基于水聲通信的水下機(jī)器人協(xié)作技術(shù)研究

方雁峰

(紹興文理學(xué)院元培學(xué)院，浙江 紹興312000)

0 引 言

隨著世界人口的不斷增長(zhǎng)以及經(jīng)濟(jì)全球化的快速發(fā)展，使得資源緊缺的問(wèn)題日益嚴(yán)峻。為了解決資源匱乏，世界各國(guó)越來(lái)越重視海洋資源的開(kāi)發(fā)與利用，近年來(lái)，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的迅猛發(fā)展，水下機(jī)器人技術(shù)［1］成為目前最受關(guān)注的熱點(diǎn)研究?jī)?nèi)容，并取得長(zhǎng)足發(fā)展，得到了廣泛應(yīng)用。本文以水下機(jī)器人協(xié)作作為應(yīng)用背景，分別對(duì)水聲通信技術(shù)和水下機(jī)器人協(xié)作方法進(jìn)行研究，由于水下信號(hào)環(huán)境復(fù)雜，噪聲及干擾諸多，因此，穩(wěn)定、快速、準(zhǔn)確的通信手段對(duì)于水下機(jī)器人至關(guān)重要。本文給出水下機(jī)器人的整體設(shè)計(jì)方案，重點(diǎn)介紹其通信模塊使用的技術(shù)，即水聲通信中的OFDM 技術(shù)。

1 水聲通信

水聲通信技術(shù)是一種在水下發(fā)射和接收信息的技術(shù)，其發(fā)射端的主要工作過(guò)程:首先運(yùn)用數(shù)字化處理技術(shù)將聲音、圖像、文字等待發(fā)送的信息轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)，再利用轉(zhuǎn)能裝置將電信號(hào)轉(zhuǎn)化為聲信號(hào)，然后以水作為媒介將聲信號(hào)傳遞出去。接收端的處理過(guò)程是發(fā)射端的逆過(guò)程，即先將聲信號(hào)轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，再將電信號(hào)轉(zhuǎn)化為聲音、圖像、文字等信息。水聲通信系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1 系統(tǒng)方框圖Fig.1 System block diagram

由于海洋中有海面與海底2 個(gè)面，加之噪聲干擾多、介質(zhì)分布不均勻、容易受到溫度、鹽度等因素影響，使得水聲信道環(huán)境非常復(fù)雜［2］。水聲信道的主要特點(diǎn)如表1 所示。

表1 特點(diǎn)總結(jié)Tab.1 Features summary

水聲信道的調(diào)制方法主要包括非相干通信和相干通信兩類。兩類方法的分析對(duì)比情況如表2 所示。

表2 對(duì)比情況Tab.2 Comparison sheet

2 水下機(jī)器人

2.1 水下機(jī)器人

本文給出的機(jī)器人整體設(shè)計(jì)方案如圖2 所示。系統(tǒng)各個(gè)組成部分及作用描述如表3 所示。

圖2 設(shè)計(jì)方案Fig.2 Design program

表3 特點(diǎn)總結(jié)Tab.3 Features summary

目前較為常用水下機(jī)器人的協(xié)作方法包括基于行為的智能控制方法［3］和基于市場(chǎng)拍賣模型的任務(wù)分配方法［4］。本文重點(diǎn)研究水下機(jī)器人的通信方法。

2.2 水聲通信中OFDM 的應(yīng)用

本文，通信技術(shù)采用水聲通信中的OFDM 技術(shù)［5］，采用OFDM 的主要思想是將頻域信道劃分為多個(gè)正交的子信道，然后對(duì)每個(gè)子信道進(jìn)行載波調(diào)制，并行傳輸。該技術(shù)能夠有效利用頻帶，有效抑制符號(hào)間干擾。

設(shè)OFDM 的輸出信號(hào)為:

那么加入循環(huán)前綴后，其碼元的時(shí)域可以表示為:

其中Tg為間隔保護(hù)。

而OFDM 的時(shí)域完整信號(hào)為:

式中:d(m，n)為第m 個(gè)符號(hào)、第n 個(gè)子載波的調(diào)制數(shù)據(jù);g(t)為符號(hào)的脈沖波形，為:

信號(hào)在接收器端表示為:

式中:h(τ，t)為脈沖響應(yīng);n(t)為高斯白噪聲。

對(duì)上式進(jìn)行傅里葉變換后得到:

假設(shè):

式中:h0為主信道中信號(hào)復(fù)包絡(luò);hm為第m 子信道中信號(hào)復(fù)包絡(luò);τm為第m 子信道的時(shí)延。

假設(shè)τm≤T′，那么τm分為:

0 ≤τm≤Tg，(m = 1，…，M1)，

Tg≤τm≤T + T，(m = M1+1，…，M1+ M2)。

式中，M1≤傳輸?shù)穆窂綌?shù)目;M2＞傳輸?shù)穆窂綌?shù)目，可以得到:

在本文中，采用PASM 信道估計(jì)方法，其過(guò)程為:

1)導(dǎo)頻插入方式，本文方法采用塊狀導(dǎo)頻法。

2)導(dǎo)頻信道估計(jì)，

設(shè)發(fā)射信號(hào)為:x(n);

信道脈沖響應(yīng)為:h(n);

高斯白噪聲為:w(n)，那么接收器端接收的信號(hào)可表示為:

y(n)=x(n)?h(n)+ w(n)，

對(duì)y(n)進(jìn)行FFT 調(diào)制可得:

Y(k)=FFT{r(n)}= H(k)X(k)+ W(k)，

式中H(k)、X(k)和W(k)分別為h(n)、x(n)、w(n)的頻率域表示。將上式改寫(xiě)為:

Y=XFh + W，

其中，

3)內(nèi)道估計(jì)

設(shè)信道響應(yīng)為H(k，l)，導(dǎo)頻處信道的響應(yīng)為Hp(k，l)，那么兩者之間的關(guān)系為:

時(shí)間方向的內(nèi)插公式為:

式中:0 ≤n ≤ΔT-1，mΔT≤l ≤(m +1)ΔT，ΔT為插入的時(shí)間間隔。

同理，頻率方向的內(nèi)插公式為:

其中，0 ≤q ≤Δp-1，pΔp≤k ≤(p +1)Δp，Δp代表插入的頻率間隔。

在二維導(dǎo)頻情況下，采用的方法為:

根據(jù)上述方法進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)，相關(guān)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如表4 所示。

3 結(jié) 語(yǔ)

本文對(duì)水下機(jī)器人協(xié)作技術(shù)進(jìn)行研究，重點(diǎn)研究了水聲通信在水下機(jī)器人中的應(yīng)用，給出了水下機(jī)器人的整體設(shè)計(jì)方案，詳細(xì)介紹了基于OFDM 技術(shù)的水下通信方法，根據(jù)仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果，本文提出的通信方法具有較低的誤碼率及較高的通信速率。

［1］徐玉如，蘇玉民．關(guān)于發(fā)展智能水下機(jī)器人技術(shù)的思考［J］．艦船科學(xué)技術(shù)，2008，30(4):17 －21．XU Yu-ru，SU Yu-min．Think on the development in autonomous underwater vehicles［J］．Ship Science and Technology，2008，30(4):17 －21．

［2］田甜，張亮，曾巖艷．基于基于DS－DPSK 的水聲擴(kuò)頻通信系統(tǒng)仿真［J］．艦船科學(xué)技術(shù)，2009，31(10):120－122．TIAN Tian，ZHANG Liang，ZENG Yan-yan．The simulation of hydroacoustic spread spectrum communication system based on DS － DPSK［J］．Ship Science and Technology，2009，31(10):120 －122．

［3］BROOKS R．A robust layered control system for a mobile robot［J］．IEEE Journal of Roboties and Automation，1986，2(1):14 －23．

［4］黎萍，楊宜民．多機(jī)器人系統(tǒng)任務(wù)分配的研究進(jìn)展［J］．計(jì)算機(jī)工程與應(yīng)用，2008，44(17):201 －206．LI Ping，YANG Yi-min．Progress of task allocation in multirobot systems［J］．Computer Engineering and Applications，2008，44(17):201 －206．

［5］李引新，趙姚同．正交頻分復(fù)用(OFDM)的實(shí)現(xiàn)方式及性能分析［J］．電訊技術(shù)，1998，38(6):10 －15．