порядке обсуждения
УДК 681.518.528.425.1
ГЛОБАЛЬНАЯ СИСТЕМА ВИРТУАЛЬНОЙ И ДОПОЛНЕННОЙ РЕАЛЬНОСТИ ДЛЯ ЗАКРЫТЫХ ПРОСТРАНСТВ
М. В. Желамский
Предложена концепция создания новой инфраструктуры современного мегаполиса — системы виртуальной и дополненной реальности с неограниченной зоной перемещения пользователя. Проведен анализ существующих систем позиционирования. Определены требования по точности позиционирования в городских условиях. Сделаны оценки габаритов и электрических параметров компонентов предлагаемой системы. Описаны свойства и преимущества нового информационного поля. Дан состав новой системы и описание ее работы. Описаны основные перспективы применения системы.
Ключевые слова: мегаполис, дополненная реальность, позиционирование, закрытые пространства, информационное поле, генератор магнитного поля, подвижный приемник, помехозащищенность.
ВВЕДЕНИЕ
Будущее информационных технологий — это VR&AR-системы, объединяющие визуализацию синтезируемых изображений и позиционирование свободно перемещающихся пользователей [1]. Для эффективного управления синтезированными изображениями в VR&AR-технологиях необходимо знать линейное положение и ориентацию подвижного объекта.
Для города наиболее привлекательна система дополненной реальности, позволяющая дополнительно обогащать реальную жизнь путем проецирования на пользователя информационных изображений, относящихся к выбранному направлением взгляда пользователя объекту. Перспектива развития AR-систем — увеличение масштабов зоны перемещения пользователя до сотен метров. Это и организация полного позиционирования пользователя, включая линейное положение и ориентацию, позволят клиенту выйти на улицы города и общаться с элементами инфраструктуры современного мегаполиса как среды обитания человека.
Современный мегаполис содержит сложные чередующиеся структуры из металла, железобетона, композитных и слоистых материалов; закрытые помещения и недоступные и непрозрачные пространства все больше становятся типичной средой обитания человека. Современная среда обитания непрозрачна для привычных радиочастотного и оптического полей, что определяет необходимость поиска нового информационного поля для решения задачи позиционирования в закрытых пространствах. Судя по стремительному технологическому росту цивилизации, можно предположить, что освоение управляемого термоядерного синтеза и совершенствование строи-
тельных технологий откроют нашим ближайшим потомкам пути и безграничные возможности для развития подземных и подводных сооружений, поселений, инфраструктуры и коммуникаций. Не вызывает сомнения, что позиционирование в закрытых пространствах будет востребовано уже в самом ближайшем будущем.
Что мы можем предложить нашим потомкам для осуществления глобального позиционирования в новой среде обитания? Какое информационное поле (далее И-поле) можно применить для наложения на непрозрачную среду с целью получения возможности позиционирования в закрытых зонах проживания людей? Без этого у людей не будет возможности развиваться в новых условиях, так как позиционирование и связь — основы современного высокотехнологичного общества.
ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ
Новое И-поле должно обладать закономерно воспроизводимым, стабильным пространственным распределением в закрытых пространствах в условиях воздействия внешних факторов, характерных для данной среды обитания.
Система позиционирования должна адекватно привязывать пользователя к таким элементам городской инфраструктуры, как двери, окна, тротуары, этажи. Определение направления линии визирования на выбранную пользователем цель должно производиться в полном диапазоне углов ориентации. Для этого точность линейного позиционирования в городской среде должна быть не хуже долей метра, а точность определения ориентации — не хуже одного-двух угловых градусов. Для работы системы в реальном времени частота обновления данных должна быть не менее 25 Гц.
СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ ИССЛЕДОВАНИЙ В ДАННОЙ ОБЛАСТИ НАУКИ
Известны методы позиционирования — спутниковые, инерциальные, оптические, механические, радиочастотные, магнитные. Радиочастотное поле быстро затухает в сплошной среде (грунт, строительные материалы). Оптическое позиционирование требует прямой видимости. Акустическое поле наиболее сильно чувствует свойства среды распространения. Механическое позиционирование (например, движение по рельсам) не может быть опережающим при подземном строительстве. Инерциальное позиционирование в магнитном поле Земли (МПЗ) неоднозначно, неточно и нестабильно [1, 2].
Реальная величина "мгновенной" точности определения линейного положения статического объекта в городской среде для современного ОРБ-трекера находится на уровне 10—20 м под открытым небом и в открытом пространстве. Усреднение по нескольким тысячам измерений снижает величину среднеквадратического отклонения линейных координат до уровня одного метра. Использование стационарных станций и дифференциальных поправок может повысить точность до десятых долей метра. Однако, наличие крупных объектов, искажающих распространение радиоволн от спутника до наземного приемника (состояние ионосферы, облака, здания, лес), значительно снижает точность линейного позиционирования, наиболее важную для условий мегаполиса. В закрытых помещениях спутниковые технологии позиционирования не работают. Кроме того, спутниковые глобальные системы позиционирования не обеспечивают полного позиционирования. Впрямую вычисляются только линейные координаты. Ориентация определятся по траектории движения, и для неподвижного объекта определена быть не может. Частота обновления данных в большинстве случаев не превышает 5 Гц.
Известны локальные системы магнитного позиционирования, использующие синусоидальные и импульсные магнитные поля [3, 4]. В стандартной конфигурации диапазон перемещений ограничен масштабом нескольких метров при потребляемой мощности до сотни ватт. Известны попытки позиционирования подвижных объектов с использованием синусоидальных магнитных полей в открытом пространстве на дальностях до 2—3 км [5]. Однако под землей влияние неоднородной проводимости почвы на распространение синусоидальных магнитных полей не позволяет достичь желаемой точности позиционирования [6].
В работе [1] показано, что поставленная проблема может быть решена путем использования
квазипостоянного магнитного поля, дополнительно накладываемого на среду обитания, включая городскую структуру. Магнитная проницаемость разных видов земной среды и большинства строительных материалов весьма близка к единице и слабо зависит от условий пребывания. Локальных магнитомягких материалов в окружающем пространстве не так много в объемном соотношении в сравнении с в основном немагнитной средой обитания. Магнитные свойства материалов более стабильны, чем электрические свойства. Поэтому только постоянное магнитное поле в состоянии пронизывать с минимальными искажениями земную твердь, строения, людей как порознь, так и в комбинации. Там же впервые предложена концепция организации сетевой системы активного позиционирования в смешанной среде обитания, характерной для современного мегаполиса. Концепция сводится к организации сети локальных источников магнитного поля, перекрывающей зону перемещения пользователей в заданном районе мегаполиса.
Известный импульсный способ позиционирования [4] имеет низкую динамическую точность из-за особенностей применяемого алгоритма. Кроме того, точность позиционирования данного метода катастрофически падает с ростом дальности. Результаты применения импульсной магнитной технологии позиционирования на более значительных расстояниях не известны.
Таким образом, на больших расстояниях и в закрытых пространствах ни одна из известных технологий не дает искомого результата.
СУТЬ НОВОГО ПРЕДЛОЖЕНИЯ
Предложено использовать новую форму магнитного поля, которое проникнет в закрытое помещение и обеспечит минимум погрешностей позиционирования.
Как видно из рис. 1, предлагаемое И-поле представляет собой последовательность разно-полярных импульсов одинаковой амплитуды с
1х+\ Г\ 1х + 2 г\
\ 1 \ 1 Время
1х-1 1х-2
Рис. 1. Диаграмма изменения информационного магнитного поля
34 _БелБоге & Sysfems • № 7.2009
плоской вершиной. Длительность единичного импульса может составлять от единиц до долей миллисекунды и определяется свойствами среды распространения. Длительность фронтов — сотни микросекунд. Непрерывная последовательность циклов из трех двухполярных импульсов, генерируемых ортогональными рамками с током, создаст необходимые условия для однозначного решения задачи позиционирования в зоне действия данного информационного поля. Плоская вершина каждого импульса позволяет исключить электропроводность среды обитания из рассмотрения в отличие от синусоидальных полей. Это означает, что влияние погодных условий на работу системы будет исключено. Биполярность поля позволяет наилучшим образом компенсировать влияние МПЗ, что выгодно отличает данное предложение от известной импульсной технологии магнитного позиционирования. Магнитное поле падает на большом удалении от источника пропорционально кубу расстояния. Поэтому при разумной дальности и потребляемой мощности измеряемое поле будет много меньше МПЗ, что выдвигает проблему помехозащищенности измерений на первое место, особенно в условиях современного мегаполиса. Разностный характер предлагаемого поля позволяет проводить эффективное позиционирование при больших превышениях МПЗ над И-по-лем, а также снижает эффект от многих влияющих факторов (медленные вариации МПЗ, тепловой дрейф приемника и др.).
РАСЧЕТНЫЕ ОЦЕНКИ
Для получения разумной дальности действия элемента такой сети нужно повышать как магнитный момент стационарного источника магнитного поля, так и чувствительность подвижного приемника. В этом случае дальность действия элемента сети будет целиком зависеть от чувствительности магнитных измерений, которая в современной мировой практике (включая проект М1ТЕСН) составляет для миниатюрных подвижных приемников величину порядка 0,1 мГс. Опыт [8] показывает, что для обеспечения позиционирования в реально
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.