MIT:只需一层RF传感器,就能为AR头显赋予“X光”穿透视力
近年来,AR在仓库、工厂等场景得到应用,比如GlobalFoundries、亚马逊、菜鸟裹裹就使用摄像头扫描定位货品,并使用AR来导航和标记。目前,这种方案主要基于视觉算法,因此仅能定位视线范围内的目标。然而,在一些堆满包裹的仓库,或是充满材料和隔层的厂房中,用视觉算法很难定位堆在底下、被遮挡的包裹。
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因此,MIT Media Lab旗下的信号动力小组(The Signal Kinetics)提出了一种,将AR与射频(RF)技术结合的定位方案,并宣称可赋予使用者“X光”穿透视觉。据悉,该方案名为X-AR,其形态是一种柔性、拱形天线阵列,可叠加在HoloLens 2等AR头显外层,用于识别周围的RFID标签。将无线射频信号与AR头显的视觉功能结合后,可帮助用户快速定位和导航隐藏的目标物品,比如在仓库、物流等场景,可提醒工作人员注意隐藏在遮挡物后的放错位置的物品。
关于X-AR射频方案
细节方面,X-AR外观看起来像眼罩,重量不到1g,其形状专为AR眼镜/头显设计,可以很好的贴合头显前盖,不会遮挡头显上的摄像头或传感器。X-AR的接收器可识别超高频RFID信号,市面上很多产品已经使用RFID标签,比如服装、消费级商品、库存等等,而美国93%零售商已经采用UHF RFID技术(超高频RFID)。
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RFID标签的优势在于,成本低、不用电,可规模化使用,适合用来管理仓库。相比于市面上其他RFID定位方案,X-AR的优势是采用单回路设计,因此体积更小,可环绕HoloLens 2等头显前盖的轮廓,而且天线之间不需要米级间距,也不需要在预设轨迹上移动。
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那么X-AR是如何将RFID与与AR结合的呢?原来,X-AR不仅结合了HoloLens 2的计算机视觉功能,还结合AR用户界面,来很好的管理和分类库存。其使用方法如下:
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首先,你要在AR中用手势选择想要在仓库中寻找的物品,比如某一件T恤。接着,X-AR系统通过传感器阵列发送无线信号,这些无线信号可激活周围的RFID标签,并接收返回的识别码。即使目标在箱子里或是被其他物品遮挡,X-AR也能接收到它返回的独特识别码。接着,X-AR根据收到的数据来生成3D场景图,当使用者在空间中移动时,该系统还会定位头显的移动路径,并结合RF检测结果,来预测场景中的目标RFID与头显的相对位置。
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与此同时,X-AR还会在使用者运动时,扫描周围环境的位置,目的是缩小、锁定目标所在的范围。当X-AR识别到目标物体时,便会以AR的形式显示导航。此外,为了验证用户找到目标物体,X-AR还将识别到的手势动作与RF信号结合,以确认用户完成目标拾取。
这项研究主要有三大创新:
◎ AR-conformal宽带天线(RFID天线):特点是基于柔性设计,可以很好的贴合HoloLens 2的前盖,而且重量轻,不会给现有的头显产品带来更大负担,而且不阻挡头显传感器或用户视线;
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◎ RF-Visual合成孔径雷达(SAR):将AR定位算法、计算机视觉摄像头、RF传感结合,即使用户在环境中自然行走,也能定位隐藏在视野之外的目标;细节方面,X-AR先用计算机视觉来实现自我定位,然后结合用户在移动时收集的RFID信息来创建合成孔径雷达(SAR),并以高精度定位RFID标记;
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◎ 基于RF和视觉的验证步骤:通过追踪手势,X-AR可识别使用者拿到目标物体的动作,然后识别物品被拿起来时RFID的运动,执行反向SAR来确认找到目标物品。
性能与局限
理论上,天线可以放在头显顶部、用户肩膀上,甚至手中,X-AR的设计优势在于,它和头显很好的结合,不遮挡视线,也不占手,因此不影响使用者在仓库中执行其他任务。
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经过234次性能试验,科研人员发现X-AR的定位效果非常准确,准确率达到95%以上,误差小于9.8厘米。不过该方案也存在一些局限,比如其原型机为有线设计,需要连接额外的电源或计算单元。科研人员指出,未来计划采用市面有售的RFID读取芯片,并集成到AR头显内部。
此外,X-AR仅支持单机运行,不支持多AR头显协作,而且识别范围仅3-4米,未来有望继续提升。值得注意的是,X-AR的传输功率低于市面上的穿戴式RFID传感器,因此未来可以在场景中使用RFID传感架构,为RFID标签供电。此外,RFID无法定位金属盒内的物品,智能读取金属或液体瓶子表面上的RFID标签。
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随着物联网技术发展,RFID的应用范围越来越广泛,在仓储物流、医药、农业、畜牧业、汽车、电力、交通、零售等场景均可应用,比如超市、服装店、无人智能货柜、仓库等场景。其优势包括:扫描速度快、具有穿透性(可穿透纸张、木材、塑料等非金属或非透明材质)、数据储存容量大、小型化、外形多样化。
科研人员指出,X-AR方案在零售、工业等领域有多种应用场景,比如在仓库中,X-AR可指导员工补货、打包和处理退货,从而提升工作效率。而在零售店中,X-AR可帮助店员快速查找店内被乱放的商品,帮助客人找货,以及填补货架等等。在智能工厂领域,X-RA可以很好的将组装任务、工具信息可视化,还可以定位特定的元件,指导一线工人更好的执行工作,从而提升效率、降低失误率。
对于AR头显来讲,X-AR的意义还包括拓展了AR定位的范围,即使是摄像头和视觉算法感知范围外的目标,也能快速定位。未来,X-AR还有望与HoloLens 2之外的其他商用AR头显结合。参考:MIT
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