仿生魚算法在水下機器人通信中的應用研究

摘 要：本文探索了仿生魚行為算法在水下機器人協(xié)同通信中的應用。通過模擬魚群的集體行為和通信機制，該算法為水下機器人提供了新思路和方法。試驗驗證發(fā)現(xiàn)，與單獨采用一種通信方式相比，仿生魚行為算法能夠在水下環(huán)境中有效提高通信效率和可靠性。該研究為水下機器人的應用領(lǐng)域拓展和通信技術(shù)改進提供了重要參考，具有重要的理論和實踐意義。

關(guān)鍵詞：水下機器人；協(xié)同通信；仿生魚行為算法；水下通信；環(huán)境感知

中圖分類號：TP 24" " " " " 文獻標志碼：A

在水下機器人技術(shù)飛速發(fā)展的背景下，水下通信面臨諸多挑戰(zhàn)。傳統(tǒng)的無線通信在水下環(huán)境中會出現(xiàn)信號衰減和多路徑傳播等問題，導致通信效率低下，限制了機器人應用和任務(wù)執(zhí)行能力[1]。因此，尋找更適應水下環(huán)境的通信方式迫在眉睫。

仿生魚行為算法從魚群通信角度出發(fā)，模擬魚群集體行為和通信機制，為水下機器人協(xié)同通信提供新思路。仿生魚行為算法能使水下機器人更好地適應水下環(huán)境，提高通信效率和可靠性，拓展應用領(lǐng)域，例如海洋科學、海底資源勘探和水下救援等[2]。本文旨在探索仿生魚行為算法在水下機器人協(xié)同通信中的應用，以提升其通信能力，促進其在各領(lǐng)域廣泛應用。

1 水下通信挑戰(zhàn)

水下通信中，傳統(tǒng)無線通信技術(shù)受到限制。在水下環(huán)境中，信號受水的吸收和散射的影響，會出現(xiàn)衰減嚴重，傳統(tǒng)的無線通信難以實現(xiàn)遠距離傳輸，通信距離受到嚴重限制。同時，水下環(huán)境中存在多種反射、折射和散射現(xiàn)象，會引起信號多路徑傳播，增加信號時延和失真，降低通信質(zhì)量。除此之外，水下通信頻段受限，頻段間的穿透性差異明顯，傳統(tǒng)無線通信頻譜選擇和利用受到限制。水下環(huán)境中存在各種干擾和噪聲源，例如聲納信號、船只發(fā)動機聲等，會干擾無線通信信號，進一步降低通信的可靠性和穩(wěn)定性[3]。

同時，水下環(huán)境的特點和通信需求也對水下通信提出了要求。水的高度吸收性導致信號衰減迅速，通信距離受限，而多路徑傳播現(xiàn)象也會增加信號時延和失真，使數(shù)據(jù)傳輸受到影響。水下環(huán)境地形復雜、水流動態(tài)變化，需要水下通信系統(tǒng)具有適應不同環(huán)境條件和任務(wù)需求的能力。另外，水下機器人的能源有限，需要設(shè)計低功耗的通信系統(tǒng)，以延長水下機器人的工作時間，提高其任務(wù)執(zhí)行能力[4]。

2 水下機器人協(xié)同通信的仿生魚行為算法模型

2.1 魚群通信特點和機制

魚群通信是自然界中一種高度復雜且高效的通信形式[5]，深入研究其特點和機制對設(shè)計水下機器人的協(xié)同通信系統(tǒng)具有重要意義。

魚群通常通過視覺、聲音和化學信號等多種方式進行通信。這種多模態(tài)通信使魚群能夠在不同的環(huán)境條件下進行信息交流，增強了通信的靈活性和可靠性。魚群的個體間通過局部交互實現(xiàn)整體的協(xié)同行為。相鄰個體間的簡單交互可以傳遞信息并引導整個群體向共同目標前進，體現(xiàn)了分布式的通信方式。群通信中的決策過程是分布式的，沒有明確的中央指揮者。每個個體根據(jù)周圍環(huán)境和鄰近個體的狀態(tài)做出決策，通過局部交互實現(xiàn)整體的協(xié)同行動。

2.2 仿生魚行為算法

2.2.1 信息傳遞模型

水下機器人通過傳感器感知周圍環(huán)境，包括水質(zhì)、顆粒濃度和光照強度等。根據(jù)環(huán)境感知結(jié)果和任務(wù)需求，機器人可決定傳遞信息的方式，例如電磁信號、聲波信號或光學信號，以傳遞特定的信息。接收到信息的其他機器人會根據(jù)信號類型和內(nèi)容進行相應的行動調(diào)整。

設(shè)每個水下機器人Ri在時間t選擇傳遞信息的概率為pit，其中0≤pit≤1。假設(shè)水下機器人Ri采用電磁信號、聲波信號或光學信號展示3種方式進行信息傳遞，分別用cit、sit和vit表示每種方式的概率，并滿足cit+sit+bit=1。每個水下機器人在時間t選擇發(fā)送信息的概率pit如公式（1）所示。

pit=cit?pici+sit?ptsi+vit?ptvi （1）

式中：pici、ptsi和ptvi分別為水下機器人Ri選擇電磁信號、聲波信號或光學信號的概率，可根據(jù)任務(wù)需求和環(huán)境情況進行調(diào)節(jié)。

2.2.2 領(lǐng)導者跟隨機制

在群體中，某些機器人可能具有更好的感知能力，可被選為領(lǐng)導者。領(lǐng)導者根據(jù)任務(wù)需求和環(huán)境情況做出相應行動，例如改變運動方向、釋放特定信號等。其他機器人跟隨領(lǐng)導者的行動，并調(diào)整自己的行動或者通信方式，以保持整個群體的協(xié)同性。

假設(shè)存在一個領(lǐng)導者水下機器人RL，其他機器人根據(jù)領(lǐng)導者的行動進行調(diào)整。設(shè)水下機器人Ri對領(lǐng)導者的跟隨程度為fit，其中0≤fit≤1，水下機器人Ri在時間t的行動Ait如公式（2）所示。

Ait=fit?ALt+（1-fit）?Ait-1 （2）

式中：ALt為領(lǐng)導者的行動；Ait-1為水下機器人Ri上個時間點的個體行動。

2.2.3 協(xié)同行動策略

水下機器人通過相互作用和信息傳遞實現(xiàn)協(xié)同行動，例如集群聚集、集體搜索等。這種協(xié)同行動策略有助于提高機器人群體的生存能力和適應性。假設(shè)有多個水下機器人組成一個群體，每個機器人的行動受周圍機器人的影響。設(shè)每個水下機器人Ri的行動對周圍機器人的影響程度為wijt，其中0≤wijt≤1。水下機器人Ri在時間t的行動Ait如公式（3）所示。

（3）

式中：N為水下機器人的數(shù)量；Ajt是水下第j個機器人Rj在時間t的行動。

這種協(xié)同行動策略能使機器人群體高效協(xié)同工作，充分利用每個機器人的能力和信息，從而提高整體任務(wù)的完成效率和成功率。在復雜的水下環(huán)境中，通過相互作用和信息傳遞，機器人能夠靈活應對各種挑戰(zhàn)，實現(xiàn)高效的集體行動。

3 算法實現(xiàn)

仿生魚行為算法是一種基于仿生學原理的通信策略，可模擬魚群的集體行為和協(xié)同機制并優(yōu)化水下機器人的通信效率和可靠性。整個算法的流程，從環(huán)境數(shù)據(jù)的獲取到最終通信策略的選擇，形成了一個閉環(huán)決策控制系統(tǒng)。該過程是持續(xù)的，機器人不斷獲取傳感器數(shù)據(jù)，實時更新和優(yōu)化自身的通信策略。

3.1 設(shè)定參數(shù)閾值

在仿生魚行為算法中，需要為水下環(huán)境中的關(guān)鍵參數(shù)設(shè)定閾值。本文將水質(zhì)指數(shù)超過0.6、水流速度超過0.5 m/s和溫度超過25℃作為閾值。

水質(zhì)是水下環(huán)境中一個重要指標，直接影響水下生物的生存和水下機器人的操作。當水質(zhì)指數(shù)超過0.6時，表示水中含有較多污染物質(zhì)，例如懸浮顆粒、有機物等，可能會影響水下機器人的傳感器性能和通信質(zhì)量，需要特殊的通信方式進行傳輸。水流速度是水下環(huán)境中的一項重要參數(shù)，會影響水下機器人的運動軌跡和姿態(tài)穩(wěn)定性。當水流速度超過0.5 m/s時，可能會對水下機器人的移動和操作產(chǎn)生較大影響，需要使用聲波信號等適用于流速較大情況的通信方式。水下環(huán)境中的溫度變化對水下機器人的電子設(shè)備和機械結(jié)構(gòu)均有一定影響。當水下溫度超過25℃時，可能會導致水下機器人散熱困難，影響其性能和穩(wěn)定性，需要采取相應的措施，以保證通信的可靠性。

3.2 通信方式判斷

水下機器人通過傳感器持續(xù)獲取環(huán)境數(shù)據(jù)，包括水質(zhì)、水流速度和溫度等。這些數(shù)據(jù)被實時采集并傳輸至算法模塊進行處理。

仿生魚行為算法根據(jù)水下機器人感知的環(huán)境信息和任務(wù)需求動態(tài)確定通信方式，包括感知和評估水質(zhì)、顆粒濃度和光照強度等因素。根據(jù)感知結(jié)果，機器人采用電磁信號、聲波信號或光學信號進行信息傳遞，以對特定信息進行最優(yōu)化傳遞。根據(jù)傳感器數(shù)據(jù)和已知條件，計算每種通信方式的選擇概率。根據(jù)給定的模型，可以使用公式（1）進行計算。根據(jù)計算出的各通信方式的選擇概率，以一定的概率分布選擇通信方式。可以使用隨機選擇方法，也可根據(jù)設(shè)定的閾值進行選擇。關(guān)鍵代碼如下所示。

# 獲取傳感器數(shù)據(jù)

def get_sensor_data（）：

water_quality = # 獲取水質(zhì)數(shù)據(jù)

particle_concentration = # 獲取顆粒濃度數(shù)據(jù)

light_intensity = # 獲取光照強度數(shù)據(jù)

return water_quality， particle_concentration， light_intensity

# 計算通信方式的選擇概率

def calculate_communication_probabilities（water_quality， particle_concentration， light_intensity）：

# 根據(jù)傳感器數(shù)據(jù)計算選擇概率，這里為隨機生成概率

electromagnetic_probability = random.uniform（0， 1）

acoustic_probability = random.uniform（0， 1）

optical_probability = random.uniform（0， 1）

return electromagnetic_probability， acoustic_probability， optical_probability

# 根據(jù)概率選擇通信方式

def choose_communication_method（electromagnetic_probability， acoustic_probability， optical_probability）：

communication_methods = ['electromagnetic'， 'acoustic'， 'optical']

probabilities = [electromagnetic_probability， acoustic_probability， optical_probability]

chosen_method = random.choices（communication_methods， weights=probabilities）[0]

return chosen_method

# 主控制模塊，執(zhí)行通信傳遞方式選擇的過程

def communication_module（）：

water_quality， particle_concentration， light_intensity = get_sensor_data（）

electromagnetic_probability， acoustic_probability， optical_probability = calculate_communication_probabilities（water_quality， particle_concentration， light_intensity）

chosen_method = choose_communication_method（electromagnetic_probability， acoustic_probability， optical_probability）

return chosen_method

上述代碼模擬了水下機器人在獲取傳感器數(shù)據(jù)后，根據(jù)環(huán)境條件動態(tài)選擇通信方式的過程。首先，通過get_sensor_data函數(shù)獲取水下環(huán)境的水質(zhì)、顆粒濃度和光照強度等傳感器數(shù)據(jù)。其次，利用calculate_communication_probabilities函數(shù)并根據(jù)傳感器數(shù)據(jù)計算出電磁信號、聲波信號和光學信號的選擇概率。再次，利用choose_communication_method函數(shù)并根據(jù)概率選擇最優(yōu)通信方式。最后，在主控制模塊communication_module中，整合數(shù)據(jù)獲取、概率計算和通信方式選擇的過程，并輸出最終選擇的通信方式。整個過程模擬了水下機器人根據(jù)實時環(huán)境信息自適應選擇通信方式的機制。

3.3 跟隨模式

在通信方式選擇中，公式（2）可以用來調(diào)整非領(lǐng)導者水下機器人的通信方式，以使其與領(lǐng)導者保持協(xié)同性。具體來說，非領(lǐng)導者水下機器人可以根據(jù)領(lǐng)導者的行動調(diào)整自己的通信方式，以更好地與領(lǐng)導者保持聯(lián)系或者跟隨領(lǐng)導者的運動方向。如果領(lǐng)導者采用了某種特定的通信方式，其他水下機器人可以相應地調(diào)整自己的通信方式，以便更好地與領(lǐng)導者進行溝通和協(xié)作。

在代碼編程實現(xiàn)過程中，建立leader_communication函數(shù)，模擬領(lǐng)導者水下機器人的通信方式選擇，隨機從電磁信號、聲波信號和光學信號中選擇一種通信方式。再在adjust_communication_based_on_leader函數(shù)中，根據(jù)領(lǐng)導者的通信方式和設(shè)定的跟隨程度，決定非領(lǐng)導者水下機器人是否跟隨領(lǐng)導者的通信方式。如果生成的隨機概率小于跟隨程度，非領(lǐng)導者就會跟隨領(lǐng)導者的通信方式；反之則保持上一個時間點的通信方式。最后利用test_leader_follow_mechanism函數(shù)進行測試，模擬領(lǐng)導者的通信方式和根據(jù)領(lǐng)導者調(diào)整的非領(lǐng)導者的通信方式，以驗證跟隨模式的實現(xiàn)效果。

4 試驗和分析

本文在一個25 m×10 m的泳池中進行試驗。通過調(diào)整光照、溫度和水流等參數(shù)，可以模擬出不同的水下環(huán)境。試驗準備了8個水下機器人，每個水下機器人配備3種不同的通信方式，即電磁信號、發(fā)光信號和超聲波信號。每種通信設(shè)定的參數(shù)見表1。

選擇一個固定長度的信息格式來傳輸。采用長度為20字節(jié)的信息格式，其中包括位置坐標8字節(jié)、水質(zhì)參數(shù)4字節(jié)、溫度4字節(jié)和水流速度4字節(jié)。每個水下機器人進行通信時都會發(fā)送一個長度為20字節(jié)的信息包。這種固定長度的信息格式有助于簡化通信協(xié)議，降低通信時的數(shù)據(jù)處理復雜度，并提高通信的效率和可靠性。

為了驗證仿生魚群行為算法，本文分2組進行對比試驗，即單獨通信方式組和仿生魚群行為算法組。在單獨通信方式組中，每個機器人將單獨選擇一種通信方式進行通信。而在仿生魚群行為算法組中，機器人將根據(jù)仿生魚行為算法自主選擇通信方式。具體的對比試驗數(shù)據(jù)見表2。

表2數(shù)據(jù)顯示，在仿生魚群行為算法組中，信息傳播延遲僅為2.1 s，而傳輸準確性為95%。單獨通信方式組中的傳播延遲分別為3.5 s（電磁信號）、4.2 s（發(fā)光信號）和2.8 s（超聲波信號），傳輸準確性分別為85%、78%和90%。這些數(shù)據(jù)表明，采用仿生魚群行為算法的通信方式在水下機器人通信中的性能表現(xiàn)更好。仿生魚群行為算法模仿了自然界中魚群的行為模式，使水下機器人能夠更智能地選擇通信方式，以適應不同的環(huán)境條件和任務(wù)需求。這種自適應性和智能性使通信過程更高效、可靠，從而能夠更快速、準確地完成信息傳輸任務(wù)。因此，仿生魚群行為算法在水下機器人通信中具有明顯優(yōu)勢，為水下通信技術(shù)的發(fā)展提供了一種新的思路和方法。

5 結(jié)論

本文對水下機器人通信中仿生魚行為算法進行了探索和驗證，仿生魚行為算法能夠有效提高水下機器人間的通信效率和可靠性。與單獨采用一種通信方式相比，仿生魚行為算法能夠根據(jù)環(huán)境變化和任務(wù)需求自主選擇最合適的通信方式，從而更好地適應復雜的水下環(huán)境。本文研究為水下機器人的協(xié)同通信提供了新的思路和方法，具有重要的理論和實際意義。

參考文獻

[1]葉澤.多關(guān)節(jié)仿生機器魚群集智能控制研究[D].吉林：吉林化工學院，2023.

[2]張開升，劉浩田，王強，等.仿生鮪科機器魚的多機體協(xié)同推進效率優(yōu)化[J].華南理工大學學報（自然科學版），2018，46（7）：109-115，122.

[3]崔秀芳，李培培，石福孝，等.基于BDS的水質(zhì)檢測仿生魚控制系統(tǒng)設(shè)計[J].全球定位系統(tǒng)，2020，45（5）：72-76.

[4]李舒曼.基于數(shù)值模擬的群體仿生魚環(huán)境感知與編隊行為研究[D].長沙：國防科技大學，2022.

[5]周夢園，吳君欽，夏樂，等.智能仿生魚系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)[J].計算機工程與設(shè)計，2022，43（5）：1467-1476.