Cooperative Localization Using Commercial Mobile Devices: Real-World Evaluation of UWB, Inertial Sensing, and Event-Triggered Communication
Authors
Brenet, Daniel ; Villadsen, Benjamin Michael ; Koustrup-Müller, Thor Christian
Term
4. term
Education
Publication year
2026
Submitted on
2026-06-12
Abstract
This thesis explores how to track the movement of multiple smartphones without using fixed infrastructure or GPS. It addresses a practical version of ad-hoc localization, where devices must figure out their positions relative to one another on their own. Earlier work in the IMU-Controlled Ultra-Wideband Mesh (I.U.M.) project studied similar methods in computer simulations. This thesis takes the same class of problem into the real world by using five off-the-shelf Apple smartphones. The solution relies on UltraWideband (UWB) distance measurements, Bluetooth communication, motion sensors, and barometric altitude, but under several real-world constraints: Apple’s Nearby Interaction updates are asynchronous, UWB scheduling can only be influenced to a limited degree, Bluetooth bandwidth is constrained, motion sensors drift over time, and information about peers can become outdated. The system is decentralized, meaning there is no central server. Each phone uses Core Bluetooth, Nearby Interaction, Core Motion, and relative barometric altitude to build its own map of the other devices. Phones exchange special discovery tokens and tracking data over a custom Bluetooth Low Energy protocol. They combine both direct and relayed information into local measurement graphs and then solve these graphs to estimate relative positions. To perform these estimates, the system uses several types of information: scalar distance measurements, short motion sequences, motion-derived changes in distance, and a coarse representation of vertical position (altitude). The main contributions of the thesis are: (1) a physical iOS implementation of this kind of ad-hoc localization, (2) a decentralized design for sharing evidence and performing active ranging, and (3) an empirical evaluation of static layout accuracy, recovery after movement and changes in network topology, communication overhead, and handling of vertical displacement in a five-device smartphone testbed.
Denne afhandling handler om, hvordan man kan følge bevægelsen af flere smartphones uden at bruge faste basestationer eller GPS. Problemet er en praktisk udgave af såkaldt ad-hoc lokalisering, hvor enhederne selv skal finde ud af, hvor de er i forhold til hinanden. Tidligere arbejde i IMU-Controlled Ultra-Wideband Mesh (I.U.M.)-projektet undersøgte lignende metoder i computersimulation. I denne afhandling flyttes problemet ud i den virkelige verden ved at bruge fem almindelige Apple-smartphones. Løsningen udnytter UltraWideband (UWB) afstandsmålinger, Bluetooth-kommunikation, bevægelsessensorer og barometrisk højde, men med flere praktiske begrænsninger: opdateringer fra Apples Nearby Interaction kommer uregelmæssigt, UWB-tidsplanen kan kun styres delvist, Bluetooth har begrænset kapacitet, bevægelsessensorerne driver over tid, og information om andre enheder kan blive forældet. Systemet er decentraliseret, hvilket betyder, at der ikke er en central server. Hver telefon bruger Core Bluetooth, Nearby Interaction, Core Motion og relativ barometrisk højde til at opbygge sit eget kort over de andre enheder. Telefonerne udveksler specielle „discovery tokens” og målinger gennem en skræddersyet Bluetooth Low Energy-protokol. De samler både direkte og videresendt information i lokale målegrafer og beregner derefter de relative positioner. Til beregningerne bruger systemet flere typer information: rene afstandsmålinger (skalar-afstande), korte bevægelsessekvenser, ændringer i afstand udledt af bevægelse samt en grov vurdering af forskelle i højde. Afhandlingens hovedbidrag er: (1) en fysisk iOS-implementering af denne form for ad-hoc lokalisering, (2) et design for decentral deling af målinger og aktiv måling (active ranging), og (3) en praktisk undersøgelse af, hvor præcist systemet kan fastlægge en statisk opstilling, hvordan det genfinder sig efter bevægelser og ændringer i netværkets struktur, hvor meget kommunikation der kræves, og hvordan højde- og etageforskelle håndteres i et testopstilling med fem smartphones.
[This abstract has been rewritten with the help of AI based on the project's original abstract]