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.

Light comprises our visual perception that lets us experience and understand our surroundings. By studying how light affects us, our physical and emotional experience, the knowledge can be used as a tool within performing arts. The interaction between physical elements, the director, choreographer, and the performer on stage encompasses the final result. As a part, more consideration should be given to how us humans integrate, navigate and get affected by light. Regardless of the environment or conditions, light always has a natural position as an influential factor. The fact that light with its qualities could work aesthetically and functionally as a guiding feature is something that could be considered to work interdisciplinary. I.e. used in the composition of the stage narrative, or in the design of urban environments. In this study, thirteen professional dancers are seen in a lighting laboratory in three different lighting scenes. The experiment aims to see how different light scenes affect movement, as well as create an understanding of what establishes the ruling behaviour. To examine these factors, a positioning system is used, as well as half structured interviews. The results show that light and the shifting of light affects the performer on stage in a way that influences the movements and inspires the exploration of given space. The overall results show that a pattern can be found to present how the participants move in the room and the differences between how the room is utilised depending on the particular lighting scenes. The positioning system discovered that the light leads the improvised dance to a great degree and these findings were later confirmed by the interviews. What the dancers visually perceive influences how they interpret the given space which, furthermore, influences their movement.

RoboRally is a board game where the goal is to drive a small robot from a start position to a goal across a dynamic board with different types of obstacles. The robots in this game aren’t real robots, they are small plastic figures which are moved by hand during the game. Our vision is to research a solution for implementing the game with real robots. In order to do this, precise positioning is key. The purpose of this project was therefore to create a local positioning system that allows a robot to find its position in a defined space and change it on a user command with good precision. The built positioning system is based on the time of flight technique using infrared light and ultrasound. The system uses two transmitters and one receiver to calculate two planar distances which can be converted to a coordinate within the board. To assess the system performance in a RoboRally application a small robot was built and multiple tests conducted. The first result was that a one-dimensional distance calculation using the time of flight technique achieved a mean error of 3,2 mm for distances shorter than 1 m. The next result was that the positioning system achieved a 90 x 70 cm rectangle field of view with an accuracy between 1 and 6 cm within this area. The last result was that the robot was able to move a specified distance with a precision of  ± 1 mm and then verify its position successfully at a rate of 97 %. The final conclusion of the project is that the positioning system is accurate enough for a RoboRally application but needs improvements on its field of view. / RoboRally är ett brädspel som går ut på att köra en robot från en startpunkt till ett mål över en dynamisk spelplan med olika typer av hinder. Robotarna i detta spel är inte riktiga robotar, det är små figurer av plast som flyttas för hand under spelets gång. Vårt mål är att undersöka en lösning för att implementera spelet med riktiga robotar. För att lyckas med detta så är det viktigt med noggrann positionering. Syftet med detta projekt var att skapa ett positioneringssystem som gör att en robot kan hitta sin egen position inom en yta och ändra den på kommando med god precision. Positioneringssystemet som tagits fram är baserat på time of flight teknik med hjälp av infrarött ljus och ultraljud. Systemet använder två sändare och en mottagare för att räkna ut två avstånd som sedan kan omvandlas till en koordinat på spelplanen. För att bedömma systemets prestanda i RoboRally sammanhang så har en liten robot byggts och flera tester utförts. Det första resultatet är att en endimensionell av-ståndsberäkning med time of flight tekniken kunde uppnå ett medelfel på 3,2 mm för avstånd kortare än 1 m. Nästa resultat var att positionssystemet uppnådde ett 90 x 70 cm rektangulärt synfält med en noggrannhet mellan 1 och 6 cm inom detta område. Det sista resultatet var att roboten kan förflytta sig en bestämd sträcka med en noggrannhet p°a ± 1 mm och sedan verifiera sin position korrekt 97 % av försöken. Projektets slutsats är att positionssystemet har tillräckligt bra noggrannhet för att kunna användas för RoboRally men att det behöver förbättrat synfält.

RoboRally is a board game where the goal is to drive a smallrobot from a start position to a goal across a dynamic boardwith different types of obstacles. The robots in this gamearen’t real robots, they are small plastic figures which aremoved by hand during the game. Our vision is to researcha solution for implementing the game with real robots. Inorder to do this, precise positioning is key. The purposeof this project was therefore to create a local positioningsystem that allows a robot to find its position in a definedspace and change it on a user command with good precision.The built positioning system is based on the time offlight technique using infrared light and ultrasound. Thesystem uses two transmitters and one receiver to calculatetwo planar distances which can be converted to a coordinatewithin the board.To assess the system performance in a RoboRally applicationa small robot was built and multiple tests conducted.The first result was that a one-dimensional distancecalculation using the time of flight technique achieveda mean error of 3,2 mm for distances shorter than 1 m. Thenext result was that the positioning system achieved a 90x 70 cm rectangle field of view with an accuracy between1 and 6 cm within this area. The last result was that therobot was able to move a specified distance with a precisionof ± 1 mm and then verify its position successfully at a rateof 97 %.The final conclusion of the project is that the positioningsystem is accurate enough for a RoboRally applicationbut needs improvements on its field of view. / RoboRally är ett brädspel som går ut på att köra en robot från en startpunkt till ett mål över en dynamisk spelplan med olika typer av hinder. Robotarna i detta spel är inte riktiga robotar, det är små figurer av plast som flyttas för hand under spelets gång. Vårt mål är att undersöka en lösning för att implementera spelet med riktiga robotar. För att lyckas med detta så är det viktigt med noggrann positionering. Syftet med detta projekt var att skapa ett positioneringssystem som gör att en robot kan hitta sin egen position inom en yta och ändra den på kommando med god precision. Positioneringssystemet som tagits fram är baserat på time of flight teknik med hjälp av infrarött ljus och ultraljud. Systemet använder två sändare och en mottagare för att räkna ut två avstånd som sedan kan omvandlas till en koordinat på spelplanen. För att bedömma systemets prestanda i RoboRally sammanhang så har en liten robot byggts och flera tester utförts. Det första resultatet är att en endimensionell avståndsberäkning med time of flight tekniken kunde uppnå ett medelfel på 3,2 mm för avstånd kortare än 1 m. Nästa resultat var att positionssystemet uppnådde ett 90 x 70 cm rektangulärt synfält med en noggrannhet mellan 1 och 6 cm inom detta område. Det sista resultatet var att roboten kan förflytta sig en bestämd sträcka med en noggrannhet på ± 1 mm och sedan verifiera sin position korrekt 97 % avförsöken. Projektets slutsats är att positionssystemet har tillräckligtbra noggrannhet för att kunna användas för RoboRally men att det behöver förbättrat synfält.

Autonomous vehicles rely on perceiving the environment using on-board sensor. These sensors have inherent limitations in terms of their effective range and risk occlusion due to their placement in the environment. These constraints limit the operational design domain of autonomous vehicles due to reliability and safety concerns. This report aims to show how an off-board sensor can be used as a complement to a vehicles on-board sensors. The goal of this sensor complement is to achieve an extension of the vehicle’s operational design domain and to relax constraints on the on-board sensors. Off-board sensors are less constrained in terms of sensor placement and allow for a more optimized location to perceive the environment. An autonomous vehicle is implemented and limitations in terms of sensing range and reliability is analyzed. An off-board camera based positioning system is also implemented and tested together with the autonomous vehicle in order to explore how an extension of the sensing range can be achieved. The extension of the operational design domain is tested by implementing a lane merge scenario which utilize both on and off-board sensor information. The lane merge scenario is also tested using different types of radio communication, namely 4G hotspot, 5G and wifi. The results of the lane merge scenario indicate that it is possible to achieve a range extension using an off-board sensor and thereby allow for a possible extension of the operational design domain of the autonomous vehicle. Although a range extension is possible, sending off-board sensor data over wireless radio raises questions on how applicable the solution is considering safety requirements in the automotive industry. / Autonoma fordon förlitar sig på att kunna uppfatta omgivningen med hjälp av sensorer ombord på fordonet. Dessa sensorer har begränsningar vid vilka avstånd de är tillförlitliga samt riskerar att bli ockluderade på grund av hur sensorn är placerad på fordonet. Dessa begränsningar försvårar fordonets användningsområde till följd av tillförlitlighet och säkerhetsaspekter. Denna rapport försöker visa hur en extern sensor kan användas för att komplettera sensorer ombord ett fordon. Målet med detta komplement är att åstadkomma en utökning av fordonets användningsområde samt minimera begränsningarna av fordonets förmåga att uppfatta omgivningen. Externa sensorer kan placeras med större frihet vilket möjliggör en mer optimal placering för att maximera förmågan att iaktta trafiken. Ett autonomt fordon implementeras och dess begränsningar i form av sensorkänslighet och pålitlighet analyseras. Ett externt kamera-baserat positioneringssystem är också utvecklat och testat tillsammans med det autonoma fordonet för att undersöka hur en utökning av användningsområdet kan genomföras. Utökningen av fordonets användningsområde testas genom att genomföra ett scenario där det autonoma fordonet ska dela körfält med en annan trafikant. I detta scenario används både sensorer ombord på det autonoma fordonet samt externa sensorer. Sensorinformationen delas genom olika typer av radiokommunikation, såsom, 4G hotspot, 5G och wifi för att se om nätverksfördröjningen har påverkan på resultaten. Resultatet tyder på att det är möjligt att uppfylla en utökning av det autonoma fordonets användningsområde genom att använda en extern sensor som utökar perceptionen av omgivningen. En utökning av användningsområdet är möjlig men väcker frågor om huruvida trådlös kommunikation kan uppfylla de krav och säkerhetsregulationer som finns inom bilindustrin.

På Kalmar Länssjukhus har det varit problematiskt att lokalisera rullstolar på sjukhusets område. För att underlätta den dagliga verksamheten kring dessa rullstolar har sensorer uppkopplade till LoRaWAN varit en möjlig lösning. Detta projekt har därför undersökt om LoRaWAN tillsammans med ett positioneringssystem uppfyller kriterierna för att vara en lämplig lösning.  De parametrar som undersökts var noggrannheten för geografisk positionsbestämning av en sensor, signalstyrkan och väntetiden för signalöverföringen. För att mäta de önskade parametrarna användes sensorer kopplade till spårningssystemet Traxmate. Sensorns geografiska position beräknades i Traxmate genom trilateration där MAC – adresser hos närliggande Wi – Fi accesspunkter utnyttjades. Spårningssystemet kunde därmed hämta rådata från sensorerna som därefter sammanställdes i MATLAB. Resultatet visade att LoRaWAN i sig kan vara lämpligt i en sjukhusmiljö. Däremot finns det brister i positioneringssystemet som bör vidareutvecklas för att kunna rekommenderas till ett sjukhus. / Kalmar Länssjukhus has been experiencing difficulties with localization of wheelchairs in the hospital area. In order to facilitate the work of the staff who are searching for the wheelchairs, sensors connected to the LoRaWAN wireless network can be used. Thus, this project has evaluated LoRaWAN together with a positioning system to determine whether the solution is suitable for a hospital environment.  The evaluated parameters where the accuracy of geographical position determination of a sensor, the received signal strength indicator, and the delayed time for the transmission of a signal. Sensors connected to the Traxmate tracking system were used to measure the desired parameters. The sensor’s geographical position was calculated in Traxmate by trilateration where MAC – addresses of nearby Wi – Fi access points were used. The tracking system was thus able to retrieve raw data from the sensors which were then compiled in MATLAB. The results showed that the wireless network structure LoRaWAN satisfied the criteria for usage in a hospital environment. However, the positioning system showed some flaws and thus it should be further investigated in order to be recommended for usage in a hospital environment.

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.

Positioneringssystem har en vital roll när det gäller att kontrollera säkra tågrörelser. Det finnsmånga olika typer av positioneringssystem. Det här arbetet behandlar hur axelräknare, communications-based train control (CBTC) och olika typer av spårledningar fungerar. Det innehåller ocksåen analys av växelströmsspårledningar och axelräknare med RAMS-parametrar (Reliability, Availability,Maintenance and Safety) som utgångspunkt för att dra slutsats om vilken typ som passar bästför Trafikförvaltningens spårburna banor. Genom intervjuer med erfarna personer inom järnvägsbranscheni Stockholm erhölls kunskap om för- och nackdelar med olika system. En felträdsanalys(FTA) utfördes för axelräknare och spårledningar för att åskådliggöra potentiellt farliga situationer.Felstatistik för två järnvägsbanor togs fram för att visa felfrekvens för en bana med axelräknare ochen bana med spårledningar. Resultatet är inte entydigt men visar ändå att axelräknare undvikerfelkällor som finns hos spårledningar. Det som tydligast kommit fram var att förvaltningen behöverstandardisera till färre typer av system för de olika banorna. Det skulle underlätta vid förvärvandetav personal med rätt kompetens som ska utföra underhåll. Det skulle också göra det lättare att säkerställatillgången till ersättningsprodukter. / Positioning systems have a vital role in securing safe movement of trains. There are many differenttypes of positioning systems. This thesis is about how axle counters, communications-based traincontrol (CBTC) and different kinds of track circuits operate. It also contains an analysis of AC-trackcircuits and axle counters with RAMS-parameters (Reliability, Availability, Maintenance and Safety)as guide points to make a conclusion of what type of system that best suits for Stockholm PublicTransports railway tracks. Through interviews with experienced persons within the railway industryin Stockholm knowledge of pros and cons of different systems was obtained. A fault tree analyses(FTA) was made for axle counters and track circuits to visualize potentially hazardous situations.Failure statistics were produced to show failure frequency for one track with axle counters and onetrack with track circuits. A clear result was not shown but it can be concluded that sources of failurethat are prone to track circuit systems can be avoided using axle counters. What became evident isthat the management need to standardize to a fewer amount of different positioning systems. Itwould make it easier to find available personnel with the required skills for doing maintenance. Thiswould also have a benefit when securing maintenance supplies.

Autonomous vehicles perceive their environment based on several sensors that are onboard the vehicle. These sensors constantly monitor the vehicle’s movement as well as the environment. There is a wide variety of sensors that can be utilized based on the type of data it provides, accuracy and cost. While not all of them are required, some combination of sensors is required to have a functional and reliable autonomous vehicle. For a robust autonomous vehicle, typically, the sensor quality and accuracy need to be high. Having high-quality sensors drives up the procurement costs and computational requirements, which in turn increases the vehicle cost for manufacturers and customers alike. One way to reduce costs is to limit the number of sensors. However, this also limits the vehicle’s sensing capability and range. A vehicle’s sensing capability and range can be improved with the use of off-board sensors, such as an external camera, placed strategically at crucial points on the road, such as in intersections. These off-board sensors can be connected to an autonomous vehicle over the internet using low-latency communication technologies such as 5G. The problem that this work tried to tackle was how to improve the reliability of an autonomous vehicle while limiting the need for many expensive sensors. It aims to show how a camera placed off-board can be used to complement one or more vehicles’ onboard sensors and achieve an extension of the vehicle’s operational design domain, while relaxing constraints on the onboard sensors. This was investigated by building a physical prototype using a 1/5th scaled car with a Lidar and an Inertial Measurement Unit and extending its sensing capability and range with the use of a camera based off-board sensor. The car was robust enough to navigate and make driving decisions. This also meant that the costs of procuring the hardware needed can be reduced. The minimum distance for a lane merging scenario was first derived mathematically and then compared to experimental data. The experimental findings were consistent with the mathematical model within an 11 percent margin of error. / Autonoma fordon uppfattar dess omgivning baserat på flera sensorer som är ombord fordonet. Dessa sensorer mäter konstant fordonets rörelse och omgivning. Ther finns en stor variation av sensorer som kan användas baserat på vad för typ av data som mäts, dess precision och kostnad. Alla sensorer är inte nödvändiga men någon kombination av sensorer krävs för att ha ett funktionellt och tillförlitligt autonomt fordon. För ett robust autonomt fordon brukar sensorers kvalite och precision vara hög. Att använda sig av hög kvalité på sensorer driver upp anskaffningsvärde samt höjer mängden datorberäkningar. Detta i sin tur höjer kostnaden för biltillverkare och kunder. Ett sätt att minska kostnaden är att minska antalet sensorer. Dock så minskar detta även fordonets möjlighet till att uppfatta omgivningen samt sensorers utsträckning. Ett fordons uppfattnings kapabilitet och utsträckning kan förbättras genom att använda sig av externa sensorer, såsom en extern kamera placerad vid en strategisk position i trafiken, såsom i en korsning. Dessa externa sensorer kan vara uppkopplade till ett autonomt fordon över internet genom att använda sig av kommunikations teknologier med låg latens såsom 5G. Det problem som adresseras i detta arbete är hur man kan förbättra pålitligheten för ett autonomt fordon när antalet dyra sensorer är begränsat. Målet är att påvisa hur en extern sensor, i form av en kamera, kan användas som ett komplement till en eller flera sensorer ombord fordonet och därmed förlänga fordonets användningsområde medans kraven på fordonets sensorer blir mindre. Detta undersöktes genom att bygga en fysisk prototyp med en skala på 1 till 5 för en bil. Denna bil hade Lidar och en tröghetssensor och den kamerabaserade externa sensorn förlänger fordonets uppfattning av omgivningen. Bilen var robust nog för att kunna navigera och göra körningsbeslut. Detta betydde att anskaffningsvärdet för nödvändig hårdvara var lägre. Det minsta avståndet för ett experiment av sammanfogning av två körfält räknades först ut matematiskt och jämfördes sedan med experimentell data. Resultatet från experimentet visade sig vara överens med den matematiska modellen med en felmarginal på 11 procent.

Today there are a big need for a system that delivers overview of all available units for different municipalities and shipping- and security companies due to the increasing requirements for efficiency. The purpose with this graduation thesis is to find out which systems that is suitable to use while developing cost-effective software for positioning and to produce a prototype for such solution. This assignment has been done at the request of PocketMobile Communications AB. PocketMobile is a company that are specialized on delivering modern mobile software solutions and systems to companies with their own vehicle fleet or mobile workers. This master thesis can be split into two separate parts, the theoretic- and the practical part. The theoretic part includes producing a number of functional requirements in cooperation with PocketMobile and comparing the available systems against the function requirements. The practical part deal with the development of a prototype that demonstrates the software recommended. The development tools that best matched the functionality requirements when the selection was made in May 2007 were Map24 and OpenLayers. The system that was selected to use while developing the prototype was Map24, because this product matches all of the requirements and it is also suited for professional usage regarding support, scalability and reliability. Map24 also have some advanced functions like ability to route plan for example. The prototype that has been developed is web based and the graphic design is similar to Google Maps.