Especificación de Proyecto: Sistema Pasivo de Rastreo Lumínico Subterráneo (PRLS)
Índice
1. Introducción y Principio de Operación
Este documento define la arquitectura, el protocolo y los principios de ingeniería de un sistema de posicionamiento y telemetría en tiempo real para vehículos en minería subterránea. El sistema destaca por mantener la infraestructura interna de los túneles 100% pasiva, sin alimentación eléctrica y altamente resiliente al polvo y hollín.
2. Arquitectura General del Sistema
El sistema se divide en tres capas funcionales: el nodo emisor a bordo del vehículo, la red de captación física pasiva dentro del túnel y el motor de procesamiento analítico en la superficie.
Diagrama de Flujo del Canal Óptico
3. Componentes de Hardware
Unidad de Emisión Vehicular (A bordo) El vehículo actúa como el único elemento activo e inteligente del lazo de telemetría.
3.0.1. Emisor Longitudinal
Consiste en un arreglo físico vertical de diodos emisores de alta velocidad (espectro Infrarrojo cercano o Violeta/UV directo sin fósforo) montado en un tubo estructural robusto con cubierta de policarbonato.
3.0.2. Haz de Cobertura Abierto
A diferencia de un sistema láser enfocado, el emisor proyecta un abanico de luz con una apertura horizontal y vertical de por lo menos 120 grados. Esto inunda la sección de la galería con el plano de datos, garantizando tolerancia total a las vibraciones, cabeceos del vehículo y variaciones en la distancia de manejo.
3.0.3. Lógica de Control Inercial
Integra el procesamiento de la velocidad del bus de datos del camión junto con sensores de estado sólido (IMU) para determinar aceleraciones, giros e inclinación de la rampa antes de empaquetar la información.
Módulo Captador Pasivo (En la pared del túnel) Diseñado para operar de forma indefinida en ambientes hostiles (humedad, polvo de roca y hollín diésel) sin requerir mantenimiento ni energía eléctrica.
3.0.4. Capuchón de Alivio de Polvo (Diseño Invertido)
Utiliza un cilindro de borosilicato de alta transmitancia (tipo tubo de ensayo Pyrex) montado de manera angular a 45 grados respecto a la pared del túnel, con el extremo cerrado hacia arriba y la boca abierta apuntando al suelo. El polvo en suspensión cae por gravedad sobre la superficie curva exterior sin obstruir la ventana óptica interna.
3.0.5. Efecto Venturi Automático
La masa de aire desplazada por el paso del propio camión actúa como un soplador mecánico pasivo que succiona el polvo depositado en el borde inferior del capuchón.
3.0.6. Acoplamiento Óptico Interno
Aloja una lente colimadora protegida y estanca en el interior del tubo de Pyrex, calibrada para capturar los rayos paralelos del abanico de luz vehicular e inyectarlos directamente en el núcleo del filamento de fibra óptica.
Red de Transporte y Distribución
3.0.7. Troncal Óptico Pasivo
Un cable multifibras blindado recorre las galerías principales.
3.0.8. Topología Lineal Dinámica
Los captadores de las galerías secundarias se conectan al troncal mediante acopladores o prismas ópticos pasivos. No existen switches, repetidores ni enrutadores bajo tierra.
4. Protocolo de Comunicación Lumínica (Trama de 5 Bytes)
Para asegurar tasas de repetición masivas durante la breve ventana de tiempo en la que el camión pasa frente al captador, la trama se optimizó estrictamente a nivel de bit, eliminando cualquier byte de relleno (padding).
| 0 7 | 8 14 | 15 27 | 28 // 31 | 32 – 39 |
|---|---|---|---|---|
| ID | VELOC | SEGUNDOS KM0 | IMU | CRC-8 |
4.1. Especificación de Campos
| Campo | Bits | Rango Valores | Función |
|---|---|---|---|
| ID Vehículo | 8 | 0 a 255 | Identificación del activo de la flota minera. |
| Velocidad | 7 | 0 a 127 km/h | Velocidad instantánea del vehículo obtenida por bus de datos. |
| Segundos KM0 | 13 | 0 a 8191 s | Cronómetro de misión en segundos, inicializado en cero al transponer el acceso a la mina (KM 0). |
| Telemetría | 4 | Bits [2+2] | Giro (2b): 00 Recto, 01 Izq, 10 Der, 11 U. Inclinación (2b): 00 Plano, 01 Bajada, 10 Subida. |
| CRC-8 | 8 | Polinomio std | Validación matemática de la integridad del paquete. |
4.2. Parámetros de Transmisión
- Tamaño Total de la Trama: 40 bits (5 Bytes nativos).
- Frecuencia de Conmutación Óptica: 250 kHz (Duración del bit: 4 microsegundos).
- Tiempo de Transmisión por Trama: 160 microsegundos (0.16 ms).
- Redundancia Mecánica: En una ventana de paso estándar de 300 ms, el vehículo transmite la misma trama en ráfaga continua más de 1,500 veces, garantizando la recepción aun con baches ópticos causados por partículas de polvo denso.
5. Lógica de Navegación por Estima en Superficie
El software de control ubicado en la superficie opera bajo el modelo matemático de Navegación por Estima Orientada a Grafos.
Sincronización Inicial (Punto Cero)
El acceso físico a la mina exterior se denomina Kilómetro 0. Al cruzar este portal, un sensor físico (óptico o magnético) resetea el contador interno del camión a Segundos_KM0 = 0. El servidor de superficie registra este evento como la estampa de tiempo base del viaje.
Proyección de Trayectoria en Tramos Oscuros Entre dos captadores ópticos distantes, el sistema estima de forma continua la posición lineal actual del vehículo (\(X_{\text{estimada}}\)) aplicando la velocidad informada sobre la topología del túnel:
Resolución de Bifurcaciones mediante Firmas Temporales (\(\Delta t\)) Para mantener la red pasiva y económica, múltiples captadores instalados en ramificaciones distintas se unifican sobre el mismo pelo de fibra. La discriminación de la ruta elegida por el camión la realiza el software calculando la diferencia de tiempo entre el paso por el sensor previo al desvío y el impacto óptico posterior:
- Los captadores post-bifurcación se instalan físicamente a distancias asimétricas controladas del punto de cruce (ej: Rama A a 15 m, Rama B a 30 m).
- Al recibir la luz en superficie, el sistema calcula el delta de tiempo real de tránsito (\(\Delta t\)).
El software cruza el \(\Delta t\) medido con la Velocidad y la telemetría del campo IMU (Giro) incluidos en el paquete. Si la firma inercial indica "Giro Derecha" y el delta de tiempo se correlaciona con la distancia física de la Rama B, el grafo en superficie conmuta la ubicación del vehículo a dicha galería de forma inequívoca.
Eliminación Automática del Error Acumulado
Cualquier desvío en el cálculo predictivo provocado por patinamiento en el barro o cambios de velocidad del camión se anula instantáneamente al tocar el siguiente captador de la red. El evento óptico re-calibra la coordenada al valor real fijo del sensor en la maqueta 3D de la mina, limitando el error de estimación a márgenes despreciables.