Comment appliquer rapidement la biométrie, le bio-feedback et la connaissance de la situation dans les environnements immersifs

La création d'environnements immersifs de réalité virtuelle (RV), de réalité mixte (RM), de réalité augmentée (RA) et de réalité étendue (RE) pour le métavers représente une tâche complexe. Pour faciliter la création de ces environnements, les concepteurs peuvent bénéficier de l'utilisation de la biométrie pour comprendre les réactions et l'état physique des utilisateurs, du bio-feedback pour interagir avec l'utilisateur et de l'analyse situationnelle pour comprendre l'environnement. La biométrie peut être mise en œuvre à l'aide d'un oxymètre de pouls à haute sensibilité et d'un capteur de fréquence cardiaque. Le bio-feedback peut être fourni via un contenu audio ou en utilisant la technologie haptique pour les interactions basées sur le toucher. Enfin, des capteurs tridimensionnels (3D) de temps de vol (ToF) laser à cavité verticale et à émission par la surface (VCSEL), capables d'enregistrer 30 images par seconde (fps), peuvent continuellement cartographier l'environnement et contribuer à la connaissance de la situation.

Le métavers est un espace qui évolue rapidement. Les concepteurs peuvent être amenés à développer et à intégrer rapidement la gamme nécessaire de technologies de détection et de rétroaction à faible consommation d'énergie basées sur des solutions discrètes, tout en respectant les contraintes de délai de mise sur le marché et de coût de développement. En outre, de nombreux dispositifs du métavers sont alimentés par batterie, ce qui rend nécessaire la mise en place de solutions à faible consommation d'énergie.

Pour relever ces défis, les concepteurs peuvent recourir à des solutions intégrées qui prennent en charge les oxymètres de pouls haute sensibilité et la détection de la fréquence cardiaque, fournissent une rétroaction haptique et un retour audio de classe D à haut rendement, et utilisent une solution de détection ToF 3D basée sur VCSEL, capable de déterminer la position et la taille des objets avec un haut niveau de granularité, même dans des conditions de forte lumière ambiante.

Cet article passe en revue le fonctionnement des oxymètres de pouls et des capteurs de fréquence cardiaque, examine comment les amplificateurs de classe D peuvent fournir un retour audio de haute qualité avec une basse consommation d'énergie, et présente une gamme de circuits intégrés écoénergétiques d'Analog Devices pour la biométrie, le bio-feedback et la connaissance de la situation, ainsi que les cartes d'évaluation associées.

Détection des conditions biométriques

Un photopléthysmogramme (PPG) mesure les variations du volume sanguin au niveau microvasculaire et est souvent utilisé pour mettre en œuvre un oxymètre de pouls et un moniteur de fréquence cardiaque. Un PPG utilise des lasers pour éclairer la peau et mesurer les changements au niveau de l'absorption (ou de la réflexion) de la lumière à des longueurs d'onde spécifiques. Le signal PPG qui en résulte comprend des composantes de courant continu (CC) et de courant alternatif (CA). La réflectivité constante de la peau, des muscles, des os et du sang veineux est à l'origine du signal CC. Les pulsations cardiaques dans le sang artériel représentent la principale source du signal CA. Une plus grande quantité de lumière est réfléchie pendant la phase systolique (pompe) qu'au cours de la phase diastolique (relaxation) (Figure 1).

Figure 1 : Le signal PPG dans l'oxymétrie de pouls comprend à la fois des composants CC et CA liés à des éléments tels que la structure des tissus et le flux sanguin artériel. (Source de l'image : Analog Devices)

Le rapport entre le flux sanguin pulsé par le cœur (signal CA) et le flux sanguin non pulsé (signal CC) dans un signal PPG correspond à l'indice de perfusion (PI). En utilisant des indices PI à différentes longueurs d'onde, il est possible d'estimer le niveau de saturation en oxygène dans le sang (S_pO₂). La conception du système PPG pour optimiser les rapports PI augmente la précision des estimations de S_pO₂. Les rapports PI peuvent être augmentés grâce à une conception mécanique améliorée et à des capteurs de plus grande précision.

Des architectures transmissives et réfléchissantes peuvent être utilisées pour les systèmes PPG (Figure 2). Un système transmissif est utilisé sur les zones du corps où la lumière peut facilement passer, comme le lobe de l'oreille et le bout des doigts. Ces configurations permettent d'augmenter le PI de 40 à 60 décibels (dB). Dans un PPG réfléchissant, le photodétecteur et la LED sont placés l'un à côté de l'autre. Les PPG réfléchissants peuvent être utilisés sur le poignet, la poitrine ou d'autres zones. L'utilisation d'une conception par réflexion réduit les rapports PI et nécessite l'utilisation d'un circuit d'entrée analogique (AFE) plus performant sur le capteur. L'espacement est également essentiel pour éviter de saturer le circuit AFE. En plus des considérations de conception mécanique et électrique, le développement d'un logiciel capable d'interpréter correctement les signaux PI peut constituer un défi de taille.

Figure 2 : Une seule LED IR peut être utilisée dans un oxymètre de pouls simple et un capteur de fréquence cardiaque, mais l'utilisation de plusieurs LED peut produire un signal de sortie de meilleure qualité. (Source de l'image : Analog Devices)

Autre défi à relever lors de la conception des systèmes PPG : la nécessité de tenir compte des mouvements de l'utilisateur pendant la prise de mesure. Le mouvement peut provoquer des pressions susceptibles de faire varier la largeur des artères et des veines, affectant leur interaction avec la lumière, ce qui modifie les signaux PI. Étant donné que les signaux PPG et les artefacts de mouvement types se situent dans des gammes de fréquences similaires, il n'est pas possible de filtrer simplement les effets du mouvement. Au lieu de cela, un accéléromètre peut être utilisé pour mesurer le mouvement afin de pouvoir l'annuler.

Surveillance de la saturation S_pO₂ et de la fréquence cardiaque

Pour les concepteurs devant mettre en œuvre une surveillance de la saturation S_PO₂ et de la fréquence cardiaque, Analog Devices propose la conception de référence MAXREFDES220# qui fournit l'essentiel de ce qui est nécessaire pour prototyper rapidement une solution, notamment :

• Le module intégré de surveillance de la fréquence cardiaque et d'oxymétrie de pouls MAX30101. Ce module comprend des LED internes, des photodétecteurs, des éléments optiques, un circuit AFE hautes performances et d'autres composants électroniques à faible bruit ainsi qu'un rejet de la lumière ambiante.
• Le concentrateur de capteurs biométriques MAX32664, conçu pour être utilisé avec le MAX30101. Il comprend des algorithmes pour implémenter la surveillance de la saturation S_PO₂ et de la fréquence cardiaque, et dispose d'une interface I²C pour la communication avec un microcontrôleur (MCU) hôte. Ces algorithmes permettent également l'intégration d'un accéléromètre pour la correction des mouvements.
• L'accéléromètre à trois axes ADXL362, qui consomme moins de 2 microampères (µA) à un débit de données de sortie de 100 Hertz (Hz) et 270 nanoampères (nA) en mode de réactivation déclenché par un mouvement.

Classe D pour le retour audio

Le retour audio peut offrir une opportunité d'interactions puissantes avec les utilisateurs. Il peut aussi nuire à la qualité de l'expérience si la qualité du son est médiocre. Les micro-haut-parleurs utilisés dans les dispositifs corporels et les environnements RV/RM/RA/RE typiques peuvent être difficiles à utiliser de manière efficace et performante. L'une des solutions consiste à utiliser un amplificateur intelligent renforcé de classe D à haut rendement avec un convertisseur élévateur intégré et une mise à l'échelle de la tension pour un rendement plus élevé à faible puissance de sortie. La fonction d'amplification intelligente intégrée peut augmenter le niveau de pression acoustique (NPA) ainsi que la restitution des graves pour un son plus riche et plus réaliste.

La conception d'une amplification intelligente constitue un processus complexe, mais il existe des amplificateurs dotés de processeurs de signaux numériques (DSP) intégrés qui mettent automatiquement en œuvre une amplification intelligente et améliorent les performances des haut-parleurs, y compris la détection courant-tension (IV) pour contrôler la puissance de sortie et éviter d'endommager les haut-parleurs. Grâce à l'amplification intelligente, les micro-haut-parleurs peuvent fournir en toute sécurité des niveaux de pression acoustique plus élevés et une meilleure restitution des graves. Il existe des solutions intégrées qui augmentent le niveau de pression acoustique de 6 à 8 dB et qui étendent la restitution des graves jusqu'à un quart de la fréquence de résonance (Figure 3).

Figure 3 : L'amplification intelligente avec une conception de classe DG permet de prendre en charge efficacement et en toute sécurité des niveaux de pression acoustique plus élevés et une restitution des graves étendue dans les micro-haut-parleurs. (Source de l'image : Analog Devices)

Amplificateur de classe D pour le retour audio

Le dispositif MAX98390CEWX+T est un amplificateur intelligent de classe D à haut rendement, doté d'un convertisseur élévateur intégré et d'une gestion dynamique des haut-parleurs (DSM) d'Analog Devices pour un son de qualité supérieure capable de prendre en charge un retour audio efficace et de haute qualité. Cet amplificateur comprend une mise à l'échelle de la tension pour un rendement élevé à faible puissance de sortie. De plus, le convertisseur élévateur fonctionne avec des tensions de batterie allant jusqu'à 2,65 volts et présente une sortie programmable de 6,5 à 10 volts par incréments de 0,125 volt. Ce convertisseur élévateur comprend un suivi d'enveloppe pour ajuster la tension de sortie afin d'obtenir un rendement maximal, ainsi qu'un mode de dérivation pour un fonctionnement à faible courant de repos.

Cet amplificateur renforcé peut fournir jusqu'à 6,2 watts dans un haut-parleur de 4 ohms (Ω) avec seulement 10 % de distorsion harmonique totale plus bruit (THD+N). Il comprend un détecteur IV intégré pour protéger le haut-parleur contre les dommages et prend en charge des niveaux de pression acoustique plus élevés et une restitution des graves plus basse.

Pour accélérer le développement avec le MAX98390C, Analog Devices propose le kit d'évaluation MAX98390CEVSYS#. Ce kit comprend la carte de développement MAX98390C, une carte d'interface audio, une alimentation de 5 volts, un micro-haut-parleur, un câble USB, le logiciel DSM Sound Studio et un logiciel d'évaluation MAX98390 (Figure 4). Le logiciel DSM Sound Studio possède une interface utilisateur graphique (GUI) qui met en œuvre le DSM selon un processus simple en trois étapes. Il comprend également une démonstration de sept minutes de l'impact du logiciel DSM à l'aide du micro-haut-parleur.

Figure 4 : Le kit MAX98390CEVSYS# comprend tout le matériel et les logiciels nécessaires pour développer des systèmes de retour audio de classe D. (Source de l'image : Analog Devices)

Technologie haptique pour une rétroaction tactile

Les concepteurs de systèmes qui s'appuient sur la rétroaction tactile pour impliquer les utilisateurs peuvent se tourner vers le dispositif MAX77501EWV+, un circuit d'attaque de contrôleur à haut rendement pour actionneurs piézoélectriques. Il est optimisé pour piloter des éléments piézoélectriques jusqu'à 2 microfarads (µF) et génère une forme d'onde haptique asymétrique jusqu'à 110 volts crête à crête (Vpk-pk) à partir d'une tension d'alimentation de 2,8 à 5,5 volts. Il peut fonctionner en mode de lecture en mémoire avec des formes d'onde préenregistrées ou utiliser des formes d'onde en temps réel diffusées à partir d'un microcontrôleur. Plusieurs formes d'onde peuvent être allouées dynamiquement à la mémoire embarquée, qui peut servir de tampon FIFO (premier entré, premier sorti) pour la diffusion en temps réel. L'interface périphérique série (SPI) intégrée permet d'accéder à l'ensemble du système et de le contrôler, y compris le signalement et la surveillance des pannes. Cela permet également la lecture après un temps de démarrage de 600 microsecondes (µs) à compter de l'arrêt. Pour garantir un rendement élevé et une durée de vie maximale de la batterie, ce circuit d'attaque de contrôleur dispose d'une architecture de type élévateur à consommation ultrabasse avec un courant de veille de 75 μA et un courant d'arrêt de 1 μA.

Pour explorer les capacités du circuit d'attaque piézoélectrique MAX77501, les concepteurs peuvent utiliser le kit d'évaluation MAX77501EVKIT#, qui est entièrement assemblé et testé. Ce kit permet une évaluation facile du MAX77501 et de sa capacité à piloter un signal haptique important par l'intermédiaire d'un actionneur piézoélectrique en céramique. Le kit comprend un logiciel GUI basé sur Windows permettant d'explorer toutes les fonctionnalités du MAX77501.

ToF pour la connaissance de la situation

La connaissance de la situation peut représenter un élément important des environnements RV/RM/RA/RE. La plateforme d'évaluation AD-96TOF1-EBZ prend en charge cet aspect en incluant une carte d'émetteur laser VCSEL et une carte de récepteur AFE pour développer des fonctions de perception de la profondeur ToF (Figure 5). En associant cette plateforme d'évaluation à une carte processeur de l'écosystème 96Boards ou de la famille Raspberry Pi, les concepteurs disposent d'une conception de base qui peut être utilisée pour développer le logiciel et les algorithmes pour des implémentations ToF spécifiques aux applications avec des niveaux élevés de granularité 3D. Le système peut détecter des objets dans des conditions de forte luminosité ambiante et dispose de plusieurs modes de détection de distance pour des performances optimisées. Le kit de développement logiciel (SDK) inclus fournit des wrappers OpenCV, Python, MATLAB, Open3D et RoS pour améliorer la flexibilité.

Figure 5 : La plateforme d'évaluation AD-96TOF1-EBZ permet de développer des systèmes de connaissance de la situation ToF hautes performances. (Source de l'image : Analog Devices)

Conclusion

La création d'environnements immersifs et interactifs pour le métavers constitue une tâche complexe et chronophage. Pour accélérer ce processus, les concepteurs peuvent se tourner vers une gamme complète de solutions compactes et écoénergétiques d'Analog Devices, y compris des plateformes de développement et d'évaluation pour la détection biométrique, le bio-feedback et les systèmes de connaissance de la situation.

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