Diss. -- Espoo -- Teknillinen korkeakoulu. / Myös verkkojulkaisuna.

Abstract The Earth’s magnetic field (MF) has been used for navigation for centuries. Man-made metallic structures, such as steel reinforcements in buildings, cause local distortions to the Earth’s magnetic field. Up until the recent decade, these distortions have been mostly considered as a source of error in indoor localization, as they interfere with the compass direction. However, as the distortions are temporally stable and spatially distinctive, they provide a unique magnetic landscape that can be used for constructing a map for indoor localization purposes, as noted by recent research in the field. Most approaches rely on manually collecting the magnetic field map, a process that can be both tedious and error-prone. In this thesis, the map is collected by a robotic platform with minimal sensor equipment. It is shown that a mere magnetometer along with odometric information suffices to construct the map via a simultaneous localization and mapping (SLAM) procedure that builds on the Rao-Blackwellized particle filter as means for recursive Bayesian estimation. Furthermore, the maps are shown to achieve decimeter level localization accuracy that combined with the extremely low-cost hardware requirements makes the presented methods very lucrative for domestic robots. In addition, general auxiliary methods for effective sampling and dealing with uncertainties are presented. Although the methods presented here are devised in mobile robotics context, most of them are also applicable to mobile device-based localization, for example, with little modifications. Magnetic field localization offers a promising alternative to WiFi-based methods for achieving GPS-level localization indoors. This is motivated by the rapidly growing indoor location market. / Tiivistelmä Maan magneettikenttään perustuvat kompassit ovat ohjanneet merenkäyntiä vuosisatojen ajan. Rakennusten metallirakenteet aiheuttavat paikallisia häiriöitä tähän magneettikenttään, minkä vuoksi kompasseja on pidetty epäluotettavina sisätiloissa. Vasta viimeisen vuosikymmenen aikana on huomattu, että koska nämä häiriöt ovat ajallisesti pysyviä ja paikallisesti hyvin erottelevia, niistä voidaan muodostaa jokaiselle rakennukselle yksilöllinen häiriöihin perustuva magneettinen kartta, jota voidaan käyttää sisätiloissa paikantamiseen. Suurin osa tämänhetkisistä magneettikarttojen sovelluksista perustuu kartan käsin keräämiseen, mikä on sekä työlästä että tarjoaa mahdollisuuden inhimillisiin virheisiin. Tämä väitöstutkimus tarttuu ongelmaan laittamalla robotin hoitamaan kartoitustyön ja näyttää, että robotti pystyy itsenäisesti keräämään magneettisen kartan hyödyntäen pelkästään magnetometriä ja renkaiden antamia matkalukemia. Ratkaisu perustuu faktoroituun partikkelisuodattimeen (RBPF), joka approksimoi täsmällistä rekursiivista bayesilaista ratkaisua. Robotin keräämien karttojen tarkkuus mahdollistaa paikannuksen n. 10 senttimetrin tarkkuudella. Vähäisten sensori- ja muiden vaatimusten takia menetelmä soveltuu erityisen hyvin koti- ja parvirobotiikkaan, joissa hinta on usein ratkaiseva tekijä. Tutkimuksessa esitellään lisäksi uusia apumenetelmiä tehokkaaseen näytteistykseen ja epävarmuuden hallintaan. Näiden käyttöala ei rajoitu pelkästään magneettipaikannukseen- ja kartoitukseen. Robotiikan sovellusten lisäksi tutkimusta motivoi voimakkaasti kasvava tarve älylaitteissa toimivalle sisätilapaikannukselle. Tämä avaa uusia mahdollisuuksia paikannukselle ympäristöissä, joissa GPS ei perinteisesti toimi.

Abstract There is a broad consensus in the software engineering (SE) research community that understanding system desiderata and design creativity is critical for the success of software projects. This has motivated a plethora of research in SE to improve requirements engineering (RE) processes. However, little research has investigated the relationship between the way desiderata are presented (i.e., framed) and creative design performance. This dissertation, therefore, examines the effects of more formal presentations of desiderata on design creativity. The research was conducted in three phases. The first consisted of summarizing the available literature on cognitive biases in SE to build a comprehensive body of knowledge, understand the current state of research, and identify the relevant literature to position and delineate subsequent investigations involving the framing effect and fixation. This research phase also investigated how creativity is conceptualized (i.e., understood, assessed and improved) in SE by exploring the perceptual differences and similarities between SE researchers and practitioners. In the second phase, two controlled experiments were conducted to investigate the impact of framing desiderata first as requirements (in general) and then as prioritized requirements on design creativity (i.e., the originality and practicality of a design). The third phase involved a protocol study to explore the underlying cognitive mechanisms that may explain why framing desiderata as formal requirements affects creativity. The empirical evidence from the second and third phases was interpreted together to propose a theoretical framework that explains the effect of specification formality on design creativity. While the results of the experiments show that specification formality is negatively related to design creativity (i.e., desiderata framed as requirements or prioritized requirements result in designs that are less creative), the findings from the protocol study indicate that the negative relationship between specification formality and design creativity is mediated by fixation (i.e., more formal presentation of desiderata induces fixation and hinders critical thinking). Overall, the results of this dissertation suggest that more formal and structured presentations of desiderata cause requirements fixation—the tendency to attribute undue confidence and importance to desiderata presented as formal requirements statements—that affects design creativity, and thus undermines software engineering success. / Tiivistelmä Ohjelmistotuotannon tutkijoiden keskuudessa on laaja yksimielisyys järjestelmän tarpeiden ja suunnittelun luovuuden ymmärtämisen kriittisyydestä ohjelmistoprojektien menestyksessä. Tämä on motivoinut monia ohjelmistotuotannon vaatimusmäärittelyprosessien parantamiseen liittyviä tutkimuksia. Harvassa on tarkasteltu tarpeiden esitystavan (eli muotoilun) ja luovan suunnittelun lopputuloksen välistä yhteyttä. Tässä väitöskirjassa tarkastellaan tarpeiden muodollisempien esitystapojen vaikutuksia suunnittelun luovuuteen. Tutkimus oli kolmivaiheinen. Ensin referoitiin ohjelmistotuotannossa kognitiivisiin harhoihin liittyvä kirjallisuus kartoittamaan nykytutkimuksen tila ja merkityksellinen kirjallisuus myöhempien, kehysvaikutuksen ja fiksaation sisältävien tutkimusten sijoittamiseen ja rajaamiseen. Lisäksi tarkasteltiin luovuuden käsitteellistämistä (eli ymmärrettävyyttä, arviointia ja parantamista) tutkimalla katsannollisia eroja ja yhtäläisyyksiä tutkijoiden ja ammattilaisten välillä. Toisessa vaiheessa tehtiin kaksi kontrolloitua koetta tarpeiden muotoilun vaikutuksien tutkimiseksi, ensin vaatimuksina (yleisesti) ja sitten tärkeysjärjestykseen laitettuina vaatimuksina suhteessa suunnittelun luovuuteen (eli omaperäisyyteen ja käytännöllisyyteen). Lopuksi, protokollatutkimuksella selvitettiin taustalla olevia kognitiivisia mekanismeja selittämään syitä muodollisina vaatimuksina esitettyjen tarpeiden vaikutuksista luovuuteen. Toisesta ja kolmannesta vaiheesta saatujen empiiristen aineistojen tulkittiin yhdessä muodostavan teoreettisen viitekehyksen, joka selittää määrittelyn muodollisuuden vaikutusta suunnittelun luovuuteen. Vaikka kokeiden tulokset osoittavat määrittelyjen muodollisuuden vaikuttavan negatiivisesti suunnittelun luovuuteen (eli tarpeiden muotoilu vaatimuksina tai priorisoituina vaatimuksina vähentää suunnitelmien luovuutta), protokollatutkimuksen tulokset viittaavat fiksaation vaikuttavan negatiiviseen yhteyteen määrittelyjen muodollisuuden ja suunnittelun luovuuden välillä (eli tarpeiden muodollisempi esitystapa aiheuttaa fiksaatiota ja vaikeuttaa kriittistä ajattelua). Kaiken kaikkiaan, väitöskirjan tulokset esittävät muodollisempien ja strukturoidumpien tarpeiden esitystapojen aiheuttavan vaatimusten fiksaatiota, taipumusta pitää luottamusta ja tärkeyttä tarpeiden muodollisten vaatimusten ilmaisun ansioina, joka vaikuttaa suunnittelun luovuuteen heikentäen ohjelmistotuotannon menestymisen mahdollisuutta.