Come applicare rapidamente la biometria, il biofeedback e la consapevolezza situazionale per ambienti immersivi

Creare ambienti immersivi di realtà virtuale (VR), realtà mista (MR), realtà aumentata (AR) e realtà estesa (XR) per il metaverso è molto complesso. Per creare questi ambienti, i progettisti possono trarre vantaggio dall'uso della biometria per capire le reazioni e le condizioni fisiche degli utenti, dal biofeedback per coinvolgere l'utente e dall'analisi situazionale per capire l'ambiente circostante. La biometria può essere implementata con un pulsossimetro ad alta sensibilità e un cardiofrequenzimetro. Il biofeedback può essere fornito tramite contenuti audio o utilizzando l'aptica per interazioni tattili. Infine, i sensori tridimensionali (3D) VCSEL (laser a emissione laterale a cavità verticale) del tempo di volo (ToF), in grado di registrare a 30 fotogrammi al secondo, possono mappare continuamente l'ambiente e supportare la consapevolezza della situazione.

Il metaverso è un'opportunità in rapida evoluzione. I progettisti sono costretti a sviluppare e integrare rapidamente una serie di tecnologie di rilevamento e riscontro a bassa potenza basate su soluzioni discrete, pur rispettando i vincoli del time-to-market e dei costo di sviluppo. Inoltre, molti dispositivi del metaverso sono alimentati a batteria e ciò impone che le soluzioni siano a basso consumo.

Per affrontare queste sfide, i progettisti possono avvalersi di soluzioni integrate che supportano il rilevamento ad alta sensibilità del pulsossimetro e del cardiofrequenzimetro, forniscono un riscontro audio e tattile di classe D ad alta efficienza e utilizzano una soluzione di rilevamento ToF 3D basata su VCSEL per rilevare la posizione e le dimensioni degli oggetti con un elevato livello di granularità, anche in condizioni di forte illuminazione ambientale.

Questo articolo esamina il funzionamento dei sensori di pulsossimetria e frequenza cardiaca, analizza come gli amplificatori in classe D possano fornire un riscontro audio di alta qualità e a bassissima potenza e presenta una serie di CI a basso consumo di Analog Devices per la biometria, il biofeedback e la consapevolezza situazionale, insieme alle relative schede di valutazione.

Rilevamento delle condizioni biometriche

Il fotopletismogramma (PPG) misura le variazioni di volume del sangue a livello microvascolare e viene spesso utilizzato per implementare un pulsossimetro e un cardiofrequenzimetro. Il PPG utilizza il laser per illuminare la pelle e misurare le variazioni di assorbimento (o riflessione) della luce a lunghezze d'onda specifiche. Il segnale PPG risultante comprende componenti di corrente continua (c.c.) e di corrente alternata (c.a.). La riflettività costante di pelle, muscoli, ossa e sangue venoso dà origine al segnale c.c. La pulsazione della frequenza cardiaca del sangue arterioso è la fonte primaria del segnale c.a. La luce viene riflessa maggiormente nella fase sistolica (pompa) rispetto alla fase diastolica (rilassamento) (Figura 1).

Figura 1: Il segnale PPG nella pulsossimetria comprende componenti c.c. e c.a. legate rispettivamente a elementi come la struttura dei tessuti e il flusso arterioso. (Immagine per gentile concessione di Analog Devices)

Il rapporto tra il sangue pulsante (segnale c.a.) e il flusso non pulsante (segnale c.c.) in un segnale PPG è l'indice di perfusione (PI). Utilizzando i PI a diverse lunghezze d'onda, è possibile stimare il livello di saturazione dell'ossigeno nel sangue (S_pO₂). Progettare il sistema PPG per massimizzare i rapporti PI aumenta l'accuratezza delle stime della S_pO₂. I rapporti PI possono essere aumentati grazie a una migliore progettazione meccanica e all'implementazione di sensori di maggiore precisione.

Per i sistemi PPG si possono utilizzare architetture trasmissive e riflettenti (Figura 2). Un sistema trasmissivo viene utilizzato su aree del corpo in cui la luce può passare facilmente, come i lobi delle orecchie e la punta delle dita. Queste configurazioni possono realizzare un aumento di 40-60 dB nel PI. In un PPG a riflessione, il fotorivelatore e il LED sono affiancati. I paramedici riflettenti possono essere utilizzati sul polso, sul petto o su altre aree del corpo. L'uso di una struttura a riflessione riduce i rapporti PI e richiede l'uso di un front-end analogico (AFE) più performante sul sensore. Anche la spaziatura è fondamentale per evitare di saturare l'AFE. Oltre alle considerazioni sulla progettazione meccanica ed elettrica, lo sviluppo di un software che interpreti correttamente i segnali PI può essere difficile.

Figura 2: Un singolo LED IR può essere utilizzato in un semplice pulsossimetro e sensore di frequenza cardiaca, ma l'uso di più LED può produrre un segnale di uscita di qualità superiore. (Immagine per gentile concessione di Analog Devices)

Un'ulteriore sfida nella progettazione dei sistemi PPG è la necessità di tener conto di eventuali movimenti dell'utente durante la misurazione. Il movimento può causare pressioni che possono modificare l'ampiezza delle arterie e delle vene, influenzando la loro interazione con la luce, che modifica i segnali PI. Poiché sia i segnali PPG che i tipici artefatti da movimento si trovano in campi di frequenza simili, non è possibile filtrare semplicemente gli effetti del movimento. Al contrario, è possibile utilizzare un accelerometro per misurare il movimento, in modo da poterlo annullare.

Monitoraggio di S_pO₂ e frequenza cardiaca

Per i progettisti che devono implementare il monitoraggio della S_pO₂ e della frequenza cardiaca, Analog Devices offre il progetto di riferimento MAXREFDES220# con gran parte dell'occorrente per prototipare rapidamente una soluzione, tra cui:

• Il modulo integrato MAX30101 per pulsossimetria e frequenza cardiaca. Questo modulo comprende LED interni, fotorilevatori, elementi ottici, un AFE ad alte prestazioni e altri componenti elettronici a basso rumore, oltre alla reiezione della luce ambientale.
• L'hub per sensori biometrici MAX32664, progettato per essere l'uso con MAX30101. Include algoritmi per implementare il monitoraggio della S_pO₂ e della frequenza cardiaca e dispone di un'interfaccia I²C per la comunicazione con un MCU host. Gli algoritmi supportano anche l'integrazione di un accelerometro per la correzione del movimento.
• L'accelerometro a tre assi ADXL362 consuma meno di 2 µA con una frequenza di dati in uscita di 100 Hz e 270 nA in modalità di riattivazione da movimento.

Classe D per il riscontro audio

Il riscontro audio può offrire una grande opportunità di interazione con gli utenti o può diminuire il livello dell'esperienza se la qualità del suono è scarsa. I microaltoparlanti utilizzati nei tipici ambienti di indossabili e VR/MR/AR/XR possono essere difficili da usare in modo efficace ed efficiente. Un modo per risolvere questo problema è quello di utilizzare un amplificatore intelligente in classe D ad alta efficienza con un convertitore boost integrato e la scala della tensione per una maggiore efficienza a bassa potenza di uscita. La funzione di amplificazione intelligente integrata può aumentare il livello di pressione sonora (SPL) e la risposta dei bassi per un audio più ricco e realistico.

La progettazione di un'amplificazione intelligente è un processo complesso, ma sono disponibili amplificatori con processori di segnali digitali (DSP) integrati che implementano automaticamente l'amplificazione intelligente e garantiscono prestazioni migliori degli altoparlanti, compreso il rilevamento di corrente-tensione (IV) per controllare la potenza di uscita e prevenire danni agli altoparlanti. Con un'amplificazione intelligente, i microaltoparlanti possono offrire in tutta sicurezza SPL più elevati e una maggiore risposta dei bassi. Sono disponibili soluzioni integrate che forniscono un aumento di 6-8 dB dell'SPL e che estendono la risposta dei bassi fino a un quarto della frequenza di risonanza (Figura 3).

Figura 3: L'amplificazione intelligente con un progetto di classe DG può supportare in modo sicuro ed efficiente livelli SPL più elevati e una risposta dei bassi estesa nei microaltoparlanti. (Immagine per gentile concessione di Analog Devices)

Amplificatore in classe D per il riscontro audio

MAX98390CEWX+T è un amplificatore intelligente in classe D ad alta efficienza con convertitore boost integrato e la tecnologia Dynamic Speaker Management (DSM) di Analog Devices per un suono superiore in grado di supportare un riscontro audio efficiente e di alta qualità. Questo amplificatore include la scala di tensione per ottenere un'elevata efficienza a bassa potenza di uscita. Inoltre, il convertitore boost funziona con tensioni della batteria fino a 2,65 V e ha un'uscita programmabile da 6,5 a 10 V con incrementi di 0,125 V. Il convertitore boost include il tracciamento dell'inviluppo per regolare la tensione di uscita per ottenere la massima efficienza, oltre a una modalità di bypass per il funzionamento a bassa corrente di quiescenza.

Questo amplificatore potenziato può erogare fino a 6,2 W in un altoparlante da 4 Ω con solo il 10% di distorsione armonica totale più rumore (THD+N). Include un sensore IV integrato per proteggere l'altoparlante da eventuali danni e supporta SPL più elevati e una risposta ai bassi più bassa.

Per accelerare lo sviluppo di MAX98390C, Analog Devices offre il kit di valutazione MAX98390CEVSYS#. Il kit comprende la scheda di sviluppo MAX98390C, una scheda di interfaccia audio, un alimentatore da 5 V, un microaltoparlante, un cavo USB, il software DSM Sound Studio e il software di valutazione MAX98390 (Figura 4). Il software DSM Sound Studio è dotato di un'interfaccia grafica utente (GUI) che implementa il DSM con un semplice processo in tre fasi. Include anche una dimostrazione di sette minuti dell'impatto del software DSM con l'utilizzo di un microaltoparlante.

Figura 4: Il kit MAX98390CEVSYS# comprende tutto l'hardware e il software necessari per sviluppare sistemi di riscontro audio in classe D. (Immagine per gentile concessione di Analog Devices)

Aptica per il riscontro tattile

I progettisti di sistemi che si affidano al riscontro tattile per coinvolgere gli utenti possono rivolgersi al driver del controller ad alta efficienza MAX77501EWV+ per attuatori piezoelettrici. È ottimizzato per pilotare elementi piezoelettrici fino a 2 µF e genera una forma d'onda aptica sbilanciata fino a 110 Vpk-pk da una tensione di alimentazione compresa tra 2,8 e 5,5 V. Può funzionare in modalità di riproduzione della memoria con forme d'onda preregistrate o utilizzare forme d'onda in tempo reale trasmesse da un MCU. Si possono allocare dinamicamente più forme d'onda nella memoria su scheda, che può fungere da buffer first-in, first-out (FIFO) per lo streaming in tempo reale. L'accesso e il controllo completi del sistema, compresi la segnalazione e il monitoraggio dei guasti, sono supportati dall'interfaccia periferica seriale (SPI) integrata. Consente inoltre la riproduzione dopo un tempo di avvio di 600 µs dallo spegnimento. Per garantire un'elevata efficienza e la massima durata della batteria, questo controller driver ha un'architettura boost a bassissimo consumo con una corrente di standby di 75 μA e una corrente di spegnimento di 1 μA.

Per esplorare le capacità del driver piezoelettrico MAX77501, i progettisti possono utilizzare il kit di valutazione MAX77501EVKIT#, completamente assemblato e testato. Il kit consente di valutare facilmente MAX77501 e la sua capacità di pilotare un segnale aptico di grandi dimensioni attraverso un attuatore piezoelettrico ceramico. Il kit include un software GUI basato su Windows per esplorare tutte le caratteristiche di MAX77501.

ToF per la consapevolezza situazionale

La consapevolezza situazionale può essere un aspetto importante degli ambienti VR/MR/AR/XR. La piattaforma di valutazione AD-96TOF1-EBZ supporta questo aspetto con una scheda trasmettitore laser VCSEL e una scheda ricevitore AFE per lo sviluppo di funzioni di percezione della profondità ToF (Figura 5). Abbinando questa piattaforma di valutazione a una scheda processore dell'ecosistema 96Boards o della famiglia Raspberry Pi, i progettisti hanno a disposizione un progetto di base per sviluppare il software e gli algoritmi per implementazioni ToF specifiche per le applicazioni con alti livelli di granularità 3D. Il sistema è in grado di rilevare e di individuare gli oggetti in condizioni di forte illuminazione ambientale e dispone di diverse modalità di rilevamento del raggio d'azione per ottimizzare le prestazioni. Il kit di sviluppo software (SDK) incluso fornisce wrapper OpenCV, Python, MATLAB, Open3D e RoS per una maggiore flessibilità.

Figura 5: La piattaforma di valutazione AD-96TOF1-EBZ consente di sviluppare sistemi di rilevamento situazionale ToF ad alte prestazioni. (Immagine per gentile concessione di Analog Devices)

Conclusione

La creazione di ambienti immersivi e interattivi per il metaverso è complessa e richiede molto tempo. Per accelerarla, i progettisti possono rivolgersi a una gamma completa di soluzioni compatte e ad alta efficienza energetica di Analog Devices, tra cui piattaforme di sviluppo e valutazione per sistemi di rilevamento biometrico, biofeedback e consapevolezza situazionale.

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