常駐型有纜遙控水下機器人水下定位與通信技術(shù)研究進展

余勇冬，田逸寧，王 斌

（1.上海海洋大學 工程學院，上海 201306；2.上海遨拓深水裝備技術(shù)開發(fā)有限公司，上海 201306）

水下常駐型ROV 為可長期停留水下作業(yè)的水下機器人，通常由水面設(shè)備和水下設(shè)備組成。因受到工作時長和作業(yè)距離的限制，水下常駐型ROV 通常需要采用與水下基站對接的方法來完成能源補充、數(shù)據(jù)交換和下載新任務。水下定位和通信技術(shù)是水下ROV 的核心技術(shù)，本文對常駐型ROV 的定位和通信系統(tǒng)的研究進展進行分析。

1 ROV 定位方法

水下ROV 定位是通過ROV 自身感知系統(tǒng)從水下環(huán)境獲取定位信盧，經(jīng)定位算法處理后對ROV 的位置和航向進行準確估計的技術(shù)。

1.1 水聲定位

水聲定位主要采用聲音傳感器進行水下信號定位，按照水聲定位系統(tǒng)中各接收器與應答器之間的基線長度可分為長基線、短基線、超短基線[1]，見表1。

表1 水聲定位類型及比較

國內(nèi)相關(guān)研究：林冠英等[2]利用雙曲面定位方法建立長基線深海定位模型測量定位誤差；程謙等[3]提出了基于多子陣組合的短基線聲學定位數(shù)據(jù)優(yōu)化方法；姬紅杰等[4]提出了水下五基元空間陣超短基線定位方法。國內(nèi)關(guān)于水聲定位研究較多，多集中于長基線和超短基線領(lǐng)域，而在短基線領(lǐng)域的研究相對較少。

國外對于水聲定位研究起步較早，例如，Glotzbath等[5]對采用水聲定位的水下機器人傳感器位置的二維和三維空間排布進行研究；Moreno-Salinas 等[6]對單一水面距離測量裝置中的傳感器軌跡進行優(yōu)化；An 等[7]將無需剛性連接的大孔徑柔性傳感器陣列運用在水聲定位中。國外水聲定位技術(shù)非常先進，不僅理論研究成熟，還研究了眾多成熟的系列化產(chǎn)品并應用于實際中。

1.2 水下GPS 定位

水下GPS 定位精度在0.1～10 m，適合遠距離定位。在海洋水下定位領(lǐng)域，GPS 水下定位已逐漸成為重要研究方向，相關(guān)研究包括：姜少杰等[8]提出GPS/BDS雙模組合定位技術(shù)來提高定位精度；席勇輝[9]提出了一種基于單浮標拖纜監(jiān)測的水下GPS 定位技術(shù)來進行定位。國外常將水下GPS 定位技術(shù)和其他水下定位技術(shù)結(jié)合起來進行研究，用來提高水下定位精度和增大定位距離。例如Kussat 等[10]將水聲測距和水下GPS 定位相結(jié)合實現(xiàn)對目標的絕對定位；Lambert 等[11]使用聲學單元和GPS 接收器協(xié)同進行水下定位；Yonghui 等[12]提出了基于單浮筒牽引電纜監(jiān)測的水下GPS 技術(shù)對目標進行定位。

1.3 視覺定位

視覺定位通過攝像頭采集圖像，再根據(jù)信盧交換計算出位置信盧，適用于短距離定位（10～28 m），定位精度為厘米級。

國內(nèi)外相關(guān)研究：石建樹[13]通過找到目標在圖片的位置和計算內(nèi)外參數(shù)來進行雙目立體定位；蔡迎波等[14]提出了基于目標光源的單目視覺的4 自由度視覺定位方法；Burguera 等[15]提出了基于深度神經(jīng)網(wǎng)絡的魯棒快速視覺環(huán)路檢測方法來提高圖像數(shù)據(jù)采集能力；Elibol 等[16]提出了一種高效的圖像鑲嵌算法來提高圖像識別范圍及能力。國外早在上世紀末就將視覺定位技術(shù)運用于水下機器人，研究了各種優(yōu)化算法提高圖像處理能力，其中神經(jīng)網(wǎng)絡算法研究較多。雖然我國在水下視覺定位技術(shù)方面起步較晚，但隨著軟硬件技術(shù)的進步，水下視覺定位技術(shù)日趨成熟。

1.4 電磁定位

電磁定位通常由單個或多個發(fā)射線圈作為信號源來產(chǎn)生磁場，對感應線圈進行定位，定位精度為毫米級。

國內(nèi)外研究：王志強等[17]提出三維全向磁感應的水下定位技術(shù)，采用三維正交線圈兩兩垂直的形式來獲得更準確的定位坐標；Huang 等[18]將定向三項線圈直接進行信號傳遞提高定位精度；Guo 等[19]將磁通信系統(tǒng)中采用三軸線圈定向分集來提高無線信道的可靠性。國內(nèi)外對于電磁定位研究較少，缺乏創(chuàng)新技術(shù)，有待進一步發(fā)展。

1.5 其他定位

常駐型ROV 的定位方式還有主動電場定位、水下節(jié)點光學定位和地圖定位等。

1）主動電場定位，利用ROV 自身發(fā)射電信號和水下基站接收電場對物體進行短距離定位。祝悅[20]簡化模型模擬出主動電場探測環(huán)境來進行數(shù)據(jù)采集，實現(xiàn)水下定位。

2）水下節(jié)點光學定位，通過選取多個參考節(jié)點并在網(wǎng)絡的中心節(jié)點進行集中定位。龐琬佳[21]提出了基于RSS 的水下節(jié)點激光定位和基于LED 圖像的水下節(jié)點定位方法來進行定位分析。

3）地圖定位，通過水下機器人自身安裝的傳感器獲取數(shù)據(jù)來感知環(huán)境，通過信盧交互實現(xiàn)定位和地圖構(gòu)建[22]。曹夢龍等[23]提出基于虛擬噪聲補償技術(shù)的EKF算法來地圖定位精度。

2 ROV 通信方式

水下通信技術(shù)多運用于監(jiān)測海洋環(huán)境和軍事領(lǐng)域，通過搭建一個局域網(wǎng)，將所有信號共用同一鏈路同時傳輸，再交互數(shù)據(jù)信盧以達到通信的目的。

2.1 水聲通信

水聲通信目前是最常用的水中通信方法，傳輸距離可達數(shù)千公里，傳輸速度為1 500 m/s，誤碼率較低，傳輸干擾大，安全性較低。

國內(nèi)外相關(guān)研究：方雁峰[24]將OFDM 技術(shù)運用在通信模塊上，并與水聲定位協(xié)同進行通信控制；翟玉爽等[25]將極化碼信道編碼機制和OFDM 技術(shù)相結(jié)合運用于水下通信；Tang 等[26]提出將寬帶遞歸濾波控制方法運用在水聲通信中，并進行參數(shù)陣列測試；Yoo 等[27]提出將基于測量和更新無源共軛匹配濾波器的方法與水聲通信相結(jié)合來降低誤碼率。國內(nèi)對于水聲通信研究較多，相關(guān)技術(shù)應用廣泛，常將OFDM 技術(shù)用于水聲通信中；國外對于水聲通信研究起步于模擬調(diào)制技術(shù)，目前技術(shù)非常成熟且種類繁多。

2.2 電場通信

電場通信是一種新型的短距離水下通信方法，通過水中形成的電場傳遞電流信號進行通信，具有實時性好、能耗低和體積小等特點。

國內(nèi)外相關(guān)研究：Yang 等[28]根據(jù)推導出的顯式函數(shù)得出發(fā)射極電流大小與通信距離呈正相關(guān)；張晗等[29]提出采用動態(tài)媒體接入控制技術(shù)進行多節(jié)點水下通信。國外近幾年將電場通信技術(shù)運用在水下機器人中，但實際應用技術(shù)不夠完善，國際上也沒有統(tǒng)一的系統(tǒng)執(zhí)行標準。國內(nèi)科研機構(gòu)對于電場通信研究極少，側(cè)重于應用方面，基礎(chǔ)研究不多。

2.3 無線電通信

水下無線電通信也被稱為水下電磁波通信，通過電磁波作為信盧進行雙向通信，適用于短距離較高速率的傳輸，具有載波頻率高、信道穩(wěn)定等優(yōu)勢，王毅凡等[30]根據(jù)低頻波段對無線電通信進行分類，見表2。

表2 水下無線電通信分類

國內(nèi)主要研究：王俊[31]提出了基于OFDM 的水下電磁波通信方法，并用不同調(diào)制方式將子載波進行處理；張光普等[32]將電磁波通信和水聲通信相結(jié)合設(shè)計了監(jiān)測浮標系統(tǒng)。國內(nèi)對無線電通信研究較少，大多數(shù)研究只停留在理論層面，實用性不強，常用OFDM 技術(shù)對電磁波通信進行優(yōu)化研究。

國外研究：Nie 等[33]提出了水下短距離超寬帶電磁波通信的OFDM 方案來提高傳輸速度。Fjuk 等[34]研發(fā)了一種射頻發(fā)射機用于海底高速無線電通信。國外對電磁波通信研究較少，隨著對無線電通信技術(shù)的重視，加深了對理論和實驗方面的研究，但是研發(fā)出的可供使用的設(shè)備較少。

2.4 光學通信

光學通信是近年發(fā)展起來的一種近距離高速通信方法，一般以在海水中傳播衰減較慢的藍綠光[35]作為信盧載體，具有信盧速率極高、數(shù)據(jù)傳輸能力和抗干擾性強等特點。

國內(nèi)外在光學通信研究方面，常常用光學通信與OFDM 技術(shù)結(jié)合起來搭建通信系統(tǒng)進行研究。童俊杰[36]將DCO-OFDM 技術(shù)用于水下光通信系統(tǒng)，并設(shè)計了TFI-SLM 峰均比抑制算法進行優(yōu)化；楊杰等[37]在水下光通信系統(tǒng)中運用PPM 調(diào)制技術(shù)來提高通信效率；徐登等[38]提出將LiFi 通信技術(shù)用于水下機器人，可有效傳遞數(shù)據(jù)信盧和提高傳輸效率。

國外水聲通信起步早，其中美國關(guān)于水聲通信技術(shù)方面國際領(lǐng)先，創(chuàng)新技術(shù)較多。Xya 等[39]基于藍綠色波長分割提出了full-duplex 無線光通信系統(tǒng)，擴大了通信范圍和提高了數(shù)據(jù)速率；Wang 等[40]將多像素光子計數(shù)器和OFTM 技術(shù)相結(jié)合運用在水下光學定位系統(tǒng)中，將數(shù)據(jù)傳輸速率提高到每秒數(shù)百兆。

2.5 磁感應通信

無線磁感應通信技術(shù)具有通信速率高、設(shè)備成本低、可用帶寬大、穩(wěn)定性高等優(yōu)點，可用于實現(xiàn)水下基站與ROV 的近距離通信。

國內(nèi)外相關(guān)研究：朱景波等[41]設(shè)計了一種基于磁場耦合的低功耗水下半雙工無線通信模塊；李松等[42]將FSK 調(diào)制方法運用在水下磁感應通信系統(tǒng)，得出采用全向天線比單向天線的通信信號更加穩(wěn)定；Li 等[43]提出將混合聲磁感應技術(shù)運用在MIMO 水下通信機制中來提高通信效率；Guo 等[44]將寬帶信道模型與磁感應通信相結(jié)合，在水下復雜環(huán)境能夠表征任意點的傳播。國內(nèi)對磁感應通信開展了初步研究，對磁感應通信在水下環(huán)境中的信道模型研究還不夠充分。國外對于磁感應通信技術(shù)理論方面研究非常成熟，但實際應用卻不多。

3 結(jié)束語

本文介紹了水下基站與常駐型ROV 的定位、通信方法，并且對各個系統(tǒng)進行分類及分析，闡述了常駐型ROV 水下定位和通信技術(shù)的國內(nèi)外研究進展。在ROV定位方面，通常采用遠距離和近距離相結(jié)合的方法，比如水聲定位與視覺定位結(jié)合、水聲定位與光學定位結(jié)合等，提高定位精度；在ROV 通信方面，最常用的是長距離的水聲通信，無線電通信和磁感應通信也是新興通信方法，都是通過信號轉(zhuǎn)換完成數(shù)據(jù)交換。但目前在回收ROV 方面依然存在水下基站電能轉(zhuǎn)換率低、ROV通信精度低及定位誤差大等問題，在未來的研究中將對其作進一步改進。