Последние несколько лет земной жизни показывают — система дополненной реальности (AR — Augmented Reality) пользуется высочайшим интересом. Широко известные корпорации «Microsoft», «Meta», «Apple», «Google» инвестировали в это направление огромные средства. Между тем стимулом для инвестиций стала вовсе не игровая гарнитура дополненной реальности, но инструмент под производственный сектор, сферы складирования, логистики, розничной торговли.
СОДЕРЖИМОЕ ПУБЛИКАЦИИ :
Гарнитура дополненной реальности делового назначения
Если взять, к примеру, сферу складирования товаров и продуктов, здесь гарнитуры дополненной реальности обещают повысить эффективность труда, обеспечивая сбор, сортировку, упаковку, оформление заказов и многое иное.
Для производственных условий гарнитуры AR способны качественно направлять сотрудников, визуализировать задачи сборки, автоматически маркировать инструменты, помогать находить нужные детали.
Между тем, современные системы дополненной реальности воспринимают окружающую среду через камеры или датчики «зрения», которые технически ограничены прямой видимостью. Такое ограничение прямой видимости негативно влияет на эффективность действия.
Поэтому назрел естественный вопрос: допустимо ли построить систему дополненной реальности, способную воспринимать полностью закрытые объекты, готовую обеспечить расширенное восприятие людей за пределами прямой видимости?
По мнению специалистов, чтобы реализовать задачу, требуется подход с использованием радиочастотных сигналов, способных, в отличие от видимого света, преодолевать естественные преграды:
- картонные коробки,
- пластиковые контейнеры,
- деревянные перегородки,
- ткани и т.п.
Недавние достижения в области радиочастотного зондирования показали возможности применения радиочастотных сигналов для обнаружения и точной локализации предметов. Причём обнаружение и точная локализация допускают исключение прямой видимости и наличие сильного загромождения. Достигается результат за счёт метки UHF RFID.
Прототип система дополненной реальности X-AR
Здесь (ниже) рассматривается прототип – гарнитура дополненной реальности X-AR. Конструкция отличается наличием специально разработанной конформной антенны под гарнитуру «Microsoft Hololens 2». Антенна подключена к программно-определяемым радиоустройствам «BladeRF», которые взаимодействуют с гарнитурой через пограничный сервер. Программный код под работу в режиме реального времени написан на языке C.
Устройство X-AR — это система дополненной реальности следующего поколения, способная воспринимать объекты в прямой видимости и вне прямой видимости. Новая система дополненной реальности способна идентифицировать, обнаруживать, маркировать предметы с RFID-метками в окружающей среде.
Тут конструкция использует модуль RF-датчика для считывания пассивных стандартных меток UHF RFID, закреплённых на конкретных предметах. Комбинируя эту информацию с визуальными данными, полученными с датчиков камеры гарнитуры AR, устройство с высокой точностью находит предметы, помеченные RFID-метками.
Гарнитура дополненной реальности X-AR предназначена, в первую очередь, к применению практически на объектах:
- склады,
- производственные предприятия,
- розничные магазины и т.п.
Аппарат оппортунистически использует движение человека (служащий на ходу ведёт сбор предметов). Система локализует помеченные предметы в окружающей среде, направляет служащего к цели, проверяет корректность сбора.
Действие гарнитуры X-AR легко распространить на несколько меток RFID в окружающей среде. Для этого предусмотрен протокол «EPC Gen 2», с помощью которого гарнитура X-AR считывает каждую метку RFID отдельно, но выполняет одни и те же алгоритмы локализации и проверки для каждой метки.
Система дополненной реальности AR-конформная антенна
Конструкция X-AR использует конформную антенну для идентификации, обнаружения и проверки меток UHF RFID, никак не ограничивая работу служащего. Рассмотрим подробнее конструкцию AR-конформной антенны, требования, возможные проблемы и эволюцию от обычной конструкции антенны до структуры, удовлетворяющей всем желаемым потребностям.
Для выполнения RFID-локализации с гарнитуры дополненной реальности в поле зрения пользователя антенна должна удовлетворять следующим требованиям:
- Широкополосная работа на частотах около 900 МГц, хорошее согласование и высокий коэффициент усиления в полосе пропускания не менее 200 МГц.
- Исполнение на гибкой подложке, максимум поля зрения служащего или камеры, установленной впереди гарнитуры.
- Легкий и компактный форм-фактор, вес менее 1 грамма, простая удобная установка на козырёк.
Существующие решения для современных широкополосных систем локализации RFID не удовлетворяют этим свойствам. В частности, применяются жёсткие, относительно большие и громоздкие антенны. Например, большие патч-антенны размером 26*26*3,3 см и весом более 1 кг. Правда, есть ещё и логопериодические антенны габаритами 15*13*0,01 см и несколько облегчённые по весу.
Такие решения не подходят для инновационного продукта. Если же в системах локализации RFID и применяются компактные и лёгкие антенны, таковые имеют узкую полосу частот, что также делает этот вариант непригодными для нового использования.1
Разработка AR-конформной антенны нового типа
Конструкция с одной рамочной антенной видится вполне подходящей, учитывая, что форма петли удачно охватывает контур козырька гарнитуры, обеспечивая небольшой форм-фактор, не мешающий полю зрения. Кроме того, петля представляет простую антенну, не требующую заземляющего слоя, что делает лёгкой установку на гарнитуру дополненной реальности.
Картинка выше демонстрирует один из возможных вариантов конструкции рамочной антенны, изготовленной на полиимидной подложке толщиной 100 мкм и установленной на гарнитуру «Microsoft Hololens 2». Антенна, как видно, практически повторяет периметр козырька, не загораживает полезную область обзора. Чтобы определить размеры, соответствующие работе на частоте около 900 МГц, разработчики выполнили моделирование антенны с помощью «Ansys High Frequency Simulation».
В качестве материала использовали полиимидные плёнки, учитывая хорошие электромагнитные свойства, гибкость, доступность по цене. Показанная на картинке антенна имеет вес менее 1 грамма, что полностью удовлетворяет заявленным требованиям небольшого форм-фактора при сохранении малого веса.
Векторным анализатором цепей измерялись частотные параметры рамочной антенны. На картинке ниже показан коэффициент усиления контура в зависимости от частоты. Здесь полоса пропускания 3 дБ приблизительно на 100 МГц около 780 МГц.
Таким образом, конструкция рамочной антенны не позволяет достичь желаемой полосы пропускания 200 МГц. Следует отметить, однако: рамочная антенна обеспечивает резонансную частоту 900 МГц и коэффициент усиления 3,8 дБ в условиях воздушной среды. Однако усиление ухудшилось на 3 дБ, частота сместилась на 120 МГц в процессе испытаний с установкой на гарнитуре.
Широкополосная AR-конформная антенна
Для увеличения пропускной способности одноконтурной конформной антенны тестировались изменения форм-фактора:
- сужение (постепенное изменение ширины контура),
- слотирование (желаемая пропускная способность).
В конечном итоге удалось достичь оптимальной формы конструкции. Для этого пришлось тщательно подобрать размеры антенны, чтобы добиться идеального соответствия форме козырька гарнитуры, без блокировки камер. Также пришлось добавить конусы на контур антенны и сделать прорези по верхней и нижней линиям вокруг носа. Тем самым удалось обеспечить широкополосную работу.
Как и в случае с рамочной антенной измерялось усиление для оценки полосы пропускания конформной антенны на уровне 3 дБ после установки на гарнитуре. Красная линия графика на картинке выше показывает параметры новой антенны в зависимости от частоты. Ширина полосы усиления по уровню 3 дБ здесь составляет 200 МГц — рост от 775 МГц до 975 МГц. Эта антенна явно обеспечивает желаемую диаграмму усиления в интересующем диапазоне частот.
Заключение
Здесь рассмотрен новый способ обнаружения системами дополненной реальности с помощью сетевого радиочастотного зондирования. Открываются возможности воспринимать прежде нечто скрытое, как для человеческого глаза, так и для существующих гарнитур дополненной реальности.
Открываются интересные возможности и применения на стыке радиочастотного зондирования и систем дополненной реальности. По мере развития технологии специалисты надеются изучить многое. Например, как различные сетевые методы беспроводного зондирования и методы объединения датчиков, включая:
- RFID,
- Wi-Fi,
- миллиметровые волны,
- терагерцовые волны,
способны расширить дополненную реальность, открыть новые возможности в плане визуализации и взаимодействия.
При помощи информации: ROS