Programmable signal path system for magnetic tracking devices for local navigation tasks

R L Holyaka,T A Marusenkova,S E Fabirovskyy,I N Prudyus

doi:10.20535/radap.2020.80.48-56

Abstract

Introduction. The article is dealing with the Magnetic Tracking signal path for measurement of objects’ positions in nearby places. The basic principle of the Magnetic Tracking method is based on measurement of magnetic induction of the reference magnetic fields and the calculation of the objects position based on it.Problem analysis. Big advantages of magnetic tracking technologies are the non-line-of-sight feature compared to optical tracking and high accuracy of long time measurement compared to inertial tracking. However, a very large signal range and significant distortions due to nearby metallic objects are serious drawbacks preventing magnetic tracking from being widely used.Selection and configuration of signal path components. Taking into account the requirements of uptoday microelectronics, in particular for the sensors of the Internet of Things, the signal path of the Magnetic Tracking sensors is implemented on the concept of System on Chip. Basic components of the signal path are software Programmable Waveform Generator, Programmable Gain Amplifiers and Programmable Mixer. Configurations of the components are provided by Application Programming Interface routines.                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                               Functional and model studies of the synchronous detector. Noise immune processing is based on synchronous detector. SPICE simulations and analysis of this detector are provided.Implementation of signal path of magnetic tracking. The signal converter has been implemented on the Programmable System on Chip PSoC 5LP (Cypress Semiconductor). The module CY8CKIT-059 Prototyping Kit has been used. The developed software for controlling the measurement process provides controlling the conversion mode, dynamic amplification switching, analog-to-digit converting, etc.Conclusions. The novelty of the solutions presented in the work is the combination of signal amplification dynamic switching and the noise immune processing. Reference magnetic fields are formed by actuator coils in the lowfrequency spectrum of electromagnetic waves. Signals are produced by sensor coils and are used for objects position calculation. Technologies of Magnetic Tracking are considered as high promising solutions for Virtual Reality, Augmented Reality and Internet of Things.

Highlights

The article is dealing with the MagneticTracking signal path for measurement of objects’ positions in nearby places
Tracking method is based on measurement of magnetic induction
the non-line-of-sight feature compared to optical tracking

Summary

Огляд лiтератури

Прикладами сучасних задач та рiшень, якi розглядаються в науковiй лiтературi з проблематики магнiтного трекiнгу є: розрахунок просторового положення об’єктiв в 3D електромагнiтних системах трекiнгу [6], розроблення систем електромагнiтного трекiнгу для сканування ближнiх полiв (Near-Field Scanning) [7], калiбрування вимiрювальних систем трекiнгу для динамiчної компенсацiї спотворень магнiтного поля [8], аналiз точностi та моделювання похибок систем магнiтного трекiнгу [9], використання технологiї магнiтного трекiнгу в задачах навiгацiї гнучких роботiв [10], хiрургiї [11], монiторингу кiнематики обличчя [12] тощо. Прикладами сучасних iндуктивних компонентiв магнiтних сенсорiв трекiнгу є iнтегрованi 3D (3 Dimensions) котушки, що формують та вимiрюють три проекцiї BX , BY , BZ вектора iндукцiї магнiтного поля [13]. Конструкцiя таких iндуктивних компонентiв передбачає зменшення розмiрiв та адаптацiю пiд конкретнi умови експлуатацiї, зокрема для пристроїв вiртуальної реальностi [14]. Сучасним трендом розвитку систем магнiтного трекiнгу є використання концепцiї «злиття даних» (Data Fusion) та реалiзацiя цiєї концепцiї в сенсорнiй технiцi – злиття сенсорiв (Sensor Fusion) [15]. Значну увагу при розробленнi таких систем придiляють новiтнiм рiшенням сигнального тракту, якi повиннi вiдповiдати вимогам мультифункцiональностi, динамiчного конфiгурування та програмування режимiв роботи, критерiям сумiсностi з вбудованими системами (ES – Embedded System) вищезгаданих пристроїв IoT, VR та AR тощо. У вiдповiдностi до цього, в данiй роботi пропонується ефективне рiшення сигнального тракту систем магнiтного трекiнгу на основi концепцiї «програмованих систем на кристалi (чiпi)» (PSoC – Programmable System on Chip) [18]

Аналiз проблеми

Вибiр та конфiгурування компонентiв сигнального тракту

Реалiзацiя сигнального тракту магнiтного трекiнгу

Introduction

Conclusions