Fred Dijkstra (System Architect)

Transcriptie

1 Inertial Human motion capture Fred Dijkstra (System Architect) 1

2 3D orientatie en positie tracking Gebruik van miniatuur MEMS en andere technologie HQ in Enschede, office Los Angeles >70 werknemers (~50% R&D) Klanten in meer dan 60 landen

3 Markten Industrial Entertainment Movement science

4 Inertiële bewegingssensor Mechanisme Metingen 3D acceleratie 3D rotatie snelheid 3D magnetisch veld Bereken: 3 DOF absolute orientatie

5 Signaal verwerking Ruwe data naar gefilterde data ACC GYR 3D acceleratie 3D hoeksnelheid Strap Down Integration Filter 3D acceleratie 3D hoeksnelheid MAG 3D magnetisch veld ( Hz) v Ruwe data 2 khz Gefilterde Data Anti-aliasing (vibraties en impact)

6 MVN Full body human motion capture system

7 MVN Human motion capture MVN suit MVN Case MVN Studio

8

9 MVN Biomedische toepassingen

10 Biomechanisch onderzoek Systeem April 27, 2012

11 Biomechanisch onderzoek Gewrichtshoeken

12 Awinda system Volledig draadloos human motion tracking Applicaties: Sport Biomechanisch onderzoek Ergonomie Rehabilitatie Gewrichtshoeken!

13 Kiezen draadloze technologie Process voor keuze

14 Gecombineerde metingen Synchronisatie Station S1 Wanneer sensoren gecombineerd moeten worden voor bepalen gewrichtshoeken geldt het volgende: Het bemonsteren moet gesynchroniseerd gebeuren. Alle sensoren hebben hun data tegelijkertijd beschikbaar. De transmissies moeten gecoordineerd gebeuren om pakket interferentie te voorkomen. Synchronisatie moet beter dan 10 s.

15 Sensoren moeten gesynchroniseerd zijn Draadloos en batterij gevoed, dus energie zuinig Klein formaat Goedkope bewezen technologie gebruiken Alle data tegelijkertijd beschikbaar Real-time visualisatie Offline analyse, dus verliesvrij kunnen opnemen indien nodig Ondersteunen van verschillende configuraties (aantal sensoren en data frequentie) Toestaan dat af en toe buiten bereik Draadloze technologie Pakket van Eisen

16 Draadloze communicatie CSMA/CD (Carrier Sense Multiple Access/Collision Detection) Sensor Station CSMA/CD Data Wait Wait Data Ack Data Ack CSMA/CD Data ACK Data ACK Simpel, ad-hoc netwerken, peer-to-peer

17 Draadloze communicatie TDMA (Time Division Multiple Access) Sensor Master Wait for timeslot Data Wait Wait Data Ack Data Ack Data ACK Data ACK Complexer vanwege connectie, statische netwerken met centrale netwerk master

18 Draadloze technologie Complexere implementatie: Eerst connectie opzetten om tijdslot te krijgen Gemeenschappelijke klok nodig via netwerk beacon Nauwkeuriger klokken nodig = hoger energie verbruik TDMA Maar: Volledige benutten radio kanaal want veel sensoren tegelijkertijd toepassing van human motion capture Netwerk beacon gebruiken voor synchronisatie Dus alleen nauwkeurige klok op station

19 Draadloze technologie TDMA Frame Vorige frame S 1 S 2 S 3 S 32 Volgendef rame Master broadcast Data ACK Data ACK Onnodig bij goede verbinding...

20 Draadloze technologie TDMA Frame Vorige frame S 1 S 2 S 3 S 32 Volgende frame Data Master broadcast Maar, hoe om te gaan met data verlies? Conventioneel is om data punten te interpoleren. Maar omdat precies weten welke data betere keuze maken. Eerst welke data willen we versturen?

21 Draadloze technologie Welke data versturen? Strap Down Integration Hoekverdraaiing v Snelheidsverandering Filter 3D acceleratie 3D hoeksnelheid Gefilterde data Filter = processing = power Welke data draadloos versturen?

22 Geintegreerde data Filtering op de host (PC) Integratie interval

23 Geintegreerde data Door-integreren Transmissie mislukt V[1] V[2] = V[1,2]- V[1] Geen real-time visualisatie V[4] V[5] = V[1,5]- V[1,4] V[6] = V[1,6]- V[1,5] Data blijft correct Frame interval

24 Wireless protocol TDMA Als toch nodig is om alle data te krijgen gebruiken van retransmissie tijdsloten De applicatie kan dit sturen via de broadcast van de master. Master Slot of Previous frame Tx slots Frame Re-Tx slots Master slot Vorige frame Volgende frame Gebruikt door de sensoren om te bepalen: Wat te verzenden Wat opnieuw te zenden in retransmissie tijdsloten Broadcast bevat o.a. retransmissie verzoeken. Buffering op sensor voor ongeveer 20 seconden. Daarna niet meer individuele integratie waardes ophalen.

25 Processor SDI Sampler EMTS manager LED manager Scheduler Scheduler Measurement manager Calibration parameters manager Connection manager UART Radio link manager Awinda protocol CC2530 PHY

26 Awinda Data frequentie tov aantal sensoren 250 kbps

27 Draadloze technologie Gebruik SFD timestamping van CC2530 voor tijd synchronisatie Tijd synchronisatie Master Preamble SFD Length Protocol Data Propagatie tijd < 1 s Receiver Preamble SFD Length SFD Capture Timer Protocol Data 4 minuten = 10 s Synchronisatie algoritme om ook gesynchronieerd te blijven bij tijdelijk buiten bereik.

28 Awinda demo

29 Waarom geen positie? Drift: integratie van kleine fouten over de tijd Als Awinda timing heel precies was kon dit gebruikt worden om plaatsbepaling mee te doen. Niet het geval Iets anders nodig Extra info nodig: Computer vision, GPS, Ultrasoon of RTLS (UWB) MTi-G MotionGrid

30 Locale plaatsbepaling Computer vision Aiding sensors Sensor fusion Vision 2D/3D corresp. Accelerometers Extended Kalman filter Orientation Position X Gyroscopes April 27,

31 Augmented reality

32 MotionGrid Ultra Wideband local positioning system

33 (Time-of-arrival) MotionGrid TDOA positioneringssysteem TOA A A TOA B B Reader Tag Sync. & Distributie D TOA D Readers zijn gesynchroniseerd

34 MotionGrid Actor met tags Reader

35 MotionGrid Combinatie van UWB met inertiele data Voor mathematische oplossing minimaal TOA van 4 readers nodig. Door blokkade van lichaam door hoge frequenties is dit niet altijd het geval. Plaatsbepaling alleen met UWB niet robuust genoeg. Combineren met inertiele data lost dit probleem op: beste van twee werelden.

36 April 27,

37