[发明专利]一种基于无源光标签的井下定位装置及定位方法

说明书

一种基于无源光标签的井下定位装置及定位方法，包括具备光强调制和能够实现光的后向反射功能的组合式光标签、光发射器以及接收器，组合式光标签纵向均匀铺设在巷道顶板上；在矿车的顶部分别安装光发射器和接收器，且光发射器和接收器朝向巷道顶部，矿车内部均安装有边缘计算节点，用来实时获取反射光强信息并根据光强信息解析出相应的光信号位于哪个组合式光标签附近，以定位矿车的位置。本发明的组合式光标签无需电源以及芯片即可实现调制功能，可以实现光强的调制以及光的后向反射；本发明通过频率分配算法来消除无关光源的影响，同时提出了一种抗光强波动的标签识别方法，具有好的应用前景，可在井下大规模部署，适用于井下狭长且黑暗的环境。

技术领域

本发明涉及一种井下定位装置及定位方法，具体是一种基于无源光标签的井下定位装置及定位方法，属于井下智能定位技术领域。

背景技术

煤炭资源作为能源矿产资源之一，关乎着我国社会建设和民生建设，为促进井下的安全生产，急需建立稳健的井下通信系统以实现人员或矿车的定位。

目前已提出多种井下通信技术，如WIFI、蓝牙和射频识别等，然而，由于井下存在复杂的电磁环境、多径干扰等问题，导致上述通信技术通常存在定位精度低、成本高昂，实际部署困难等问题。

近年来，可见光通信技术以其成本低、通信与照明一体化以及普适性等优点，在井下定位领域显示出巨大的潜力。然而，大多数基于可见光的定位方法需要定制的信标电路来改造光源，涉及复杂的改造技术和巨大的改造成本，在短期内难以广泛采用。此外，与需要复杂的定制光源的方法不同，基于标签的可见光定位技术利用标签对光进行调制以实现定位，但是此类方法通常需要光标签配备电源或芯片以提供调制功能，以及依赖额外的设备(如摄像头或特殊传感器)进行光标签识别，高昂的成本以及能源损耗阻碍了其大规模发展。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于无源光标签的井下定位装置及定位方法，利用无源光标签对井下矿车进行实时定位，无需部署供电基础设施、成本低廉、定位精度高且适合井下大规模部署。

为了实现上述目的，本发明提供一种基于无源光标签的井下定位装置，包括组合式光标签、光发射器以及接收器，组合式光标签具备光强调制和能够实现光的后向反射功能，组合式光标签纵向均匀铺设在巷道顶板上，以巷道走向为纵向；在矿车的顶部分别安装光发射器和接收器，且光发射器和接收器朝向巷道顶部，矿车内部均安装有边缘计算节点，用来实时获取反射光强信息并根据光强信息解析出相应的光信号位于哪个组合式光标签附近，以定位矿车的位置。

作为本发明的进一步改进，组合式光标签是将若干个子光标签组合形成的，子光标签由吸收层和反射层组成，吸收层由聚乙烯薄膜制成，用于调节光强；反射层位于吸收层后方，用于后向反射入射光；当光束通过吸收层时，会被薄膜部分吸收，光强被削弱，从而进行强度调制；然后，光线被反射层反射，再次穿过吸收层进行强度调制，最终，接收器可以接收到特定光强的反射光；当增加或减少吸收层薄膜的层数，或者更改吸收层薄膜的颜色时，吸收层的光吸收能力发生变化，对光进行不同程度的吸收，经反射层反射后，接收器可以产生接收到不同强度的光；由此，在无电池无芯片的情况下，通过改变光标签本身的光学特性实现了光强调制；然而面对两个问题，一方面，由于颜色和厚度的双重调制，会出现光标签调制效果相似的情况，另一方面，光标签的数量是有限的，无法满足大规模的井下部署需求；为了保证足够的光强分辨率，设置差异阈值对光标签进行筛选，仅当两光标签的调制光强的差值大于阈值时，该光标签才被认为是可用的；为了突破光标签数量的限制，提出了组合式光标签的思想，将多个光标签整合起来构成一个组合式光标签，假设光标签仅有a个，从中选择t个光标签并以不同的顺序整合，组合式光标签的数量为

组合式光标签包括子光标签1、子光标签2、子光标签3，在组合式光标签中增设了参考层，参考层由反射层构成。

每个组合式光标签优选间隔十米安装，也根据实际情况选择安装间隔。

一种基于无源光标签的井下定位方法，包括以下步骤：