Localizing Sheep using a Bluetooth Low Energy enabled Unmanned Aerial Vehicle for Round-trip Time of Arrival-based Multilateriation

Abstract

Lokalisering av frittgående sau i vidstrakte kulturlandskap er en tidkrevende og vanskelig oppgave. Innsatsen som kreves kan imidlertid reduseres ved å ta i bruk moderne sporing- og lokaliseringsteknikker. Det største hinderet for utstrakt implementering av slike systemer i dag er den disproporsjonalt store kostnaden av kommersielt tilgjengelige løsninger sammenliknet med den økonomiske verdien av en sau, samt behovet for utbygging av kostbar infrastruktur.

Denne masteroppgaven legger frem et kostnads- og energieffektivt system for lokalisering av sau basert på bruk av Bluetooth Low Energy (BLE) og et ubemannet luftfartøy, også kalt drone. Den foreslåtte løsningen involverer å øremerke sauene med en lang-distanse BLE enhet, og gjennomføre round-trip time of arrival (ToA) målinger så som kan brukes til å estimere avstanden mellom sauene og dronen. Basert på dronens bevegelsesmønster kan sauens posisjon bestemmes med relativt høy presisjon ved hjelp av multilaterasjonsteknikk. En annen mindre presis men mer energieffektiv lokaliseringsmetode basert på \gls{ble}s korte rekkevidde og nærhetsbasert lokalisering er også presentert. Begge metodene eliminerer behovet for å utstyre hvert enkelt dyr med en kostbar GPS mottaker og krever ikke utbygging av omfattende infrastruktur, noe som reduserer både energibehovet og kostnaden til hvert enkelt øremerke betraktelig.

En litteraturstudie på tidligere foreslåtte løsninger før sporing og lokalisering av dyr er også inkludert sammen med en evaluering av en rekke trådløse teknologier og lokaliseringsteknikker. Ytelsen til det foreslåtte systemet ble evaluert på bakgrunn av en rekke felt eksperimenter. Nøyaktigheten av round-trip ToA målingene ble sammen liknet med en indikator på mottatt signal styrke (RSSI) for avstandsestimering. Det ble vist at ToA tilnærmingen med en kvadratisk gjennomsnittsfeil på omtrent 6,5 m utkonkurrerte det RSSI-baserte systemet. På bakgrunn av dette ble det konkludert med at round-drip ToA fint kan brukes til multilaterasjonsbasert lokalisering. En vurdering av forventet batterilevetid indikerte at et enkelt øremerke kan forbli operativt i opptil flere år avhengig av implementasjonens natur.

Locating the position of free ranging sheep over wide geographical areas is a diffcult endeavour that requires signifficant resources in terms of time and effort. However, this effort can be signiffcantly reduced by using modern tracking and localization technology. A signiffcant barrier for the wide adoption of such systems is that the cost of commercially available systems today is disproportionally high compared to the economic value of the sheep while requiring the deployment of expensive infrastructure.

In this thesis, a novel low-cost and power-effcient system for locating sheep using Bluetooth Low Energy (BLE) and an Unmanned Aerial Vehicle (UAV) is proposed. The solution consists of mounting small form factor BLE long range enabled ear tags on the sheep to perform round-trip time of arrival (ToA) measurements and estimate the distance between the location of the sheep and the UAV. Exploiting the movement of the UAV, the distance measurements are used to perform a relatively high precision multilateration-based localization technique. A less precise and more energy effcient localization scheme is also presented, where the inherent short range of BLE is used to perform proximity-based localization. Both methods eliminate the necessity of equipping each animal with a GPS receiver and requires no additional infrastructure - signiffcantly reducing both energy consumption and costs for each ear tag.

A review of previously suggested animal tracking and localization solutions in in the literature was conducted. Herein, several wireless technology solutions and localization techniques were evaluated. The performance of the proposed system was assessed by conducting several field experiments. The accuracy of the implemented round-trip ToA scheme was compared to a received signal strength indicator (RSSI) distance estimation implementation. It was found that the ToA approach signiffcantly outperformed the RSSI-based system, with achieving a root mean square error of approximately 6:5 m. It was concluded that the proposed round trip ToA implementation can reliably be used for a multilateration-based localization scheme. Finally, estimations of the expected battery lifetime of the ear tag was conducted, indicating that a single ear tag can remain operational for several years depending on the implementation.