單關節仿生水下可見光通信無人潛航器研究

張樂泉，李鳳婷，郭二源，王妍蘇，朱泰亨，陳科

南京工程學院，江蘇南京，211167

0 引言

近年來，隨著海洋科考的不斷深入，水下無人潛航器（unmanned underwater vehicle，UUV）逐漸被應用到海洋科考的各個領域。然而由于電磁波在海水中具有趨膚效應，導致電磁波在水中傳輸時傳輸速率低、范圍小且發射功率高，因此UUV衍生出兩條發展路線，分別為遙控式水下載具（remotely operated underwater vehicle）與自主式水下載具（autonomous underwater vehicle）[1]。前者使用臍帶纜與地面站進行電能傳輸以及數據交換，并且潛航器可以通過臍帶纜向地面站傳輸實時圖像信息，地面站也可以對潛航器進行實時控制；而后者則通過自帶的供電系統驅動潛航器，并且潛航器的運動軌跡也是根據預編寫的程序進行的，因此只有當科考隊成功回收潛航器后才能獲得采集到的數據。

在以上兩種方案中，ROV采集的數據擁有較好的實時性，并且操作人員能夠對潛航器進行實時控制，有針對性地采集數據，但由于臍帶纜的存在，采集范圍十分有限；而AUV雖然擁有較為廣闊的采集范圍，但由于無法實時控制，因此采集到的數據不具有實時性與針對性，主要用于對較長時間內海洋信息的監測，同時由于海洋環境的復雜性與不確定性，潛航器也具有丟失的風險。因此學界一直缺乏一種可以遠距離遙控的水下無人潛航器。

目前，在驅動方式問題上，水下潛航器的驅動形式大致可分為兩種，分別為螺旋槳推進和仿生推進兩種形式。前者由于機械特性限制，存在著系統體積大、機動性弱、推進噪音大、隱蔽性低和推進渦流易損壞周圍環境等問題，因此不適合在魚群棲息地、珊瑚礁等較為敏感的環境中使用；而仿生推進器推進效率高、機動性能好、隱蔽性高、體積較小且噪聲極小。因此，雖然螺旋槳推進器可以在大范圍海域中提供較快的移動速度，但仿生推進器可以在小范圍中提供較好的幫助。自1994年MIT研制出世界第一條仿生機器金槍魚“RoboTuna”以來，仿生機器魚正在逐漸由原來的結構復雜、身形巨大向結構簡化、身形小巧且功能豐富、多重運動自由度的方向進化，使其更加適合在地理環境較為復雜的水域進行活動[2]。

在通信方式上，LED照明器件相較于傳統照明方式，有著響應速度快、發光效率高、節能效率高、使用壽命長等特點，近年來隨著LED照明器件制造工藝的提升，目前可見光LED單個光源的響應速率已經能夠達到皮秒級（10-12s），因此通信速率可以達到Gbps量級，可以滿足高速網絡的傳輸需求，因此可見光通信（visible light communication，VLC）應運而生。可見光通信的基本工作原理是：以燈滅為0，燈亮為1，通過控制LED燈的亮滅進行二進制信號的傳輸，但是同時，由于LED燈的閃爍頻率遠高于人眼的視覺暫留效應能夠感知的頻率，因此在提供照明的同時，可見光通信能夠在傳輸數據的同時不影響視覺觀感，再配合上高敏感度的光敏二極管（photodiode，PD）作為接收器，即可完成對于二進制信息的有效傳輸[3]。同時，相較于能量非常集中的激光通信，使用LED的可見光通信具有較大的發散角，對準直性要求較低，因此在一定角度內均可進行通信，適用于運動物體之間需要進行通信的場景。

因此，針對以上問題以及應用場景，本文提出了一種單關節仿生水下可見光通信無人潛航器，并將詳細介紹該系統及其控制方法。本仿生機器魚可以通過單尾鰭擺動在同一水平面實現向前推進、左右轉以及掉頭等操作，同時可以通過壓載艙的注水和排水實現垂直方向的運動。同時，潛航器在運動過程中將始終處于低噪聲狀態。通過搭載可見光無線通信技術，地面站操作人員可以在不使用臍帶纜的情況下，可以根據潛航器返回的實時圖像，操作無人潛航器，實現實時遙控[4]。無人潛航器之間也可以通過可見光無線通信組成物聯網，提高無人潛航器與地面站之間的聯系，預防無人潛航器丟失。

接下來，本文將從機械結構、系統功能及控制方法方面對該單關節仿生水下可見光通信無人潛航器進行介紹。

1 機械結構設計

1.1 外部結構設計

如圖1所示，本單關節仿生潛航器的頭部由半球透明前罩和防水橡膠圈組成，中間部分由透明圓柱艙體、連接件以及壓載艙組成，尾部由透明蓋板、單關節仿生魚鰭和水泵組成。

其中透明半球前罩在開口處攻有螺紋，防水橡膠圈套在螺紋處，配合密封脂可以達到對艙體進行密封的效果。透明圓柱艙體前端同樣設有螺紋，用于與透明半球前罩進行固定，這樣用戶可以隨時打開艙體，便于更換電池或者對內部結構進行調整，提高了潛航器的可擴展性。同時，壓載艙通過連接件與透明圓柱艙體進行連接，透明尾部蓋板起到連接單關節仿生魚鰭與透明圓柱艙體的作用，并且其上的傳動結構也起到了為潛航器提供動力的作用。最后，水泵通過膠連密封固定于壓載艙尾部的開口處，其驅動與控制信號線通過透明尾部蓋板預留通孔接入艙內控制器，并通過防水接頭進行密封。

1.2 內部結構設計

如圖2所示，潛航器的內部結構包括：支撐結構，包括水平隔板、豎直隔板和攝像頭云臺；電控元件，包括處理器、控制器、攝像頭、鋰聚合物電池和前、左、右可見光通信組件（其中左可見光通信組件在圖中不可見）。其中水平隔板前端插入前可見光通信組件與其連接，后部插入透明尾部蓋板上的限位槽與其連接，以達到艙內原件穩定的效果；攝像頭云臺固定在豎直隔板朝向透明半球前罩的側面上，攝像頭固定于攝像頭云臺的前端，操作人員可以通過調整攝像頭云臺調整攝像頭拍攝角度；前可見光通信組件固定在豎直隔板下端，左右可見光通信組件分別固定在水平隔板的兩端；控制器和處理器固定于水平隔板上面，鋰聚合物電池固定于水平隔板下面。

1.3 尾部及傳動結構設計

如圖3所示，潛航器的傳動結構包括：舵機、舵機盤（圖中未畫出）、豎直斜齒輪和水平斜齒輪。其中舵機通過舵機盤與豎直斜齒輪進行連接，透明尾部蓋板的內側設有安裝豎直斜齒輪的突起軸和連接水平斜齒輪的中軸，豎直斜齒輪與水平斜齒輪嚙合；透明尾部蓋板的外側設有連接單關節仿生魚鰭的連接軸，中軸與連接軸連接并進行防水密封，以達到為潛航器提供動力的作用。同時，后可見光通信組件也固定于透明尾部蓋板上，以達到為后方提供可見光通信的目的。

2 潛航器系統功能設計

2.1 電氣系統設計

如圖4硬件邏輯示意圖所示，在本設計中，除水泵以外的所有電氣系統均存儲于透明圓柱艙體中，其中處理器和控制器固定于水平隔板的上面，鋰聚合物電池固定于水平隔板的下面，處理器與控制器通過CAN總線進行連接，鋰聚合物電池連接到控制器的電源端口，通過集成在外圍電路上的降壓模塊穩壓后給控制器、處理器以及其他電子元件供能。同時，攝像頭通過USB與處理器進行連接，用于傳輸采集到的圖像信號；舵機連接到控制器，控制器在接收到處理器的運動指令之后，通過PWM信號控制舵機進行轉動，實現單關節仿生魚鰭的擺動，從而控制潛航器在水平方向上的運動；水泵同樣連接到控制器，控制器將通過輸出模擬電信號控制水泵實現液體的泵入排出，從而控制潛航器在豎直方向上的運動。

前可見光通信組件固定于豎直隔板上，發射端與接收端向前，在采集或傳輸前方信息的同時，也可以實現對前方環境的照明，為攝像頭提供水下視野；右可見光通信組件固定于水平隔板的右側；左可見光通信組件固定于水平隔板的左側，與右可見光通信組件對稱擺放；后可見光通信組件固定于透明尾部蓋板上；同時所有可見光通信組件均通過RJ45網口與處理器進行連接，進行信號的發送或者接收。

同時，本仿生潛航器配套的控制及信號傳輸系統還包括一個地面站和一個水下可見光網絡通訊艙，地面站包括計算機和手柄搖桿，計算機將通過網線連接到水下可見光網絡通訊艙，計算機用于采集包括搖桿的擺幅在內的信息并將信息發送給水下的潛航器。而水下可見光網絡通訊艙內設有可見光發出裝置、可見光接收裝置、信號調制解調裝置和交換機用于發射、接收、調制調節可見光信號和交換網絡信號，并且該通訊艙也承擔著釋放潛航器的作用。

2.2 通信系統設計

接下來，將根據圖4給出的硬件邏輯示意圖對通信系統進行解釋。首先，鋰聚合物電池連接到控制器外圍電路中，通過集成多路降壓模塊為整個系統供能。水下可見光網絡通訊艙與地面站之間將通過有線通信方式連接。水下可見光網絡通訊艙用于固定潛航器并和潛航器通過光通信方式保持連接，其相當于一個小型的移動基站，使用時放置在水下，在收到潛航器釋放指令后釋放潛航器。水下可見光網絡通訊艙可以搭載于科考船上，依托科考船進行釋放。當潛航器在水下被釋放前，向通過后可見光通信組件與水下可見光網絡通訊艙進行連接，具體方式為：網絡設備發射出經過OFDM方式調制過的光信號，嘗試與潛航器進行TCP三次握手，其波形大致可表示為：

該潛航器也可以使用其他調制方法，如OOK開關調制，但較為低級的調制方式會導致帶寬較低等問題，在長距離上可能會導致可見光信號衰減嚴重的問題。

在被潛航器上的光電二極管接收后，OFDM信號調制調解芯片對接收到的模擬信號進行傅里葉變換，其公式如下所示：

經過傅里葉變換后，接收到的模擬信號被調解成為數字信號，并作為TCP/IP網絡數字信號傳送到處理器的外部RJ45網口中，處理器接收到來自后可見光通信組件的TCP握手信號后，再次從該方向返回TCP握手信號。TCP/IP網絡數字信號傳遞至后可見光通信組件后，OFDM信號調制調解芯片即通過反傅里葉變換，其公式如下所示：

將數字信號調制成模擬信號后，通過控制可見光LED的亮滅，向水下可見光網絡通訊艙傳回TCP握手信息。在經過三次TCP成功握手之后，水下可見光網絡通訊艙即可釋放潛航器。

接著，潛航器將會啟用搭載的攝像頭采集數字圖像信號，并通過已握手的后可見光通信組件將圖像傳回水下可見光網絡通訊艙，接著傳回地面站，地面站通過手柄搖桿控制潛航器的運動。傳回地面站的信息，除攝像頭采集的數字圖像信號之外，還包含了潛航器的運動姿態、水深、信號連接強度等信息，這些信息將由地面站進行解析。當地面站向潛航器持續傳輸右轉指令時，水下可見光網絡通訊艙將嘗試與潛航器右可見光通信組件進行TCP握手，潛航器也會與水下可見光網絡通訊艙進行連接，保證潛航器始終在線。

同時，潛航器的各個可見光通信組件均保持打開狀態，在提供照明的同時，亦可與周圍潛航器組成物聯網，提供如信號轉發等功能。

2.3 潛航器運動控制系統

在具體操作時，地面站的操作人員將通過潛航器傳回的視頻圖像操縱手柄搖桿，通過可見光無線通信對潛航器進行實時控制。具體地，地面站將采集搖桿的擺幅信息，擺幅信息將用于確定潛航器的左右轉動角度，擺幅信息或轉動角度通過通信模塊發送給潛航器的處理器。當潛航器通過TCP/IP通信接收到地面站通過水下可見光網絡通訊艙傳輸的控制信號后，處理器將根據控制指令改變潛航器的運動方式。

當處理器通過CAN總線向控制器傳輸前進信號時，控制器通過PWM波控制轉動范圍為0°~180°的舵機在85°~95°之間進行往復轉動，以達到勻速前進的效果；由于地面站搖桿精度為0~65535，因此當地面站控制潛航器運動時，潛航器舵機左右轉動角度區間ω與搖桿左右擺幅x之間的關系為：

當轉動角度區間大于180°或小于0°時，擺幅將被限制在170°~180°或0°~10°，以保證舵機不會損壞。

在水下可見光網絡通訊艙釋放仿生潛航器前，潛航器將會自動控制水泵向壓載艙中泵入預設的水量，使潛航器達到接近懸浮的狀態，在仿生潛航器被釋放后，控制器將根據陀螺儀傳回的加速度信息使用PID算法控制水泵調整壓載艙水量，使潛航器最終在水中達到懸浮狀態。當潛航器接收到地面站的上浮或下潛指令后，控制器將會再次開啟水泵將液體泵入并排出，并同樣根據陀螺儀傳回的加速度信息控制潛航器能夠穩定在任意深度。

3 結語

本文研究了一種單關節仿生水下可見光通信無人潛航器的系統的結構以及控制方法，并對其進行了詳細的介紹。該仿生潛航器既彌補了ROV潛航器無法遠程操縱的問題，又彌補了AUV潛航器無法實時傳輸信號的問題，同時體積較小，可以廣泛應用于復雜地理環境水域的科學考察[5]。可見光無線通信在提供信號傳輸的同時，也可以為仿生潛航器提供照明；并且該潛航器還擁有開放艙體，可以隨時對電池進行更換或對內部結構進行更改，可擴展性強。