面向水下機(jī)器人的水下電場(chǎng)通信協(xié)議設(shè)計(jì)

張 晗, 王 偉, 謝廣明

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面向水下機(jī)器人的水下電場(chǎng)通信協(xié)議設(shè)計(jì)

張 晗1,2, 王 偉3, 謝廣明1,4

(1. 北京大學(xué)工學(xué)院 湍流與復(fù)雜系統(tǒng)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 智能仿生設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)室, 北京, 100871; 2. 中國(guó)人民解放軍 32555部隊(duì), 廣東 廣州, 510600; 3. 麻省理工學(xué)院 城市研究與規(guī)劃學(xué)院, 美國(guó)馬塞諸塞州 劍橋, 02139; 4. 北京大學(xué) 海洋研究院, 北京, 100871)

作為一種新型的水下通信方法, 電場(chǎng)通信具有能耗低, 不易受外界環(huán)境干擾, 實(shí)時(shí)性、全向性好等優(yōu)點(diǎn), 可在小型水下機(jī)器人水下通信、組網(wǎng)中發(fā)揮良好作用。在前期的研究中, 已將電場(chǎng)通信系統(tǒng)集成在一款仿箱鲀機(jī)器魚(yú)上。但由于使用的是共享信道, 當(dāng)多機(jī)器魚(yú)(節(jié)點(diǎn))通信時(shí), 難免出現(xiàn)通信碰撞問(wèn)題。文中基于無(wú)線(xiàn)通信網(wǎng)絡(luò)載波偵聽(tīng)多路訪(fǎng)問(wèn)/沖突避免(CSMA/CA)協(xié)議提出了電場(chǎng)通信協(xié)議。介紹了協(xié)議的運(yùn)行機(jī)制以及信道狀態(tài)的檢測(cè)方法。為驗(yàn)證設(shè)計(jì)協(xié)議的有效性, 進(jìn)行了MATLAB仿真及3條機(jī)器魚(yú)電場(chǎng)通信實(shí)驗(yàn)。結(jié)果表明, 該協(xié)議能有效減少通信碰撞的發(fā)生。

水下機(jī)器人; 仿箱鲀機(jī)器魚(yú); 水下通信; 電場(chǎng)通信; 載波偵聽(tīng)多路訪(fǎng)問(wèn)/沖突避免

0 引言

海洋覆蓋了約71%的地球表面, 世界上有將近50%的人口生活在距海岸線(xiàn)100 km以?xún)?nèi)的區(qū)域。隨著陸地資源被人類(lèi)不斷開(kāi)發(fā), 擁有豐富礦產(chǎn)、生物資源的海洋正成為各國(guó)展示經(jīng)濟(jì)和軍事實(shí)力的擂臺(tái), 吸引了越來(lái)越多的關(guān)注。

然而人類(lèi)對(duì)海洋的探索還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不足, 海洋極為險(xiǎn)惡的環(huán)境為人類(lèi)的探索設(shè)置了重重阻礙。學(xué)者們普遍認(rèn)為, 未來(lái)將由多個(gè)自主式水下航行器 (autonomous undersea vehicle, AUV)組成智能集群代替人類(lèi)完成復(fù)雜的水下探索任務(wù), 這也成為當(dāng)前的研究熱點(diǎn)[1]。

然而現(xiàn)有的水下通信和組網(wǎng)技術(shù)還遠(yuǎn)無(wú)法支撐水下智能無(wú)人集群的運(yùn)行。在陸地通信中廣泛使用的高頻無(wú)線(xiàn)電磁波在水下將被嚴(yán)重衰減[2]。目前, 水下通信和網(wǎng)絡(luò)主要基于水聲通信技術(shù)[3], 但仍然面臨著諸如多徑效應(yīng)、多普勒頻移、傳播時(shí)延等方面挑戰(zhàn), 且極易受環(huán)境噪聲以及航行器運(yùn)行噪聲的影響[4], 難以在無(wú)人水下航行器(unmanned undersea vehicle, UUV)集群作業(yè)中發(fā)揮最大效能。就現(xiàn)有的研究來(lái)看, 需要一種新型的水下通信方式來(lái)支撐水下智能無(wú)人集群作業(yè)。

一些學(xué)者將目光投向了生活在水中的魚(yú)類(lèi), 通過(guò)長(zhǎng)期的觀(guān)察, 發(fā)現(xiàn)了利用特殊的電器官放電(electric organ discharges, EOD)現(xiàn)象進(jìn)行感知和信息交互的弱電魚(yú)(weakly electric fishes)[5-6]。據(jù)此, 學(xué)者們提出一種名為水下電場(chǎng)通信的新型通信方法, 并通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了其可行性, 該方法具有實(shí)時(shí)性好、能耗低、體積小、及全向性好等優(yōu)點(diǎn)[7-10]。在此基礎(chǔ)上, 北京大學(xué)的Wang等[11]將電場(chǎng)通信系統(tǒng)集成于一款仿箱鲀機(jī)器魚(yú)上(見(jiàn)圖1), 實(shí)現(xiàn)了3~5 m的雙機(jī)器魚(yú)(節(jié)點(diǎn))的水下通信。

由于電場(chǎng)通信使用的是共享信道, 當(dāng)多條機(jī)器魚(yú)同時(shí)通信時(shí), 難免會(huì)出現(xiàn)通信碰撞問(wèn)題, 影響通信性能。文中旨在基于無(wú)線(xiàn)通信網(wǎng)絡(luò)載波偵聽(tīng)多路訪(fǎng)問(wèn)/沖突避免(carrier sense multiple access/collision avoidance, CSMA/CA)協(xié)議設(shè)計(jì)用于解決多節(jié)點(diǎn)電場(chǎng)通信碰撞問(wèn)題的電場(chǎng)通信協(xié)議, 是對(duì)前期發(fā)表論文[12]的延伸和拓展, 對(duì)電場(chǎng)通信原理做了詳細(xì)闡述, 并首次實(shí)現(xiàn)多條機(jī)器魚(yú)的水下電場(chǎng)通信, 與原有機(jī)器魚(yú)模型實(shí)驗(yàn)相比,機(jī)器魚(yú)實(shí)驗(yàn)需要應(yīng)對(duì)機(jī)器魚(yú)可自主游動(dòng)、協(xié)議與機(jī)器魚(yú)主控制器兼容的挑戰(zhàn), 進(jìn)而全面驗(yàn)證了該協(xié)議可為多機(jī)器魚(yú)協(xié)作提供通信保障。

圖1 集成水下電場(chǎng)通信系統(tǒng)的仿箱鲀機(jī)器魚(yú)

1 水下電場(chǎng)通信

弱電魚(yú)通過(guò)電場(chǎng)進(jìn)行信息交互的機(jī)理非常復(fù)雜[13], 需要對(duì)其原理進(jìn)行簡(jiǎn)化, 形成工程上便于實(shí)現(xiàn)的水下電場(chǎng)通信系統(tǒng)?？紤]到計(jì)算和分析的便利, 簡(jiǎn)化為圖2所示的由一對(duì)發(fā)射電極和一對(duì)接收電極組成的發(fā)射接收模型[11]。

圖2 電場(chǎng)通信物理模型

1.1 基本原理

當(dāng)變化的電流流經(jīng)發(fā)射電極時(shí), 其附近會(huì)產(chǎn)生交變電磁場(chǎng), 而傳播介質(zhì)水又是良好的導(dǎo)體, 必須同時(shí)考慮傳導(dǎo)電流和位移電流效應(yīng)[14]。而簡(jiǎn)化的目標(biāo)是通過(guò)由多個(gè)場(chǎng)強(qiáng)隨時(shí)間變化的靜電場(chǎng)序列來(lái)分析電場(chǎng)通信物理模型, 即交變電場(chǎng)滿(mǎn)足準(zhǔn)靜態(tài)(quasi-static)場(chǎng)條件。

具體地, 傳導(dǎo)電流由原子間電荷運(yùn)動(dòng)形成, 滿(mǎn)足歐姆定律, 是時(shí)不變的, 表達(dá)式為

而位移電流是由原子內(nèi)的束縛電荷運(yùn)動(dòng)引起的(通常因外部場(chǎng)的施加而產(chǎn)生), 是時(shí)變的, 其密度表達(dá)式為

接收電極1和2的電勢(shì)差可通過(guò)下面的公式計(jì)算

總而言之, 當(dāng)發(fā)射端電流形成的交變電磁場(chǎng)的變化頻率滿(mǎn)足準(zhǔn)靜態(tài)場(chǎng)條件時(shí), 放置在其附近一定范圍內(nèi)的接收端能檢測(cè)到電勢(shì)差的變化, 再經(jīng)濾波、放大等電路, 便能還原發(fā)射端發(fā)出的信息, 這是電場(chǎng)通信的基本原理。此外, 電場(chǎng)通信效果會(huì)因?yàn)榻邮斩撕桶l(fā)射端之間的相對(duì)位置以及相對(duì)角度的改變而變化。通過(guò)分析電場(chǎng)通信物理模型得到了電場(chǎng)通信的基本原理, 為電場(chǎng)通信系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與應(yīng)用提供了理論依據(jù)。

1.2 通信系統(tǒng)

基于電場(chǎng)通信原理, 簡(jiǎn)化后的電場(chǎng)通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案見(jiàn)圖3, 難點(diǎn)主要是發(fā)射單元和接收單元的設(shè)計(jì)。采用了數(shù)字通信和電壓檢測(cè)模式以及標(biāo)準(zhǔn)的串口通信協(xié)議, 可以方便地調(diào)試波特率、數(shù)據(jù)長(zhǎng)度及控制位等通信參數(shù)。

無(wú)論是發(fā)射單元還是接收單元都采用了微控制器作為通信功能的核心處理器, 并且都有一對(duì)放置在水中的電極板與它們相連, 用于發(fā)射或接收電場(chǎng)通信信號(hào)。在發(fā)射單元, 信號(hào)通過(guò)微控制器的串口發(fā)出, 經(jīng)幅移鍵控(amplitude shift keying, ASK)數(shù)字調(diào)制、放大后, 加載至發(fā)射電極板, 通過(guò)傳播介質(zhì)水抵達(dá)接收單元, 接收單元的電極板檢測(cè)到不斷變化的電勢(shì)差信號(hào), 對(duì)該信號(hào)濾波、解調(diào), 再通過(guò)串口傳至接收單元的微控制器。

2 仿箱鲀機(jī)器魚(yú)

考慮到研究電場(chǎng)通信的目標(biāo)是在小型水下機(jī)器人上應(yīng)用, 因此在電場(chǎng)通信系統(tǒng)的設(shè)計(jì)規(guī)劃階段, 就考慮了低能耗、小型化、靈活性等特點(diǎn), 并將它集成在一種名為仿箱鲀機(jī)器魚(yú)(boxfish-like robotic fish)的水下機(jī)器人上, 如圖1所示。

圖3 電場(chǎng)通信系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

仿箱鲀機(jī)器魚(yú)的仿生對(duì)象是自然界真實(shí)存在的一種名為箱鲀(boxfish)的魚(yú)類(lèi)。它有1個(gè)流線(xiàn)型的外形, 由1對(duì)胸鰭和1個(gè)尾鰭驅(qū)動(dòng)。其主控制器為樹(shù)莓派(raspberry pi), 輔助控制器為3個(gè)STM32F103單片機(jī), 用于基本的運(yùn)動(dòng)控制、搜集處理傳感器數(shù)據(jù)和計(jì)算運(yùn)動(dòng)姿態(tài)。它身上還分布著多個(gè)傳感器: 1個(gè)攝像頭, 1個(gè)慣性測(cè)量單元: (inertial measuring unit, IMU), 1對(duì)發(fā)射電極板, 1對(duì)接收電極板和9個(gè)壓強(qiáng)傳感器[18]。通過(guò)精心設(shè)計(jì)的仿生中央模式發(fā)生器(central pattern generator, CPG), 機(jī)器魚(yú)可實(shí)現(xiàn)向前直游、向后倒游, 上升、下潛, 轉(zhuǎn)彎甚至翻滾等基本的游動(dòng)模態(tài)[19]。

由于集成了電場(chǎng)通信系統(tǒng)(其結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖3), 可實(shí)現(xiàn)近距離的雙機(jī)器魚(yú)水下通信。并通過(guò)一系列實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了集成電場(chǎng)通信系統(tǒng)的仿箱鲀機(jī)器魚(yú)的水下通信效果。圖4展示了集成電場(chǎng)通信系統(tǒng)的仿箱鲀機(jī)器魚(yú)在自然湖水中進(jìn)行距離為3 m的水下通信實(shí)驗(yàn)[11]。

實(shí)驗(yàn)中, 左側(cè)機(jī)器魚(yú)發(fā)射電場(chǎng)通信信號(hào), 經(jīng)湖水傳播, 右側(cè)機(jī)器魚(yú)接收該信號(hào), 并通過(guò)右側(cè)機(jī)器魚(yú)的無(wú)線(xiàn)發(fā)射模塊傳輸至岸上的計(jì)算機(jī)。

圖4 在湖水中進(jìn)行電場(chǎng)通信實(shí)驗(yàn)

由于電場(chǎng)通信使用的是相同的信道, 當(dāng)多條機(jī)器魚(yú)同時(shí)通信, 會(huì)發(fā)生通信碰撞, 使電場(chǎng)信號(hào)無(wú)法被正確接收。需要進(jìn)一步設(shè)計(jì)通信協(xié)議來(lái)支持更多的機(jī)器魚(yú)互相通信。

3 電場(chǎng)通信協(xié)議設(shè)計(jì)

無(wú)線(xiàn)通信網(wǎng)絡(luò)領(lǐng)域通過(guò)介質(zhì)訪(fǎng)問(wèn)控制(media access control, MAC)協(xié)議解決通信碰撞問(wèn)題: 它允許網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)共享相同信道, 解決數(shù)據(jù)包沖突并防止同時(shí)傳輸, 具有能量效率高、信道訪(fǎng)問(wèn)延遲低等優(yōu)點(diǎn), 也在一定程度上維持了節(jié)點(diǎn)競(jìng)爭(zhēng)的公平性。若能設(shè)計(jì)用于電場(chǎng)通信系統(tǒng)的MAC協(xié)議, 通信碰撞問(wèn)題即可迎刃而解。

由于機(jī)器魚(yú)體積小, 使用電池供電, 可攜帶的能量少, 水下環(huán)境復(fù)雜, 使得其穩(wěn)定性遠(yuǎn)遠(yuǎn)不如陸地機(jī)器人, 電場(chǎng)通信系統(tǒng)的MAC協(xié)議不能過(guò)于復(fù)雜。此外, 機(jī)器魚(yú)可自主游動(dòng), 對(duì)協(xié)議的魯棒性及可靠性等都提出了更高的要求, 需要精心設(shè)計(jì), 才能在物理信道上實(shí)現(xiàn)可靠的數(shù)據(jù)傳輸[20]。

3.1 協(xié)議選擇

在錯(cuò)綜復(fù)雜的水下環(huán)境中, 信道資源非常寶貴, MAC 協(xié)議對(duì)電場(chǎng)通信信道的利用有重要意義, 選擇合適的MAC 協(xié)議對(duì)通信性能有很大影響, 對(duì)電場(chǎng)通信尤其重要[21]。

無(wú)線(xiàn)通信網(wǎng)絡(luò)領(lǐng)域?qū)AC協(xié)議的研究已經(jīng)開(kāi)展了數(shù)十年[22], 但在水下電場(chǎng)通信系統(tǒng)中, 它仍是一個(gè)全新的內(nèi)容。主要有以下2種信道分配技術(shù): 靜態(tài)劃分信道和動(dòng)態(tài)媒體接入控制。

對(duì)電場(chǎng)通信來(lái)說(shuō), 各機(jī)器魚(yú)共享通信信道, 每個(gè)節(jié)點(diǎn)(機(jī)器魚(yú))都可自由移動(dòng), 各節(jié)點(diǎn)的功能相近, 地位相當(dāng), 沒(méi)有中心節(jié)點(diǎn)來(lái)分配信道, 因此采用靜態(tài)信道分配技術(shù)的MAC協(xié)議難以在電場(chǎng)通信中應(yīng)用[12, 23]。

動(dòng)態(tài)媒體接入控制技術(shù)是競(jìng)爭(zhēng)型的MAC協(xié)議, 無(wú)需專(zhuān)門(mén)的中心節(jié)點(diǎn)為其他節(jié)點(diǎn)分配信道資源, 節(jié)點(diǎn)通過(guò)競(jìng)爭(zhēng)動(dòng)態(tài)共享同一信道, 能充分利用有限的信道資源, 較好適應(yīng)機(jī)器魚(yú)可自主移動(dòng)的特點(diǎn)[24]。在對(duì)水下網(wǎng)絡(luò)動(dòng)態(tài)媒體接入控制技術(shù)的研究中, 一種名為CSMA/CA的協(xié)議受到了學(xué)者們的關(guān)注, 它采用載波監(jiān)聽(tīng)(listen before talk, LBT) 機(jī)制將信道隨機(jī)地分配給網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)而不是指定給某一節(jié)點(diǎn), 有利于信道資源的充分利用, 有效地避免了通信碰撞, 可實(shí)現(xiàn)多節(jié)點(diǎn)的接入。1997 年美國(guó)佛羅里達(dá)大西洋大學(xué)的Smith 等[25]已將CSMA/CA 協(xié)議應(yīng)用于水聲通信網(wǎng)絡(luò)并證明了它能有效工作, 因此嘗試將該協(xié)議與電場(chǎng)通信結(jié)合, 設(shè)計(jì)MAC協(xié)議。

3.2 基于CSMA/CA的電場(chǎng)通信協(xié)議

電場(chǎng)通信MAC協(xié)議需確保多個(gè)節(jié)點(diǎn)能有效接入信道, 且通信過(guò)程不被打斷。CSMA/CA協(xié)議通過(guò)LBT機(jī)制和隨機(jī)退避過(guò)程實(shí)現(xiàn)協(xié)議運(yùn)行, 應(yīng)用于電場(chǎng)通信的詳細(xì)過(guò)程為: 當(dāng)節(jié)點(diǎn)(機(jī)器魚(yú))產(chǎn)生發(fā)送消息的需求時(shí), 至少要對(duì)信道的狀態(tài)進(jìn)行二次檢測(cè)。當(dāng)節(jié)點(diǎn)第1次檢測(cè)到信道空閑時(shí), 進(jìn)入一段稱(chēng)為分布式幀間間隙(distributed inter- frame spacing, DIFS)的較短的等候時(shí)間, 以進(jìn)入下一次檢測(cè); 否則, 該傳輸將被推延直到信道處于空閑狀態(tài)。當(dāng)節(jié)點(diǎn)第2次檢測(cè)到空閑的信道時(shí), 立即發(fā)送消息; 否則進(jìn)入隨機(jī)退避過(guò)程, 以接入信道。

結(jié)合電場(chǎng)通信系統(tǒng)的實(shí)際情況, 將協(xié)議的DIFS設(shè)定為200 ms, 時(shí)隙設(shè)定為100 ms。因此, 進(jìn)入隨機(jī)退避過(guò)程的節(jié)點(diǎn)至少需要推遲了倍的才能發(fā)送消息。協(xié)議的運(yùn)行流程見(jiàn)圖5。

圖5 基于CSMA/CA的電場(chǎng)通信協(xié)議流程

3.3 信道狀態(tài)檢測(cè)

在應(yīng)用電場(chǎng)通信MAC協(xié)議之前, 有一個(gè)核心問(wèn)題需要解決——信道狀態(tài)檢測(cè)。只有準(zhǔn)確獲取信道狀態(tài)后, 才能保證協(xié)議的運(yùn)行。

信道狀態(tài)檢測(cè)是通過(guò)通信系統(tǒng)中的運(yùn)算放大電路實(shí)現(xiàn)的, 見(jiàn)圖6。當(dāng)水中有電場(chǎng)通信信號(hào)時(shí), 該信號(hào)經(jīng)鎖相環(huán)檢測(cè)為電場(chǎng)通信信號(hào)后輸出。由于電場(chǎng)通信信號(hào)為矩形信號(hào), 經(jīng)過(guò)由電容和電阻組成的電阻-電容(resistor-capacitance, RC)充放電電路后成為高電平信號(hào), 而后被傳遞至運(yùn)算放大器的反相輸入端。蓄電池的正極分為兩路, 一路經(jīng)滑動(dòng)變阻器與運(yùn)算放大器的同相輸入端相連, 另一路與運(yùn)算放大器的正極相連。運(yùn)算放大器將同相輸入端與反相輸入端的電平信號(hào)相比較, 將結(jié)果由輸出端經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)串行通信協(xié)議接口輸出至機(jī)器魚(yú)的微控制器, 使微控制器得到信道空閑或繁忙狀態(tài)的標(biāo)志, 判斷信道狀態(tài), 滿(mǎn)足了協(xié)議對(duì)信道的“監(jiān)聽(tīng)”需求。

圖6 信道狀態(tài)檢測(cè)電路

具體地, 通信信道的狀態(tài)可由鎖相環(huán)是否將電場(chǎng)通信的脈沖信號(hào)傳遞至運(yùn)算放大器的反相輸入端進(jìn)行判斷: 當(dāng)鎖相環(huán)輸出脈沖信號(hào)時(shí), 運(yùn)算放大器的同相輸入端電平信號(hào)的電壓小于反相輸入端的電壓, 說(shuō)明信道繁忙; 反之, 當(dāng)鎖相環(huán)沒(méi)有輸出脈沖信號(hào), 運(yùn)算放大器的同相輸入端電平信號(hào)的電壓大于反相輸入端電壓, 說(shuō)明信道空閑。

4 仿真和實(shí)驗(yàn)

前文介紹的基于CSMA/CA的電場(chǎng)通信協(xié)議可通過(guò)編程在機(jī)器魚(yú)微控制器中運(yùn)行, 但是該協(xié)議能否在實(shí)際的電場(chǎng)通信網(wǎng)絡(luò)中發(fā)揮作用需要通過(guò)仿真和實(shí)驗(yàn)來(lái)驗(yàn)證。

4.1 MATLAB仿真

使用MATLAB 仿真了該協(xié)議的運(yùn)行, 圖7展示了3個(gè)節(jié)點(diǎn)依次對(duì)通信信道進(jìn)行競(jìng)爭(zhēng), 隨機(jī)退避的過(guò)程, 包括從CW中選擇退避數(shù)、等待和發(fā)送。圖中, 三角形代表發(fā)送過(guò)程, 矩形代表退避等待過(guò)程, 矩形的高度代表退避數(shù)值。具體過(guò)程如下。

圖7 三節(jié)點(diǎn)運(yùn)行協(xié)議仿真結(jié)果

2) 節(jié)點(diǎn)2、3分別在=0.15 s和=0.2 s產(chǎn)生發(fā)送消息的需求, 但檢測(cè)發(fā)現(xiàn)信道處于繁忙狀態(tài), 因此從CW中分別選取退避數(shù)3和5, 進(jìn)入隨機(jī)退避過(guò)程。由于節(jié)點(diǎn)1占用了信道, 節(jié)點(diǎn)2、3的退避數(shù)一直保持不變(如節(jié)點(diǎn)2、3子圖的第1個(gè)矩形所示)。

3) 節(jié)點(diǎn)1在=0.4 s發(fā)送完畢, 節(jié)點(diǎn)2、3檢測(cè)到空閑狀態(tài)的信道, 退避數(shù)開(kāi)始減少。

4) 節(jié)點(diǎn)2的退避數(shù)在=0.42 s減至0, 進(jìn)行發(fā)送(如節(jié)點(diǎn)2子圖的第1個(gè)三角形所示), 節(jié)點(diǎn)3繼續(xù)等待。

5) 節(jié)點(diǎn)1在=0.51 s產(chǎn)生新的發(fā)送需求, 它需要從CW中選取新的退避數(shù)并進(jìn)行等待, 這一退避數(shù)大于節(jié)點(diǎn)3的退避數(shù)(如節(jié)點(diǎn)1子圖的第1個(gè)矩形所示)。

6) 節(jié)點(diǎn)2在=0.82 s發(fā)送完畢, 節(jié)點(diǎn)1、3檢測(cè)到處于空閑狀態(tài)的信道, 退避數(shù)開(kāi)始減少。隨后, 節(jié)點(diǎn)3的退避數(shù)減至0, 進(jìn)行發(fā)送(如節(jié)點(diǎn)3子圖的第1個(gè)三角所示)。

之后的過(guò)程以此類(lèi)推。需要說(shuō)明的是, 由于節(jié)點(diǎn)選取退避數(shù)后未進(jìn)行發(fā)送前, 每個(gè)時(shí)隙檢測(cè)信道狀態(tài), 只要檢測(cè)到信道空閑則將退避數(shù)減1, 而剛完成消息發(fā)送又產(chǎn)生發(fā)送需求的節(jié)點(diǎn)需要重新選取退避數(shù), 這一退避數(shù)通常大于未發(fā)送消息節(jié)點(diǎn)的退避數(shù), 從而使未發(fā)送消息的節(jié)點(diǎn)有更大的可能先發(fā)送, 這有助于平衡各節(jié)點(diǎn)使用信道的機(jī)會(huì)。

4.2 多機(jī)器魚(yú)通信實(shí)驗(yàn)

采用多機(jī)器魚(yú)電場(chǎng)通信實(shí)驗(yàn)的方法進(jìn)一步驗(yàn)證協(xié)議的有效性。與文獻(xiàn)[12]中僅采用電場(chǎng)通信模板進(jìn)行實(shí)驗(yàn)相比, 需要兼顧機(jī)器魚(yú)可自主游動(dòng)以及協(xié)議數(shù)據(jù)包與機(jī)器魚(yú)主控制器兼容的問(wèn)題。

圖8 3條機(jī)器魚(yú)電場(chǎng)通信實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖9, 圖中橫坐標(biāo)值代表信道中的一次發(fā)送, 由于每次發(fā)送之間的時(shí)間間隔并不相同, 用時(shí)刻來(lái)表示; 縱坐標(biāo)分別表示3條機(jī)器魚(yú)。從實(shí)驗(yàn)結(jié)果不難看出, 運(yùn)行了基于CSMA/CA的電場(chǎng)通信協(xié)議的機(jī)器魚(yú)能良好的通信, 沒(méi)有發(fā)生通信碰撞或沖突, 從而證明了協(xié)議的有效性。

圖9 3條機(jī)器魚(yú)電場(chǎng)通信實(shí)驗(yàn)結(jié)果

5 結(jié)束語(yǔ)

文中圍繞解決多個(gè)仿箱鲀機(jī)器魚(yú)水下電場(chǎng)通信時(shí)碰撞和沖突問(wèn)題, 設(shè)計(jì)了基于CSMA/CA的電場(chǎng)通信協(xié)議。介紹了協(xié)議的選擇、基于CSMA/ CA的電場(chǎng)通信協(xié)議運(yùn)行機(jī)制、隨機(jī)退避過(guò)程和信道監(jiān)聽(tīng)電路。為驗(yàn)證設(shè)計(jì)協(xié)議的有效性, 將其算法寫(xiě)入MATLAB, 通過(guò)仿真觀(guān)察了協(xié)議的運(yùn)行, 而后通過(guò)3條機(jī)器魚(yú)電場(chǎng)通信實(shí)驗(yàn), 證明了基于CSMA/CA的電場(chǎng)通信協(xié)議能有效減少通信碰撞, 保證多節(jié)點(diǎn)通信的正常進(jìn)行。

基于CSMA/CA的電場(chǎng)通信協(xié)議為未來(lái)多UUV的組網(wǎng)和協(xié)作打下了基礎(chǔ), 使它們得以組成水下智能無(wú)人集群, 完成復(fù)雜的水下作業(yè)。此外, 該協(xié)議在由多個(gè)節(jié)點(diǎn)組成的水下無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)中也能發(fā)揮良好的作用, 可以方便、快速地采集水文信息。但是現(xiàn)有的電場(chǎng)通信系統(tǒng)仍存在通信距離近, 傳輸速率低等問(wèn)題, 已完成的實(shí)驗(yàn)大多是驗(yàn)證性的, 距離實(shí)際應(yīng)用還有不少工作要做。在今后的研究中, 將通過(guò)軟硬件升級(jí), 不斷提升系統(tǒng)的通信性能, 以實(shí)現(xiàn)水下組網(wǎng)及實(shí)際應(yīng)用的目標(biāo)。

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Underwater Electrocommunication Protocol Design for Underwater Robot

ZHANG Han1,2, WANG Wei3, XIE Guang-ming1,4

(1. State Key Laboratory of Turbulence and Complex Systems, Intelligent Biomimetic Design Lab, College of Engineering, Peking University, Beijing 100871, China; 2. 32555thUnit, The People’s Liberation Army of China, Guangzhou 510600, China; 3. Department of Urban Studies and Planning, Massachusetts Institute of Technology, Cambridge 02139, USA; 4. Institute of Ocean Research, Peking University, Beijing 100871, China)

As a novel underwater communication method, electrocommunication has the following advantages: lower energy consumption, less susceptible to external interference, real-time, and high omnidirectional performance. It has become a potential method for underwater communication and networking among small underwater robots. In previous research activities, the electrocommunication system has been integrated into a boxfish-like robotic fish. However, when multiple robotic fishes(nodes) communicate, collision is unavoidable because they share same electrocommunication channel. In this paper, an electrocommunication protocol based on the carrier sense multiple access/collision avoidance (CSMA/CA) protocol of wireless communication networks is proposed to solve the collision problem. The operating mechanism of the protocol and the channel state detection method are introduced. In order to validate the effectiveness of the proposed protocol, MATLAB simulations and electrocommunication experiments using three robotic fishes were conducted. The results show that this protocol can effectively reduce the occurrence of communication collisions.

underwater robot; boxfish-like robotic fish; underwater communication; electrocommunication; carrier sense multiple access/collision avoidance(CSMA/CA)

TN929.3; TP242

A

1673-1948(2019)02-0134-08

10.11993/j.issn.1673-1948.2019.02.003

張晗, 王偉, 謝廣明. 面向水下機(jī)器人的水下電場(chǎng)通信協(xié)議設(shè)計(jì)[J]. 水下無(wú)人系統(tǒng)學(xué)報(bào), 2019, 27(2): 134-141.

2018-11-30;

2018-12-18.

國(guó)家自然科學(xué)基金(91648120, 61503008, 61633002, 51575005?); 中國(guó)博士后科學(xué)基金(2015M570013, 2016T90016); 國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃(2017YFB1400800).

張 晗(1988-), 男, 碩士, 助理工程師, 主要從事仿生機(jī)器人及水下電場(chǎng)通信技術(shù)研究.

(責(zé)任編輯: 許 妍)