Szybkie wykorzystanie danych biometrycznych, biologicznej informacji zwrotnej i świadomości sytuacyjnej w środowiskach immersyjnych

Tworzenie immersyjnych środowisk rzeczywistości wirtualnej (VR), rzeczywistości mieszanej (MR), rzeczywistości rozszerzonej (AR) i rzeczywistości powiększonej (XR) dla metawersu jest zadaniem złożonym. Aby pomóc projektantom w tworzeniu tych środowisk, umożliwiono im wykorzystanie danych biometrycznych do zrozumienia reakcji użytkowników i kondycji fizycznej, wykorzystanie biologicznej informacji zwrotnej do interakcji z użytkownikiem oraz analizy sytuacyjnej do zrozumienia otoczenia. Biometrię można wdrożyć za pomocą pulsoksymetrów o wysokiej czułości i czujników częstości akcji serca. Biologiczna informacja zwrotna może być dostarczana za pośrednictwem treści audio lub poprzez elementy haptyczne, umożliwiające interakcje dotykowe. Wreszcie, trójwymiarowe (3D) czujniki czasu przelotu (ToF) z laserem o emisji powierzchniowej z wnęką pionową (VCSEL), zdolne do rejestrowania z szybkością 30 klatek na sekundę (fps), mogą stale mapować środowisko i wspierać świadomość sytuacyjną.

Metawers to szybko rozwijające się możliwości. Projektanci mogą być pod presją szybkiego opracowywania i integrowania gamy technologii potrzebnych do odczytu i przekazywania informacji zwrotnej niskiej mocy w oparciu o rozwiązania dyskretne, przy jednoczesnym spełnieniu ograniczeń związanych z czasem wprowadzania na rynek i kosztami rozwojowymi. Ponadto wiele urządzeń metawersu jest zasilanych z baterii, co sprawia, że koniecznością są rozwiązania niskiej mocy.

Aby sprostać tym wyzwaniom, projektanci mogą skorzystać ze zintegrowanych rozwiązań, które obsługują bardzo czułe pulsoksymetry i czujniki częstości akcji serca, zapewniają wysokiej jakości dźwięk klasy D i potwierdzenie haptyczne oraz wykorzystują rozwiązania oparte na trójwymiarowych (3D) czujnikach czasu przelotu (ToF) z laserami o emisji powierzchniowej z wnęką pionową (VCSEL), które mogą wykrywać pozycje i rozmiary obiektów z wysokim poziomem szczegółowości - nawet w warunkach silnego światła z otoczenia.

W tym artykule omówiono działanie pulsoksymetrów i czujników częstości akcji serca, opisano w jaki sposób wzmacniacze klasy D mogą zapewnić wysokiej jakości dźwiękową informację zwrotną przy bardzo niskiej mocy, a także przedstawiono szereg energooszczędnych układów scalonych firmy Analog Devices do biometrii, biologicznej informacji zwrotnej i świadomości sytuacyjnej wraz z płytkami ewaluacyjnymi.

Pomiar warunków biometrycznych

Fotopletyzmogram (PPG) mierzy zmiany objętości krwi na poziomie mikronaczyniowym i jest często wykorzystywany w celu wdrożenia pulsoksymetru i monitora częstości akcji serca. Fotopletyzmografia (PPG) wykorzystuje lasery do oświetlania skóry i pomiaru zmian w absorpcji (lub odbiciu) światła przy określonych długościach fal. Wynikowy sygnał PPG zawiera składowe prądu stałego (DC) i prądu zmiennego (AC). Stały współczynnik odbicia skóry, mięśni, kości i krwi żylnej daje sygnał prądu stałego (DC). Pulsacje krwi tętniczej wynikłe z akcji serca są głównym źródłem sygnału prądu zmiennego (AC). W fazie skurczowej (pompowania) odbijane jest więcej światła niż w fazie rozkurczowej (relaksacji) (ilustracja 1).

Ilustracja 1: sygnał fotopletyzmograficzny (PPG) w pulsoksymetrii zawiera zarówno składowe prądu stałego (DC), jak i prądu zmiennego (AC), związane odpowiednio z elementami, takimi jak struktura tkanki i przepływ krwi tętniczej. (Źródło ilustracji: Analog Devices)

Stosunek plusacyjnego przepływu krwi (sygnał prądu zmiennego) do niepulsacyjnego przepływu krwi (sygnał prądu stałego) w sygnale fotopletyzmograficznym (PPG) stanowi wskaźnik perfuzji (PI). Wykorzystując wskaźniki perfuzji (PI) na różnych długościach fal można oszacować poziom saturacji krwi tlenem (S_pO₂). Zaprojektowanie systemu fotopletyzmograficznego (PPG) w taki sposób, aby zmaksymalizować wskaźniki perfuzji PI zwiększa dokładność szacowania S_pO₂. Wskaźniki perfuzji (PI) można zwiększyć dzięki ulepszeniu konstrukcji mechanicznej i zastosowaniu czujników o większej precyzji.

Systemy fotopletyzmograficzne (PPG) mogą opierać się na architekturach transmisyjnej i odbiciowej (ilustracja 2). System transmisyjny jest stosowany w tych obszarach ciała, przez które światło może łatwo przechodzić, takich jak płatki uszu i opuszki palców. Takie konfiguracje mogą spowodować wzrost wskaźnika perfuzji PI o 40-60dB. W odbiciowym systemie fotopletyzmograficznym (PPG) fotodetektor i dioda LED są umieszczone obok siebie. Odbiciowe systemy fotopletyzmograficzne (PPG) można stosować na nadgarstku, klatce piersiowej lub innych obszarach. Wykorzystanie konstrukcji odbiciowej zmniejsza wskaźniki perfuzji PI i wymaga zastosowania w czujniku analogowego układu front-end (AFE) o wyższych parametrach. Aby uniknąć nadmiernego obciążenia analogowego układu front-end (AFE), krytyczne znaczenie ma również odległość. Oprócz rozważań dotyczących konstrukcji mechanicznej i elektrycznej, poważnym wyzwaniem może być także opracowanie oprogramowania do właściwej interpretacji sygnałów wskaźnika perfuzji PI.

Ilustracja 2: w prostym pulsoksymetrze i czujniku częstości akcji serca można zastosować pojedynczą diodę LED na podczerwień, jednak zastosowanie wielu diod LED umożliwia generowanie sygnału wyjściowego wyższej jakości. (Źródło ilustracji: Analog Devices)

Dodatkowym wyzwaniem przy projektowaniu systemów fotopletyzmograficznych (PPG) jest konieczność uwzględnienia każdego ruchu użytkownika podczas wykonywania pomiaru. Ruch może powodować nacisk, który może zmieniać szerokość tętnic i żył, wpływając na ich interakcję ze światłem, co powoduje zmianę sygnałów wskaźnika perfuzji PI. Ponieważ zarówno sygnały fotopletyzmograficzne (PPG), jak i typowe wykonywane ruchy mają podobne zakresy częstotliwości, nie jest możliwe proste odfiltrowanie skutków ruchu. Aby je wyeliminować, do pomiaru ruchu można użyć przyspieszeniomierza.

Monitorowanie S_pO₂ i częstości akcji serca

Projektantom, którzy muszą wdrożyć monitorowanie S_PO₂ i częstości akcji serca, firma Analog Devices oferuje projekt referencyjny MAXREFDES220#, który dostarcza wielu elementów potrzebnych do szybkiego opracowania rozwiązania prototypowego, w tym:

• Zintegrowany moduł pulsoksymetru z pomiarem częstości akcji serca MAX30101. Moduł ten zawiera wbudowane diody LED, fotodetektory, elementy optyczne, wysokowydajny analogowy układ front-end (AFE) i inne niskoszumowe komponenty elektroniczne oraz możliwość eliminacji światła z otoczenia.
• Koncentrator czujników biometrycznych MAX32664 przeznaczony do użytku z urządzeniem MAX30101. Zawiera algorytmy do wdrożenia monitorowania S_PO₂ i częstości akcji serca oraz posiada interfejs I²C do komunikacji z jednostką mikrokontrolera hosta (MCU). Algorytmy obsługują również układ całkujący przyspieszeniomierza do korekcji ruchów.
• Przyspieszeniomierz trójosiowy ADXL362, który pobiera mniej niż 2µA przy szybkości transmisji danych wyjściowych 100Hz i 270nA w trybie wybudzania wyzwalanego ruchem.

Klasa D dla dźwiękowej informacji zwrotnej

Informacja zwrotna w postaci dźwięku umożliwia zaawansowane interakcje z użytkownikami. Może też obniżyć komfort użytkownika, jeśli jakość dźwięku jest niska. Efektywne i sprawne wykorzystanie mikrogłośników stosowanych w typowych urządzeniach ubieralnych i środowiskach VR/MR/AR/XR jest naznaczone pewnymi trudnościami. Jednym ze sposobów rozwiązania tego problemu jest użycie wysokosprawnego, inteligentnego wzmacniacza klasy D z wbudowaną przetwornicą podwyższającą i skalowaniem napięcia, w celu zwiększenia sprawności przy niskiej mocy wyjściowej. Zintegrowana funkcja inteligentnego wzmocnienia może zwiększyć poziom ciśnienia akustycznego (SPL), a także poprawić przenoszenie basów, zapewniając bogatszy i bardziej realistyczny dźwięk.

Projektowanie inteligentnego wzmocnienia to złożony proces, ale dostępne są wzmacniacze z wbudowanymi cyfrowymi procesorami sygnałowymi (DSP), które automatycznie stosują inteligentne wzmocnienie i zapewniają lepsze parametry działania głośników, w tym pomiar prądu i napięcia (IV) w celu kontrolowania mocy wyjściowej i zapobiegania uszkodzeniom głośników. Dzięki inteligentnemu wzmocnieniu mikrogłośniki mogą bezpiecznie zapewnić wyższy poziom ciśnienia akustycznego (SPL) i lepsze przenoszenie basów. Dostępne są zintegrowane rozwiązania, które zapewniają zwiększenie poziomu ciśnienia akustycznego (SPL) o 6-8dB i wydłużają przenoszenie basów do jednej czwartej częstotliwości rezonansowej (ilustracja 3).

Ilustracja 3: inteligentne wzmocnienie wg projektu klasy DG pozwala na bezpiecznie i wydajnie obsługiwanie wyższych poziomów ciśnienia akustycznego SPL i lepsze przenoszenie basów w mikrogłośnikach. (Źródło ilustracji: Analog Devices)

Wzmacniacz klasy D dla dźwiękowej informacji zwrotnej

MAX98390CEWX+T to wysokosprawny inteligentny wzmacniacz klasy D z wbudowaną przetwornicą podwyższającą i opracowaną przez firmę Analog Devices funkcją dynamicznego zarządzania głośnikami (DSM), która zapewnia lepszy dźwięk, umożliwiający zapewnienie wysokiej jakości i sprawności obsługi dźwiękowej informacji zwrotnej. Ten wzmacniacz zawiera skalowanie napięcia w celu uzyskania wysokiej sprawności przy niskiej mocy wyjściowej. Ponadto przetwornica podwyższająca działa przy napięciu baterii zaledwie 2,65V i ma wyjście, które można zaprogramować w zakresie od 6,5 do 10V w krokach co 0,125V. Przetwornica podwyższająca ma możliwość śledzenia obwiedni, aby dostosować napięcie wyjściowe w celu uzyskania maksymalnej sprawności, a także tryb obejściowy do pracy przy niskim prądzie spoczynkowym.

Ten wzmacniacz z przetwornicą podwyższającą może dostarczyć do 6,2W do głośnika 4Ω przy sumie zniekształceń harmonicznych i szumu (THD+N) wynoszącej zaledwie 10%. Zawiera on czujnik zintegrowany IV, który chroni głośnik przed uszkodzeniem i obsługuje wyższe poziomy ciśnienia akustycznego (SPL) oraz niższe basy.

Aby przyspieszyć prace rozwojowe z wykorzystaniem urządzenia MAX98390C, firma Analog Devices oferuje zestaw ewaluacyjny MAX98390CEVSYS#. Zestaw zawiera płytkę rozwojową MAX98390C, płytkę interfejsu audio, zasilacz 5V, mikrogłośnik, przewód USB, oprogramowanie DSM Sound Studio oraz oprogramowanie ewaluacyjne MAX98390 (ilustracja 4). Oprogramowanie DSM Sound Studio zawiera graficzny interfejs użytkownika (GUI), który pozwala na wykorzystanie systemu DSM w prostym, trzyetapowym procesie. Zawiera również siedmiominutową demonstrację wpływu oprogramowania DSM przy wykorzystaniu mikrogłośnika.

Ilustracja 4: zestaw MAX98390CEVSYS# zawiera cały sprzęt i oprogramowanie potrzebne do opracowania systemów dźwiękowej informacji zwrotnej klasy D. (Źródło ilustracji: Analog Devices)

Elementy haptyczne zapewniające dotykową informację zwrotną

Projektanci systemów opierających się na dotykowej informacji zwrotnej w celu zaangażowania użytkowników, mogą skorzystać z wysokosprawnego sterownika kontrolera MAX77501EWV+ do aktuatorów piezoelektrycznych. Jest on zoptymalizowany pod kątem sterowania elementami piezoelektrycznymi do 2µF i generuje jednokierunkowy przebieg haptyczny o napięciu międzyszczytowym do 110Vpk-pk przy napięciu zasilania od 2,8 do 5,5V. Może działać w trybie odtwarzania wcześniej nagranych przebiegów z pamięci lub wykorzystywać przebiegi w czasie rzeczywistym, przesyłane strumieniowo z mikrokontrolera MCU. W pamięci wewnętrznej można dynamicznie zapisywać liczne przebiegi, dzięki czemu pamięć ta może służyć jako bufor FIFO (pierwszy na wejściu - pierwszy na wyjściu) do przesyłania strumieniowego w czasie rzeczywistym. Pełny dostęp do systemu i sterowanie, w tym zgłaszanie i monitorowanie usterek, są obsługiwane przez zintegrowany szeregowy interfejs urządzeń peryferyjnych (SPI). Umożliwia także odtwarzanie po 600µs czasu uruchomienia od wyłączenia. Aby zapewnić wysoką sprawność i maksymalny czas pracy baterii, ten sterownik kontrolera charakteryzuje się wzmocnioną architekturą o bardzo niskim poborze mocy, z prądem czuwania 75μA i prądem wyłączenia 1μA.

Aby zapoznać się z możliwościami sterownika piezoelektrycznego MAX77501, projektanci mogą skorzystać z zestawu ewaluacyjnego MAX77501EVKIT#, który jest w pełni zmontowany i przetestowany. Zestaw pozwala na łatwą ocenę MAX77501 i jego możliwości sterowania mocnym sygnałem dotykowym przez piezoaktuator ceramiczny. Zestaw zawiera oprogramowanie graficznego interfejsu użytkownika (GUI) oparte na systemie Windows, do eksploracji wszystkich funkcji MAX77501.

Czas przelotu (ToF) dla świadomości sytuacyjnej

Świadomość sytuacyjna może być ważnym aspektem środowisk VR/MR/AR/XR. Ten aspekt obsługuje platforma ewaluacyjna AD-96TOF1-EBZ, zawierająca płytkę nadajnika laserowego o emisji powierzchniowej z wnęką pionową (VCSEL) i płytkę odbiornika analogowego układu front-end (AFE) do prac rozwojowych nad funkcjami percepcji głębi w czujnikach czasu przelotu (ToF) (ilustracja 5). Łącząc tę platformę ewaluacyjną z płytką procesora z ekosystemu 96Boards lub z grupy Raspberry Pi, projektanci otrzymują podstawowy projekt, który można wykorzystać do opracowania oprogramowania i algorytmów dla specjalizowanych zastosowań czujników czasu przelotu (ToF) o wysokim poziomie szczegółowości 3D. System może wykrywać obiekty i określać ich odległość w warunkach silnego światła z otoczenia, a także oferuje wiele trybów wykrywania odległości w celu zoptymalizowania parametrów działania. Dołączony zestaw rozwojowy oprogramowania (SDK) dostarcza wrappery dla OpenCV, Python, MATLAB, Open3D i RoS w celu zwiększenia elastyczności.

Ilustracja 5: wysokowydajne systemy świadomości sytuacyjnej z wykorzystaniem czujników czasu przelotu (ToF) można opracować przy użyciu platformy ewaluacyjnej AD-96TOF1-EBZ. (Źródło ilustracji: Analog Devices)

Podsumowanie

Tworzenie immersyjnych i interaktywnych środowisk dla metawersu to zadanie złożone i czasochłonne. Aby przyspieszyć ten proces, projektanci mogą skorzystać z pełnej gamy kompaktowych i energooszczędnych rozwiązań firmy Analog Devices, w tym platform rozwojowych i ewaluacyjnych dla systemów odczytu biometrycznego, biologicznej informacji zwrotnej i świadomości sytuacyjnej.

Rekomendowane artykuły

1. Korzystanie z cyfrowych czujników temperatury o wysokiej dokładności w urządzeniach ubieralnych monitorujących stan zdrowia
2. Wykorzystanie modułu pomiarowego parametrów życiowych do tworzenia urządzeń ubieralnych monitorujących zdrowie i kondycję
3. Optymalizacja rozmiarów, wagi i mocy (SWaP) w wysokoparametrowych łańcuchach sygnałowych RF