Embedded Systems Lab at Umeå University is currently part of a research project with the purpose to examine the behavior of dairy cows inside a barn. Each cow needs to be tracked with a precision of 50 cm, and since GPS-technique has poor functionality at indoor environments, an indoor positioning system needs to be developed. Embedded Systems Lab has already developed an indoor positioning system using IR-light and radio, but since this system demands extensive infrastructure and is rather expensive, an alternate positioning system using ultrasonic pulses and radio is being examined. In this report the range, beam angle and current consumption of ultrasonic transmitters- and receivers are investigated. Three different driver stages for the transmitter is tested, and two amplifier solutions for the receiver. The report also describes how the length of the transmitted ultrasonic pulse affects the received signal, accessibility of a “shadowed” signal, and the effect of different sound frequency. / Embedded Systems Lab vid Umeå universitet är involverade i ett forskningsprojekt där syftet är att undersöka kors beteende då de utfordras inne i ett stall. Varje ko behöver kunna positions-bestämmas med en noggrannhet på ca 50 cm, och eftersom GPS-teknik inte fungerar tillfreds-ställande i inomhusmiljöer behöver ett ”inomhus positioneringssystem” utvecklas. Embedded Systems Lab har tagit fram ett system som använder IR-ljus och radio för att bestämma positionen för en ”rörlig enhet” i ett rum, men systemet kräver omfattande infrastruktur och är dessutom dyrt, varför ett alternativt system som använder ultraljud och radio utreds. I detta examensarbete undersöks ultraljudssändares- och mottagares räckvidd, strålningsvinkel och strömförbrukning som en förstudie inför utvecklingen av ett inomhus positioneringssystem med ultraljud. Tre olika typer av drivsteg för sändaren har testats och olika förstärkning på mottagaren. I rapporten beskrivs även effekten av antalet utsända ultraljudscykler, påverkan av ”skuggning” av ultraljudssignalen samt skillnader mellan olika frekvenser på ultraljudet.

There is a high demand for Indoor Positioning Systems (IPS) due to the wide application possibilities. The main issue for localization by wireless signals in an indoor environment is the multipath propagation problem. Multipath propagation occurs when signals reflects and refract from an object, changing the signals characteristics. Today there is no IPS that can balance the cost, accuracy, and complexity. In January 2019 Bluetooth released a new standard, Bluetooth Low Energy (BLE) 5.1, which enables the ability to measure the Angle of Arrival (AoA) of an incoming signal. The purpose of this thesis is to mitigate the disturbances caused by multipath propagation by conducting a case study. This was done by designing systems that combine different positioning techniques with sensor fusion and evaluating them based on power efficiency, execution time and precision. Two wireless localization techniques were evaluated, trilateration and triangulation, which are based on Received Signal Strength Indication (RSSI) and AoA respectively, along with an Inertial Measurement Unit (IMU). An Extended Kalman Filter EKF was used to fuse the sensor data. The system with the best overall performance uses the AoA signals and a multipath mitigation technique. The system with AoA and IMU had a similar performance but has an overall higher complexity due to the added IMU component. The RSSI system could not satisfy the requirement of precision. / Det finns en stor efterfrågan på inomhus positionssystem (IPS) tack vare de många möjliga tillämpningarna. Det största problemet för inomhuslokalisering med trådlösa signaler i inomhusmiljö är flervägsutbredningsproblemet. Felvägsutbredning inträffar när signaler reflekterar och bryts på ett objekt, och ändrar dess karaktär. Idag finns det inga IPS som kan balansera kostnaden, noggrannhetoch komplexitet. I januari 2019, släppte Bluetooth en ny standard, Bluetooth Low Energy (BLE) 5.1, som gör det möjligt att mäta ankomstvinkeln (AoA) för en inkommande signal. Syftet med denna avhandling är att minska störningarna orsakade av flervägsutbredning genom att utföra en fallstudie. Detta gjordes genom att designa system som kombinerar olika positioneringstekniker med sensor fusion och utvärdera dessa med avseende på energieffektivitet, exekveringstid och precision. Två trådlösa lokaliseringstekniker utvärderades, trilaterering och triangulering, som är baserade på mottagen signalstyrka indikation RSSI och AoA respektive, tillsammans med en tröghetssensor (IMU). Ett Utökat Kalman-Filter (EKF) användes för att kombinera data. Systemet med den överlag bästa prestandan använder AoA-signaler och en teknik för att dämpa flervägsutredningen. Systemet med AoA och IMU hade liknande prestanda men den totala komplexiteten ökade med att lägga till en IMU komponent. RSSI systemet var inte tillräckligt tillfredsställande med avseende på precisionskraven.