The goal of a radio-based precision personnel location system is to determine the position of a mobile user, to within a desired accuracy, based on signals propagated between that user and fixed stations. In emergency response situations such information would assist search and rescue operations and provide improved situational awareness. Fundamentally location estimation is based upon the signal measured at, and the position of, each receiver. In the case of a location system where such receivers are installed on vehicles, such as for fire trucks, no external infrastructure or prior characterization of the area of operations can be assumed and the estimation of the (relative) positions of the receiving stations must be repeated each time the system is deployed at a new site as this results in the geometry of the receiving antennas being changed. This dissertation presents work towards an accurate and automatic method for determination of the geometric configuration of such receiving stations based on sampled frequency data using both a "classical" ranging method and a novel technique based on a singular value decomposition method for multilateralization. We also compare the performance of our approaches to the Cramer- Rao bound for total antenna location error for distance and frequency-data based estimators, and provide experimental performance results for these methods tested in real multipath environments.

Abstract : Images acquired from unmanned aerial vehicles (UAVs) can provide data with unprecedented spatial and temporal resolution for three-dimensional (3D) modeling. Solutions developed for this purpose are mainly operating based on photogrammetry concepts, namely UAV-Photogrammetry Systems (UAV-PS). Such systems are used in applications where both geospatial and visual information of the environment is required. These applications include, but are not limited to, natural resource management such as precision agriculture, military and police-related services such as traffic-law enforcement, precision engineering such as infrastructure inspection, and health services such as epidemic emergency management. UAV-photogrammetry systems can be differentiated based on their spatial characteristics in terms of accuracy and resolution. That is some applications, such as precision engineering, require high-resolution and high-accuracy information of the environment (e.g. 3D modeling with less than one centimeter accuracy and resolution). In other applications, lower levels of accuracy might be sufficient, (e.g. wildlife management needing few decimeters of resolution). However, even in those applications, the specific characteristics of UAV-PSs should be well considered in the steps of both system development and application in order to yield satisfying results. In this regard, this thesis presents a comprehensive review of the applications of unmanned aerial imagery, where the objective was to determine the challenges that remote-sensing applications of UAV systems currently face. This review also allowed recognizing the specific characteristics and requirements of UAV-PSs, which are mostly ignored or not thoroughly assessed in recent studies. Accordingly, the focus of the first part of this thesis is on exploring the methodological and experimental aspects of implementing a UAV-PS. The developed system was extensively evaluated for precise modeling of an open-pit gravel mine and performing volumetric-change measurements. This application was selected for two main reasons. Firstly, this case study provided a challenging environment for 3D modeling, in terms of scale changes, terrain relief variations as well as structure and texture diversities. Secondly, open-pit-mine monitoring demands high levels of accuracy, which justifies our efforts to improve the developed UAV-PS to its maximum capacities. The hardware of the system consisted of an electric-powered helicopter, a high-resolution digital camera, and an inertial navigation system. The software of the system included the in-house programs specifically designed for camera calibration, platform calibration, system integration, onboard data acquisition, flight planning and ground control point (GCP) detection. The detailed features of the system are discussed in the thesis, and solutions are proposed in order to enhance the system and its photogrammetric outputs. The accuracy of the results was evaluated under various mapping conditions, including direct georeferencing and indirect georeferencing with different numbers, distributions and types of ground control points. Additionally, the effects of imaging configuration and network stability on modeling accuracy were assessed. The second part of this thesis concentrates on improving the techniques of sparse and dense reconstruction. The proposed solutions are alternatives to traditional aerial photogrammetry techniques, properly adapted to specific characteristics of unmanned, low-altitude imagery. Firstly, a method was developed for robust sparse matching and epipolar-geometry estimation. The main achievement of this method was its capacity to handle a very high percentage of outliers (errors among corresponding points) with remarkable computational efficiency (compared to the state-of-the-art techniques). Secondly, a block bundle adjustment (BBA) strategy was proposed based on the integration of intrinsic camera calibration parameters as pseudo-observations to Gauss-Helmert model. The principal advantage of this strategy was controlling the adverse effect of unstable imaging networks and noisy image observations on the accuracy of self-calibration. The sparse implementation of this strategy was also performed, which allowed its application to data sets containing a lot of tie points. Finally, the concepts of intrinsic curves were revisited for dense stereo matching. The proposed technique could achieve a high level of accuracy and efficiency by searching only through a small fraction of the whole disparity search space as well as internally handling occlusions and matching ambiguities. These photogrammetric solutions were extensively tested using synthetic data, close-range images and the images acquired from the gravel-pit mine. Achieving absolute 3D mapping accuracy of 11±7 mm illustrated the success of this system for high-precision modeling of the environment. / Résumé : Les images acquises à l’aide d’aéronefs sans pilote (ASP) permettent de produire des données de résolutions spatiales et temporelles uniques pour la modélisation tridimensionnelle (3D). Les solutions développées pour ce secteur d’activité sont principalement basées sur des concepts de photogrammétrie et peuvent être identifiées comme des systèmes photogrammétriques embarqués sur aéronefs sans pilote (SP-ASP). Ils sont utilisés dans plusieurs applications environnementales où l’information géospatiale et visuelle est essentielle. Ces applications incluent notamment la gestion des ressources naturelles (ex. : agriculture de précision), la sécurité publique et militaire (ex. : gestion du trafic), les services d’ingénierie (ex. : inspection de bâtiments) et les services de santé publique (ex. : épidémiologie et gestion des risques). Les SP-ASP peuvent être subdivisés en catégories selon les besoins en termes de précision et de résolution. En effet, dans certains cas, tel qu’en ingénierie, l’information sur l’environnement doit être de haute précision et de haute résolution (ex. : modélisation 3D avec une précision et une résolution inférieure à un centimètre). Pour d’autres applications, tel qu’en gestion de la faune sauvage, des niveaux de précision et de résolution moindres peut être suffisants (ex. : résolution de l’ordre de quelques décimètres). Cependant, même dans ce type d’applications les caractéristiques des SP-ASP devraient être prises en considération dans le développement des systèmes et dans leur utilisation, et ce, pour atteindre les résultats visés. À cet égard, cette thèse présente une revue exhaustive des applications de l’imagerie aérienne acquise par ASP et de déterminer les challenges les plus courants. Cette étude a également permis d’établir les caractéristiques et exigences spécifiques des SP-ASP qui sont généralement ignorées ou partiellement discutées dans les études récentes. En conséquence, la première partie de cette thèse traite des aspects méthodologiques et d’expérimentation de la mise en place d’un SP-ASP. Le système développé a été évalué pour la modélisation précise d’une gravière et utilisé pour réaliser des mesures de changement volumétrique. Cette application a été retenue pour deux raisons principales. Premièrement, ce type de milieu fournit un environnement difficile pour la modélisation, et ce, en termes de changement d’échelle, de changement de relief du terrain ainsi que la grande diversité de structures et de textures. Deuxièment, le suivi de mines à ciel ouvert exige un niveau de précision élevé, ce qui justifie les efforts déployés pour mettre au point un SP-ASP de haute précision. Les composantes matérielles du système consistent en un ASP à propulsion électrique de type hélicoptère, d’une caméra numérique à haute résolution ainsi qu’une station inertielle. La composante logicielle est composée de plusieurs programmes développés particulièrement pour calibrer la caméra et la plateforme, intégrer les systèmes, enregistrer les données, planifier les paramètres de vol et détecter automatiquement les points de contrôle au sol. Les détails complets du système sont abordés dans la thèse et des solutions sont proposées afin d’améliorer le système et la qualité des données photogrammétriques produites. La précision des résultats a été évaluée sous diverses conditions de cartographie, incluant le géoréférencement direct et indirect avec un nombre, une répartition et des types de points de contrôle variés. De plus, les effets de la configuration des images et la stabilité du réseau sur la précision de la modélisation ont été évalués. La deuxième partie de la thèse porte sur l’amélioration des techniques de reconstruction éparse et dense. Les solutions proposées sont des alternatives aux techniques de photogrammétrie aérienne traditionnelle et adaptée aux caractéristiques particulières de l’imagerie acquise à basse altitude par ASP. Tout d’abord, une méthode robuste de correspondance éparse et d’estimation de la géométrie épipolaire a été développée. L’élément clé de cette méthode est sa capacité à gérer le pourcentage très élevé des valeurs aberrantes (erreurs entre les points correspondants) avec une efficacité de calcul remarquable en comparaison avec les techniques usuelles. Ensuite, une stratégie d’ajustement de bloc basée sur l’intégration de pseudoobservations du modèle Gauss-Helmert a été proposée. Le principal avantage de cette stratégie consistait à contrôler les effets négatifs du réseau d’images instable et des images bruitées sur la précision de l’autocalibration. Une implémentation éparse de cette stratégie a aussi été réalisée, ce qui a permis de traiter des jeux de données contenant des millions de points de liaison. Finalement, les concepts de courbes intrinsèques ont été revisités pour l’appariement stéréo dense. La technique proposée pourrait atteindre un haut niveau de précision et d’efficacité en recherchant uniquement dans une petite portion de l’espace de recherche des disparités ainsi qu’en traitant les occlusions et les ambigüités d’appariement. Ces solutions photogrammétriques ont été largement testées à l’aide de données synthétiques, d’images à courte portée ainsi que celles acquises sur le site de la gravière. Le système a démontré sa capacité a modélisation dense de l’environnement avec une très haute exactitude en atteignant une précision 3D absolue de l’ordre de 11±7 mm.

Un problème toujours d'actualité est la reconstruction automatique de la surface d'une scène à partir du flot d'images prises par une caméra en mouvement. Il se résout en général en deux étapes : le calcul de la géométrie où les poses de la caméra et un nuage épars de points 3D de la scène sont simultanément estimés, et un calcul de stéréo dense qui permet d'obtenir une surface en estimant la profondeur de tous les pixels. L' approche que nous proposons se distingue des précédentes en cumulant les caractéristiques suivantes. La surface est une 2-variété, ce qui est utile pour les traitements ou utilisations ultérieurs. Elle est calculée directement à partir du nuage épars donné par la première étape, afin d'éviter la seconde étape coûteuse et pour obtenir une modélisation compacte d'une scène complexe. Le calcul est incrémental afin d'avoir un résultat pendant la lecture de la vidéo. Le principe est le suivant. A chaque itération, de nouveaux points 3D sont estimés et insérés dans une triangulation de Delaunay 3D. Celle-ci partitionne l'espace en tétraèdres vides et pleins grâce à l'information de visibilité également fournie par la première étape. On met aussi à jour une seconde partition en tétraèdres intérieurs et extérieurs dont le bord est la 2-variété recherchée. Sous certaines hypothèses, et contrairement à la seule méthode précédente ayant les même propriétés et hypothèses, la complexité d'une itération est bornée. Notre méthode a été expérimentée sur des séquences synthétiques et réelles, dont une séquence longue de 2;5 km prise en milieu urbain avec une caméra omnidirectionnelle. La qualité du résultat est proche de celle obtenue par la méthode globale (non incrémentale) qui a servi d'inspiration, mais le temps de calcul ne permet pas actuellement une utilisation en-ligne sur un PC standard. On a aussi étudié l'intérêt d'ajouter des contours dans le processus de reconstruction. / The automatic reconstruction of a scene surface from images taken by a moving camera is still an active research topic. This problem is usually solved in two steps : first estimate the camera poses and a sparse cloud of 3D points using Structure-from-Motion, then apply dense stereo to obtain the surface by estimating the depth for all pixels. Compared to the previous approaches, ours accumulates the following properties. The output surface is a 2-manifold, which is useful for applications and postprocessing. It is computed directly from the sparse point cloud provided by the first step, so as to avoid the second and time consuming step and to obtain a compact model of a complex scene. The computation is incremental to allow access to intermediary results during the processing. The principle is the following. At each iteration, new 3D points are estimated and added to a 3D Delaunay triangulation; the tetrahedra are labeled as free-space or matter thanks to the visibility information provided by the first step. We also update a second partition of outside and inside tetrahedra whose boundary is the target 2-manifold. Under some assumptions, the time complexity of one iteration is bounded (there is only one previous method with the same properties, but its complexity is greater than that). Our method is experimented on synthetic and real sequences, including a 2:5 km. long urban sequence taken by an omnidirectional camera. The surface quality is similar to that of the batch method which inspired us. However, the computations are not yet real-time on a commodity PC. We also study the use of contours in thereconstruction process.

Our society moves towards digitalization and the industry is not an exception. Siemenshas developed a wireless condition monitoring device called Simotics Connect in order tohelp them to move forward in the world of digitalization. The Simotics Connect has threeinbuilt sensors. One for temperature, one for vibrations and one for magnetic flux density,a product that is new in the market. This master thesis has investigated its usability forthird party motors, which has not been done.Four areas were investigated, the status in the current market, creating a motorgeometry estimation based on nameplate data, presenting a temperature model to calculatea motor’s cross section temperature and, finally, proposed a stator current model using themagnetic field measurement.Market research has shown that a space for the Simotics Connect to thrive in mostdefinitely exists.The motor geometry estimation, that is based on preliminary electromagnetic sizing,creates a digital twin for the motor that has sufficient accuracy as a tool when calculatinge.g. temperature calculations but lacks accuracy for more advanced and sensitivecalculations e.g for magnetic flux density measurement usability.The temperature model that is presented shows great accuracy when calculating thecross section temperature in the stator but the accuracy decreases for the cross sectiontemperature in the rotor.A stator current model is proposed using a proportional relationship between themagnetic flux density and stator current. The results indicates a linear relationship, thoughusing the digital twin to calculate the proportional constant were concluded to not beaccurate enough. / Sammhället rör sig idag mot digitalisering och industrin är ej ett undantag. Siemens harutvecklat en trådlös underhållsmätare kallad Simotics Connect för att hjälpa dem strävamot en värld inom digitalisering. Simotics Connect hat tre inbyggda sensorer. En för temperatur,en för vibrationer och en för magnetisk flödestäthet, vilket är nytt på marknaden.Detta masterprojekt har undersökt användningen av Simotics Connect för tredjepartsmotorer,vilket ej har gjorts tidigare.Fyra områden undersöktes, statusen på den nuvarande marknaden, en motorgeometriuppskattningmodellbaserad på namnskylsdata, en temperaturmodell för att beräknamotorns tvärsnittstemperatur och, slutligen, en statorströmmodell som använder sig avmagnetiska flödestäthetsmätningen.Marknadsundersökningen har visat att det finns ett utrymme för Simotics Connectatt blomstra inom på den nuvarande marknaden.Motorns geometriska uppskattning, som är baserad i preliminär elektromagnetiskgeometribestämning, skapar en digital tvilling av motorn som är tillräckligt noggrann föratt aggera som ett verktyg vid t.ex. temperatursberäkningar men saknar noggrannhet förmer avancerade och känsliga beräkningar, t ex för användbarhet inom magnetisk flödestäthetsberäkningar.Temperaturmodellen som presenteras visar stor noggrannhet vid beräkning av statornstvärsnittstemperatur, men noggrannheten minskar för rotorns tvärsnittstemperatur.En statorströmmodell föreslås med ett proportionellt förhållande mellan magnetflödesdensitetenoch statorströmmen. Resultaten indikerar ett linjärt förhållande, men användandetav den digitala tvillingen för att beräkna proportionell konstant konstateras attinte vara tillräckligt noggrann metod.