules aériens.Pour ce qui concerne l'association de données, une nouvelle méthode pour estimer lemouvement relatif entre deux vues de caméra consécutifs est proposée.Celle-ci ne nécessite l'observation que d'un seul point caractéristique de la scène et laconnaissance des vitesses angulaires fournies par la centrale inertielle, sousl'hypothèse que le mouvement de la caméra appartient localement à un planperpendiculaire à la direction de la gravité. Deux algorithmes très efficaces pouréliminer les fausses associations de données (outliers) sont proposés sur la base decette hypothèse de mouvement.Afin de généraliser l'approche pour des mouvements à six degrés de liberté, deuxpoints caracteristiques et les données gyroscopiques correspondantes sont nécessaires.Dans ce cas, deux algorithmes sont proposés pour éliminer les outliers.Nous montrons que dans le cas d'une caméra monoculaire montée sur un quadrotor,les informations de mouvement fournies par l'IMU peuvent être utilisées pouréliminer de mauvaises estimations.Pour ce qui concerne le problème d'estimation de la pose, cette thèse fournit unesolution analytique pour exprimer la pose du système à partir de l'observation de troispoints caractéristiques naturels dans une seule image, une fois que le roulis et letangage sont obtenus par les données inertielles sous l'hypothèse de terrain plan.Afin d'aborder le problème d'estimation de la pose dans des environnements sombresou manquant de points caractéristiques, un système équipé d'une caméra monoculaire,d'une centrale inertielle et d'un pointeur laser est considéré. Grace à une analysed'observabilité il est démontré que les grandeurs physiques qui peuvent êtredéterminées par l'exploitation des mesures fourni par ce systeme de capteurs pendantun court intervalle de temps sont : la distance entre le système et la surface plane ;la composante de la vitesse du système qui est orthogonale à la surface ; l'orientationrelative du système par rapport à la surface et l'orientation de la surface par rapport àla gravité. Une méthode récursive simple a été proposée pour l'estimation de toutesces quantités observables.Toutes les contributions de cette thèse sont validées par des expérimentations à l'aidedes données réelles et simulées. Grace à leur faible complexité de calcul, lesalgorithmes proposés sont très appropriés pour la mise en oeuvre en temps réel surdes systèmes ayant des ressources de calcul limitées. La suite de capteur considéréeest monté sur un quadrotor, mais les contributions de cette thèse peuvent êtreappliquées à n'importe quel appareil mobile. / Accurate egomotion estimation is of utmost importance for any navigation system.Nowadays di_erent sensors are adopted to localize and navigate in unknownenvironments such as GPS, range sensors, cameras, magnetic field sensors, inertialsensors (IMU). In order to have a robust egomotion estimation, the information ofmultiple sensors is fused. Although the improvements of technology in providingmore accurate sensors, and the efforts of the mobile robotics community in thedevelopment of more performant navigation algorithms, there are still openchallenges. Furthermore, the growing interest of the robotics community in microrobots and swarm of robots pushes towards the employment of low weight, low costsensors and low computational complexity algorithms. In this context inertial sensorsand monocular cameras, thanks to their complementary characteristics, low weight,low cost and widespread use, represent an interesting sensor suite.This dissertation represents a contribution in the framework of vision-aided inertialnavigation and tackles the problems of data association and pose estimation aimingfor low computational complexity algorithms applied to MAVs.For what concerns the data association, a novel method to estimate the relative motionbetween two consecutive camera views is proposed. It only requires the observationof a single feature in the scene and the knowledge of the angular rates from an IMU,under the assumption that the local camera motion lies in a plane perpendicular to thegravity vector. Two very efficient algorithms to remove the outliers of the featurematchingprocess are provided under the abovementioned motion assumption. Inorder to generalize the approach to a 6DoF motion, two feature correspondences andgyroscopic data from IMU measurements are necessary. In this case, two algorithmsare provided to remove wrong data associations in the feature-matching process. Inthe case of a monocular camera mounted on a quadrotor vehicle, motion priors fromIMU are used to discard wrong estimations.For what concerns the pose estimation problem, this thesis provides a closed formsolution which gives the system pose from three natural features observed in a singlecamera image, once the roll and the pitch angles are obtained by the inertialmeasurements under the planar ground assumption.In order to tackle the pose estimation problem in dark or featureless environments, asystem equipped with a monocular camera, inertial sensors and a laser pointer isconsidered. The system moves in the surrounding of a planar surface and the laserpointer produces a laser spot on the abovementioned surface. The laser spot isobserved by the monocular camera and represents the only point feature considered.Through an observability analysis it is demonstrated that the physical quantities whichcan be determined by exploiting the measurements provided by the aforementionedsensor suite during a short time interval are: the distance of the system from the planarsurface; the component of the system speed that is orthogonal to the planar surface;the relative orientation of the system with respect to the planar surface; the orientationof the planar surface with respect to the gravity. A simple recursive method toperform the estimation of all the aforementioned observable quantities is provided.All the contributions of this thesis are validated through experimental results usingboth simulated and real data. Thanks to their low computational complexity, theproposed algorithms are very suitable for real time implementation on systems withlimited on-board computation resources. The considered sensor suite is mounted on aquadrotor vehicle but the contributions of this dissertations can be applied to anymobile device.