一种基于无源光标签的井下定位装置及定位方法与流程

1.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：

2.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。
3.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。
4.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。


技术实现要素：

5.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。
6.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。
7.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
8.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。
9.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。
10.一种基于无源光标签的井下定位方法，包括以下步骤：
11.步骤1：为了消除环境光以及矿车的互相干扰，在矿车进入矿井前，调频装置利用频率分配算法预先为每个矿车的光发射器分配一个独特的发光频率；
12.步骤2：当矿车在井下工作时，其携带的光发射器持续发射光信号，经过组合式光标签下方时，被调制的反射光被接收器接收；
13.步骤3：边缘计算节点对接收的光信号进行处理并识别组合式光标签，并对矿车进行定位，以确定当前矿车位于哪个组合式光标签附近。
14.步骤1中频率分配算法具体步骤如下：
15.利用每个矿车上配备的led灯作为光发射器，为了消除环境光等无关光源的干扰，预先为每个矿车的led分配一个独特的发光频率，然而，对发光频率的选择并非易事，因为必须考虑正常照明和易识别光强的基本需求；首先推导发光频率选择的前提条件，然后扩展了发光频率选择的限制条件，如占空比、闪频范围、相邻频率间隔阈值和频率间整数倍。
16.选择脉冲宽度调制(pwm)控制每个led灯以独特的频率闪烁，固定的脉冲宽度调制(pwm)占空比可以保证灯的正常照明，脉冲宽度调制(pwm)产生的是方波信号，因此对周期为t的方波信号进行傅立叶级数展开，首先，偶函数的一般傅立叶级数展开为:
[0017][0018]
其中：n是大于0的正整数；
[0019][0020][0021]
式(1)最终可表示为:
[0022][0023]
其中:a是方波信号的幅值；
[0024]
k是占空比；
[0025]
t是周期；
[0026]
基于方程分别分析频率选择的限制条件；
[0027]
(1)占空比：
[0028]
通过调节led灯内通过电流和不通过电流的时间比来控制占空比k，设led灯闪烁频率为f，t
on
表示led灯在一个周期内的照明持续时间，则占空比k的表达式为:
[0029]
k＝f
×
t
on
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(3)
[0030]
由式(2)可知，方波信号由无穷多个不同振幅和频率的正弦波组成，当分离可见光频率时，除了主频外，还会得到许多谐波频率，占空比k为50％时，在n为偶数时谐波数为0(例如，)，这意味着当占空比k为50％时，谐波数减少了一半，因此，为了减少不必要的谐波，将占空比k设置为50％；
[0031]
(2)闪频范围：
[0032]
人眼对led灯的闪烁有一定的感知能力，当led灯的闪烁频率过低时，人眼就会感知到闪烁，从而影响正常照明效果，前期研究表明，当led灯的闪烁频率大于1000hz时，可以完全避免人类可感知的闪烁，因此，将led灯的最小闪烁频率设置为1000hz，以避免闪烁效应；其次，香农采样定理指出，为了避免信号波形失真问题，采样率必须大于信号最高频率的两倍，才能保留原始信号中的信息，因此，假设采样率为r，应选择的频率最大值不能大于r/2，以保证后续频率分离的可靠性；最后得出选择的频率范围在1000hz和r/2之间；
[0033]
(3)相邻频率间隔的阈值：
[0034]
当对采样数据进行傅里叶变换时，必须同时考虑频率分辨率和相邻频率之间的相互干扰，频率分辨率是指能够识别两个相邻频率的功率峰值的最小间隔，它的值与采样率和采样次数有关；假设采样次数为n，采样率为r，则频率分辨率为f
re
＝r/n，理论上，当相邻频率间隔大于频率分辨率时就可以实现鲁棒的频率分离，但是，考虑到相邻频率之间的相互干扰，仅满足上述条件并不能获得理想的频率分离效果，以往的工作表明，相邻频率的最低间隔必须大于200hz，才能保证鲁棒的频率分离，则相邻频率间隔的阈值为max(f
re
,200)；
[0035]
(4)频率之间的整数倍：
[0036]
如前所述，脉冲波的功率可以分解为主频的功率和无数次谐波的功率，假设led灯的脉冲宽度调制(pwm)频率为fi，其第n次谐波分量的频率为f
iharmonics
(n)，推断出：
[0037]fiharmonics
(n)＝n
×fi
，n＝1,2,3
…ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(4)
[0038]
假设另一个频率fj是当前频率fi的整数倍，特别是奇数倍时，fi的谐波频率功率有极大地概率会与fj重叠，这将导致频率识别的不准确性，从而严重影响算法的定位精度；因此，应该避免脉冲宽度调制(pwm)频率之间成整数倍的关系，以防止这些频率的功率值之间的相互干扰。
[0039]
步骤3中的定位算法如下：
[0040]
由边缘计算节点提取出接收器接收的该矿车预设频率光的强度，并对数据进行处理并识别光标签，根据预先存储的光标签位置信息，实现对目标的定位，包括三个步骤：数据获取、差分修正、标签识别；
[0041]
3.1数据获取
[0042]
当矿车在无光标签区域活动时，接收器接收的光强十分微弱；当矿车在组合式光
标签区域活动时，光强值将显著增加且发生变化；具体说来，矿车将依次经过一个参考层以及三个子光标签，当矿车进入或离开参考层和子光标签时，光强值会发生大幅波动，该波动光强值是无价值的，无法用于识别组合式光标签；而当矿车完全进入参考层和三个子光标签后，光强将保持在相对稳定状态，此光强值将用于组合式光标签识别；因此，为了获知当前时刻位于哪个组合式光标签附近，对历史光强序列进行回溯，首先寻找距离当前时刻最近的一段光强显著增加的光强序列，即矿车在组合式光标签区域的光强序列；然后提取其中四个稳定阶段的光强值ir、i1、i2、i3，即接收器接收到的分别经参考层反射以及三个子光标签调制的光强；
[0043]
3.2差分修正
[0044]
为了减少光强波动的影响，提出了差分修正方案对获取的光强数据进行处理；假设标准状态下，即无光强波动情况下经参考层反射以及子光标签1、子光标签2、子光标签3调制的光强分别为i
′r、i
′1、i
′2、i
′3，经参考层反射的光强和经子光标签调制的光强受到光强波动的一致影响，将二者进行差值处理就可以消除光强波动，如公式(5)所示：
[0045][0046]
其中，x为光强波动量；
[0047]
由式(5)可见，通过分别将参考层与子光标签1、子光标签2、子光标签3的数据进行差值修正，光强波动量x被消除；
[0048]
3.3标签识别
[0049]
首先边缘计算节点根据标准状态下的光强建立标签指纹库，然后利用该标签指纹库对组合式光标签进行识别；首先，根据指纹库对每个子光标签进行识别，将参考层与光标签的光强差i
′
r-i
′a作为指纹，将接收到的光强值进行差分处理后，与指纹库进行匹配，以识别出三个子光标签；然后，将三个子光标签的序列与组合式光标签库匹配，最终识别组合式光标签；最终，根据预先存储的光标签位置信息，实现目标的位置定位。
[0050]
与现有技术相比，本发明包括组合式光标签、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；在矿车顶部均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，方便采集光发射信号，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；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，具有很高的潜力，可在井下实现大规模部署，适用于井下狭长且黑暗的环境。
附图说明
[0051]
图1为本发明的工作原理图；
[0052]
图2为本发明子光标签结构图；
[0053]
图3为本发明组合式光标签布置结构示意图；
[0054]
图4为本发明指纹库示意图；
[0055]
图5为本发明组合式光标签库示意图。
具体实施方式
[0056]
下面结合附图对本发明做进一步说明。
[0057]
如图1所示，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；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。
[0058]
组合式光标签是将若干个子光标签组合形成的，组合式光标签本身不发射光信号，而是通过改变光标签的光吸收性能，以反光材料为基质，在反光回路上对光信号进行强度调制；
[0059]
光信号调制方法：光标签的一个重要功能是调制光信号。在之前的工作中，为了实现调制功能，光标签需要配备电源和芯片，导致系统成本高，功耗高。为了解决这个问题，本发明通过改变光标签本身的光学特性实现光强调制。当光通过介质时，介质中的粒子会吸收一部分光，从而减弱光的强度，而介质的光吸收能力受其本身材料性质的影响，如颜色和厚度，下面讨论聚乙烯薄膜的厚度和颜色对光吸收性能的影响，引入一个典型的吸收模型，lambert-beer定律，来说明薄膜厚度的对光强的调制能力；lambert-beer定律描述了介质的吸光度、介质的厚度和吸光物质的浓度之间的关系，其数学表达式为:
[0060][0061]
式中：s为介质的吸光度；
[0062]
i0为入射光强度；
[0063]
i为透射光强度；
[0064]
w为波长相关的吸收系数，是一个定值；
[0065]
l是光通过介质的路径长度；
[0066]
t是介质浓度；
[0067]
当温度等条件一定时，介质的吸光度s与介质浓度t和光通过介质的路径长度l成正比，而光通过介质的路径长度与介质厚度密切相关，当增加薄膜的层数时，介质浓度t没有变化，而厚度增加，导致介质的吸光度s增加，因此介质的吸光度s与薄膜厚度呈正相关，这使得光标签可以通过不同的薄膜层产生不同的吸收性能，进而来调制光强。
[0068]
此外，薄膜厚度对光强的调制效应有限，介质对光的选择性吸收光是一种理想的物理现象，介质的电子结构不同，可吸收的光的波长也不同，这就构成了物质选择性吸收的基础。
[0069][0070]
式中：λ为吸收波长；
[0071]
d为价电子跃迁能差，价电子跃迁能差与物质的电子结构有关；
[0072]
h为普朗克常数；
[0073]
c为光速；
[0074]
使用的光源是由不同波长的光组成的多色光，当薄膜的颜色发生变化时，所产生的电子结构变化会导致薄膜选择性地吸收不同波长的光。这意味着不同颜色的薄膜具有不同的光吸收能力，这也会导致强度调制的差异。
[0075]
因此，我们用薄膜结构来构造光标签，光标签通过改变其吸收薄膜的厚度和颜色来调制产生不同光强，并利用反射薄膜将光信号反射至接收端。如图2所示，所述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，会被聚乙烯薄膜部分吸收，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聚乙烯薄膜的层数，或者更改吸收层聚乙烯薄膜的颜色时，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，由于光标签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，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
[0076]
如图3所示，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。
[0077]
每个组合式光标签间隔十米安装。
[0078]
一种基于无源光标签的井下定位方法，包括以下步骤：
[0079]
步骤1：为了消除环境光以及矿车的互相干扰，在矿车进入矿井钱，调频装置利用频率分配算法预先为每个矿车的光发射器分配一个独特的发光频率；
[0080]
步骤2：当矿车在井下工作时，其携带的光发射器持续发射光信号，经过组合式光标签下方时，被调制的反射光被接收器接收；
[0081]
步骤3：边缘计算节点对接收的信号进行处理并识别组合式光标签，并对矿车进行定位，以确定当前矿车位于哪个组合式光标签附近。
[0082]
步骤1中频率分配算法具体步骤如下：
[0083]
利用矿车上配备的led灯作为光发射器，为了消除环境光等无关光源的干扰，我们预先为每个矿车的led分配一个独特的发光频率。然而，实现频率选择并非易事，因为必须考虑正常照明和易识别的基本需求。首先我们推导频率选择的前提条件，然后扩展了频率选择的限制条件，如占空比、闪频范围、相邻频率间隔阈值和频率间整数倍。
[0084]
选择脉冲宽度调制(pwm)控制每个led灯以独特的频率闪烁，固定的脉冲宽度调制(pwm)占空比可以保证灯的正常照明，脉冲宽度调制(pwm)产生的是方波信号，因此对周期为t的方波信号进行傅立叶级数展开，首先，偶函数的一般傅立叶级数展开为:
[0085][0086]
其中：n是大于0的正整数；
[0087][0088][0089]
式(1)最终可表示为:
[0090][0091]
其中:a是方波信号的幅值；
[0092]
k是占空比；
[0093]
t是周期；
[0094]
基于方程分别分析频率选择的限制条件；
[0095]
(1)占空比：
[0096]
通过调节led灯内通过电流和不通过电流的时间比来控制占空比，设led灯闪烁频率为f，t
on
表示led灯在一个周期内的照明持续时间，则占空比k的表达式为:
[0097]
k＝f
×
t
on
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(3)
[0098]
由式(2)可知，方波信号由无穷多个不同振幅和频率的正弦波组成，当分离可见光频率时，除了主频外，还会得到许多谐波频率，当占空比k为50％时，在n为偶数时谐波数为0，这意味着当占空比k为50％时，谐波数减少了一半，因此，为了减少不必要的谐波，我们将占空比k设置为50％；
[0099]
(2)闪频范围：
[0100]
人眼对led灯的闪烁有一定的感知能力，当led灯的闪烁频率过低时，人眼就会感知到闪烁，从而影响正常照明效果，前期研究表明，当led灯的闪烁频率大于1000hz时，可以完全避免人类可感知的闪烁，因此，将led灯的最小闪烁频率设置为1000hz，以避免闪烁效应；其次，香农采样定理指出，为了避免信号波形失真问题，采样率必须大于信号最高频率的两倍，才能保留原始信号中的信息，因此，假设采样率为r，应选择的频率最大值不能大于r/2，以保证后续频率分离的可靠性；最后得出选择的频率范围在1000hz和r/2之间；
[0101]
(3)相邻频率间隔的阈值：
[0102]
当对采样数据进行傅里叶变换时，必须同时考虑频率分辨率和相邻频率之间的相互干扰，频率分辨率是指能够识别两个相邻频率的功率峰值的最小间隔，它的值与采样率和采样次数有关；假设采样次数为n，采样率为r，则频率分辨率为f
re
＝r/n，理论上，当相邻频率间隔大于频率分辨率时就可以实现鲁棒的频率分离，但是，考虑到相邻频率之间的相互干扰，仅满足上述条件并不能获得理想的频率分离效果。以往的工作表明，相邻频率的最低间隔必须大于200hz，才能保证鲁棒的频率分离，相邻频率间隔的阈值为max(f
re
,200)；
[0103]
(4)频率之间的整数倍：
[0104]
如前所述，脉冲波的功率可以分解为主频的功率和无数次谐波的功率，假设led灯的脉冲宽度调制(pwm)频率为fi，其第n次谐波分量的频率为f
iharmonics
(n)，推断出：
[0105]fiharmonics
(n)＝n
×fi
，n＝1,2,3
…ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(4)
[0106]
假设另一个频率fj是当前频率fi的整数倍，特别是奇数倍时，fi的谐波频率功率有极大地概率会与fj重叠，这将导致频率识别的不准确性，从而严重影响算法的定位精度；因此，应该避免脉冲宽度调制(pwm)频率之间成整数倍的关系，以防止这些频率的功率值之间的相互干扰。
[0107]
步骤3中的定位算法如下：
[0108]
由边缘计算节点提取出接收器接收的该矿车预设频率光的强度，并对数据进行处理并识别组合式光标签，根据预先存储的组合式光标签位置信息，实现对目标的定位，包括三个步骤：数据获取、差分修正、标签识别；
[0109]
3.1数据获取
[0110]
当矿车在无光标签区域活动时，接收器接收的光强十分微弱；当矿车在组合式光标签区域活动时，光强值将显著增加且发生变化；具体说来，矿车将依次经过一个参考层以及三个子光标签，当矿车进入或离开参考层和子光标签时，光强值会发生大幅波动，该波动光强值是无价值的，无法用于识别组合式光标签；而当矿车完全进入参考层和三个子光标签后，光强将保持在相对稳定状态，此光强值将用于组合式光标签识别；因此，为了获知当前时刻位于哪个组合式光标签附近，对历史光强序列进行回溯，首先寻找距离当前时刻最近的一段光强显著增加的光强序列，即矿车在组合式光标签区域的光强序列；然后提取其中四个稳定阶段的光强值ir、i1、i2、i3，即接收器接收到的分别经参考层反射以及三个子光标签调制的光强；
[0111]
3.2差分修正
[0112]
为了减少光强波动的影响，提出了差分修正方案对获取的光强数据进行处理；假设标准状态下，即无光强波动情况下经参考层反射以及三个子光标签1、2、3调制的光强分别为i
′r、i
′1、i
′2、i
′3，经参考层反射的光强和经子光标签调制的光强受到光强波动的一致影响，将二者进行差值处理就可以消除光强波动，如公式(5)所示：
[0113][0114]
其中，x为光强波动量；
[0115]
由式(5)可见，通过分别将参考层与子光标签1、子光标签2、子光标签3的数据进行差值修正，光强波动量x被消除；
[0116]
3.3标签识别
[0117]
首先边缘计算节点根据标准状态下的光强建立光标签指纹库，然后利用该光标签指纹库对组合式光标签进行识别；首先，如图4所示，根据指纹库对每个子光标签进行识别，将参考层与光标签的光强差i
′
r-i
′a作为指纹，将接收到的光强值进行差分处理后，与指纹库进行匹配，以识别出三个子光标签；然后，如图5所示，将三个子光标签的序列与组合式光标签库匹配，最终识别组合式光标签；最终，根据预先存储的光标签位置信息，实现目标的位置定位。