水下機器人集群通信系統(tǒng)設(shè)計及實驗分析

　　摘要：針對水下機器人集群通信平臺在實際運用中，存在多普勒效應(yīng)、易受水質(zhì)和障礙物等影響產(chǎn)生誤碼的問題，提出一種基于弱電魚感知機理的水下仿生電場通信系統(tǒng)。該系統(tǒng)根據(jù)仿生電流場通信原理，通過兩對發(fā)射接收電極傳遞信號，設(shè)計了一套基于幅移鍵控原理的現(xiàn)場可編程門陣列(FPGA)數(shù)模混合電路。首先，為實現(xiàn)平臺低功耗及小型化，模擬電路通過合理選型并進行畫板制版，具體的發(fā)射電路包含幅移鍵控調(diào)制電路以及半橋驅(qū)動放大電路，采用低零漂高精度儀表運放提取接受電極兩端電勢差;其次，為了提高水下機器人集群通信距離實時變化時通信系統(tǒng)的穩(wěn)定性，通過FPGA增益控制數(shù)字電路控制可編程放大器實現(xiàn)自適應(yīng)倍數(shù)放大;然后，采用FPGA模數(shù)轉(zhuǎn)換數(shù)字驅(qū)動電路驅(qū)動模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片將模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號;最后，通過整流濾波數(shù)字電路整流后設(shè)計幅移鍵控非相干解調(diào)數(shù)字電路輸出二進制數(shù)據(jù)流后由串口電路傳輸至樹莓派中進行數(shù)據(jù)處理。仿真分析了不同尺寸不同形狀障礙物對水下電場通信影響，并進行水下通信實驗，結(jié)果表明：在淡水中電導(dǎo)率為487μS/cm條件下，所提出的水下電場通信系統(tǒng)可實現(xiàn)通信距離為2.4m時誤碼率為0%，且水下電場通信收發(fā)電極平行時，通信性能最佳。

　　關(guān)鍵詞：水下機器人;水下通信;數(shù)字通信系統(tǒng);現(xiàn)場可編程門陣列

　　近年來，海洋機器人集群成為新型海洋裝備的發(fā)展趨勢與新型作戰(zhàn)模式[1]，并在海洋資源探測、海上救援以及水下考古等方面有著巨大應(yīng)用前景[2]。推動水下機器人集群協(xié)同作業(yè)的關(guān)鍵技術(shù)主要在于解決水下機器人集群節(jié)點間快速穩(wěn)定通信技術(shù)難題。對比于傳統(tǒng)的陸地上的集群通信方式[3-4]，水下通信條件更加嚴苛，陸地上的無線電磁波等無線通信方式在水下衰減較為嚴重，故無線電磁波水下基本不可能實現(xiàn)。

　　目前，水下無線通信方式主要分為，水下聲場通信，水下光通信以及水下電場通信[5-6]。其中，水下聲通信是利用聲波在水里傳播實現(xiàn)通信[7-8]。但還存在著傳輸速率低、帶競有限;容易受水質(zhì)、水溫、水壓和水下噪聲的影響形成多路徑干擾信號和盲區(qū)等缺陷;水下光通信包括水下可見光通信、水下不可見光通信，以往研究表明由于這種技術(shù)受水下環(huán)境干擾嚴重，使得水下光通信技術(shù)在一定程度上受到制約[9-10]。

　　近年來多個國內(nèi)外團隊利用電場本身所具有的高效通信能力，開始研究將水下仿生電場探測系統(tǒng)應(yīng)用于水下多節(jié)點通信之中。1971年，Schultz在發(fā)表的文章中詳細介紹了水下電場通信的基本原理，并且將水下電場通信原理應(yīng)用于潛水員，制作了一個水下通信裝置[11];2007年，來自新加坡信息通訊研究所的Joe等人采用水下電場原理進行了水下近場數(shù)字通信設(shè)備的研究，提出一種新型的電極板布局結(jié)構(gòu)，能夠最大化提高水下電場通信的通信距離。

　　2009年，海軍工程大學(xué)譚濤等人基于FSK調(diào)制解調(diào)方案，采用AT89S52等芯片進行了潛水員水下近距離電場通信電路的研制，初步設(shè)計實現(xiàn)了一種近距離水下語音傳輸電路[13]。2010年，西北工業(yè)大學(xué)李斌等人在理論分析的基礎(chǔ)上，設(shè)計了一套基于數(shù)字信號處理器(DSP)的水下電場通信系統(tǒng)，實現(xiàn)了1m以內(nèi)水下電場通信[14];近年來，北京大學(xué)謝廣明課題組設(shè)計實現(xiàn)了一款水下電場通信系統(tǒng)，并將該系統(tǒng)搭載于小型仿箱鲀機器魚上，通過水下實驗研究了影響水下電場通信因素，無誤碼條件下接收電極間距為1.5m時，通信距離可達到2.3m[15-19]。

　　哈爾濱工程大學(xué)薛偉課題組設(shè)計了一套基于電場通信技術(shù)的水下數(shù)字信號傳輸系統(tǒng)，可以在海洋環(huán)境中實現(xiàn)，通信頻率為31Hz的水下通信，當(dāng)發(fā)射功率20W功率時，實現(xiàn)約30m遠距離語音通信[20-21]。根據(jù)上述國內(nèi)外研究可以發(fā)現(xiàn)，目前水下電場通信已經(jīng)實現(xiàn)了中遠距離的通信，大多數(shù)水下電流場通信設(shè)備尺寸較為龐大、功耗較大、大都為超低頻通信并且不能動態(tài)適應(yīng)通信距離、實時調(diào)整系統(tǒng)的通信距離。

　　而水下機器人集群通信系統(tǒng)，由于群集要求，對通信設(shè)備尺寸以及功耗有所要求，并且需要根據(jù)距離不同實時調(diào)整通信系統(tǒng)的放大倍數(shù)、自適應(yīng)調(diào)整通信距離。故本文將開展一種低功耗、輕量型的水下電場通信系統(tǒng)的設(shè)計與研制，為實現(xiàn)水下機器人智能集群協(xié)同作業(yè)奠定基礎(chǔ)。

　　1水下電流場通信的可行性分析

　　1.1基于電偶極子的水下電場通信原理

　　在自然界中，Gymnotid和Mormyrid這兩種魚類具備電感知能力，它們依靠這種能力進行信息的交流以及目標(biāo)的定位探測，這種魚類被稱為弱電魚[22-23]。其中對于信息的交流，弱電魚通過自身的電器官放電(EOD)產(chǎn)生具有特定頻率與波形的電信號，而另一弱電魚可通過自身的電感受器官接收電信號，并通過神經(jīng)系統(tǒng)進行識別該信號特征，這一過程稱為電場通信[24]。

　　與其他傳統(tǒng)水下通信方式相比，盡管電場通信距離較近，但電場通信穩(wěn)定性更高，不易受環(huán)境干擾。據(jù)目前學(xué)者對弱電魚智能感知的機理研究，人們發(fā)現(xiàn)了基于電偶極子的水下電場通信模型。

　　水下電場通信是基于水下信道通過電流或者電場進行信號的傳輸。究其本質(zhì)其實是一種電磁波傳輸。眾所周知，電磁波在傳輸過程中，會產(chǎn)生傳導(dǎo)電流與位移電流。而要實現(xiàn)水下電場通信，則需減小或者消除位移電流的影響，據(jù)目前國內(nèi)外研究可知，當(dāng)電磁波的頻率較低時，傳導(dǎo)電流占主要成分，位移電流可以忽略不計，這樣的電流場可稱為準(zhǔn)靜態(tài)電場。由于分析交變電偶極子的性能仍然過于復(fù)雜，需要進一步簡化分析，限制系統(tǒng)工作在近場區(qū)域。據(jù)學(xué)者研究，如果工作區(qū)域半徑R滿足以下不等式，則近場假設(shè)成立[25]。

　　1.2水下電流場通信原理

　　與模擬通信相比，數(shù)字通信具有較高的抗噪聲能力，易于集成到微控制器中。因此，本論文采用數(shù)字通信方法對水下群集機器人進行電流場通信。通常，要使數(shù)字信號在有限帶寬的信道中傳輸，就必須用數(shù)字信號對載波進行調(diào)制與解調(diào)。目前，使用較為廣泛的調(diào)制方法主要為二進制幅移鍵控(2ASK)、二進制頻移鍵控(2FSK)以及二進制相移鍵控(2PSK)。

　　本論文設(shè)計的電場通信頻率為12kHz，在對通信速率要求并不很高的情況下，主要考慮的還是技術(shù)的可實現(xiàn)性問題，所以選用一種技術(shù)實現(xiàn)相對簡單的調(diào)制方式，決定選用2ASK調(diào)制方式。在2ASK調(diào)制中，載波的幅度只有兩種變化狀態(tài)，即利用數(shù)字信息0或1的基帶矩形脈沖去鍵控一個連續(xù)的載波，使載波時斷時續(xù)輸出。有載波輸出時表示發(fā)送1，無載波輸出時表示發(fā)送0。振幅鍵控信號的解調(diào)主要有包絡(luò)檢波法和同步檢測法兩種方法，后者又被稱為相干解調(diào)法。在大信噪比條件下，為了得到給定的誤碼率，相干解調(diào)法所要求的信噪比與包絡(luò)檢波法相近。

　　換句話說，在大信噪比條件下，這兩種檢測方法的抗噪聲性能相差并不多。但包絡(luò)解調(diào)工程實踐起來較為簡便，故本研究內(nèi)容采用包絡(luò)解調(diào)。包絡(luò)解調(diào)主要由整流、低通濾波器、判決輸出以及位定時脈沖模塊組成，其中低通濾波器主要起包絡(luò)作用，通過位定時脈沖進行碼元同步進而判決輸出。

　　2電流場通信系統(tǒng)設(shè)計

　　為了實現(xiàn)小型化、可集成化、低功耗水下電場通信系統(tǒng)，設(shè)計一款模數(shù)融合的電流場通信系統(tǒng)。首先，單片機UART輸出一路基帶信號和一路PWM載波信號，通過ASK調(diào)制、功率放大電路將信號輸入至水中的一對發(fā)射電極，信號在水下信道中通過電流場進行傳播。集群機器人2通過一對接收電極接收信號，并通過差分放大、模數(shù)轉(zhuǎn)換電路輸入至FPGA芯片中進行數(shù)字整型濾波、解調(diào)、以及放大電路的自動增益控制，并由UART輸出至樹莓派中進行處理。

　　2.1電流場通信系統(tǒng)底板電路設(shè)計

　　為了實現(xiàn)水下機器人集群通信，進行了水下電場通信模擬電路的設(shè)計。首先，發(fā)射電路主要由基帶信號載波信號發(fā)生電路、2ASK調(diào)制電路以及信號放大電路組成。其中，載波信號與基帶信號由MCU產(chǎn)生，基于上一節(jié)理論推導(dǎo)可知，為滿足近場通信條件，載波頻率為12kHz，為了實現(xiàn)信號的調(diào)制，基帶信號采用串口600波特率傳輸速率。

　　2.2電流場通信系統(tǒng)數(shù)字邏輯電路設(shè)計

　　為了實現(xiàn)水下電場通信，關(guān)鍵在于信號的調(diào)制解調(diào)，本文采用2AKS數(shù)字解調(diào)方法。數(shù)字邏輯電路主要包括時鐘分頻模塊(ip_pll)、模數(shù)轉(zhuǎn)換驅(qū)動(ads8411)、整流濾波(commutator)、2ASK解調(diào)(AskDemod)、PGA增益控制(PGA_CONTRL)以及串口傳輸(uart_top)數(shù)字電路。

　　其中，模數(shù)轉(zhuǎn)換驅(qū)動電路將模擬電路中接收到的調(diào)制信號AD_Db[15:0]轉(zhuǎn)換為數(shù)字量Ad_DATA[15:0]，之后PGA增益控制(PGA_CONTRL)模塊通過提取ADS8411模數(shù)轉(zhuǎn)換波形電壓值，而后采用一系列數(shù)字比較器進行電壓比較分類，進而根據(jù)不同電壓值控制PGA_A0、PGA_A1、PGA_A2和PGA_A3輸出電平對PGA進行倍數(shù)控制，使得最終接收到的電信號幅值達到數(shù)字電路可解碼范圍，以實現(xiàn)對水下電場通信的微弱信號進行自適應(yīng)放大控制。

　　FPGA數(shù)字電路的電壓區(qū)間與自適應(yīng)控制倍數(shù)。其中 數(shù)字調(diào)制信號通過commutator對帶有噪音的調(diào)制信號進行歸一化處理得到commutator_out[7:0]。

　　由上一節(jié)可知本文采用包絡(luò)解調(diào)算法對調(diào)制信號進行解調(diào)。非相干解調(diào)數(shù)字電路AskDemod如圖10所示，主要由低通濾波器模塊(ip_fir)、符號判決門限模塊(Gate)和鎖相環(huán)位同步模塊(BitSync)組成。低通濾波器對調(diào)制信號進行包絡(luò)處理，得到基帶信號fir_data[13:0]。接著為了最大可能無差錯地在接收端還原出原始數(shù)據(jù)還需要對其進行符號定時及判決輸出，其中符號判決門限模塊基于256個采樣周期的基帶信號fir_data[13:0]求均值獲得最佳的判決門限mean[13:0]。

　　通過比較基帶信號與門限關(guān)系得到判決輸出信號cmpout;鎖相環(huán)位同步模塊需要產(chǎn)生與輸入數(shù)據(jù)頻率一致的位同步時鐘信號Sync，保證每一位數(shù)據(jù)判決一次，同時需要選擇信噪比最大的時刻對基帶波形進行判決，以提高判決的正確性，輸出基帶二進制碼流dataout。最后由uart_top串口傳輸電路的UART_TX端口輸出至樹莓派中。整個數(shù)字電路采用50MH系統(tǒng)時鐘sys_clk，由分頻電路產(chǎn)生clk1用于數(shù)字電路主要采樣頻率50kHz，clk2解調(diào)電路位同步驅(qū)動時鐘200kHz。

　　3實驗驗證及分析

　　3.1水下電場通信仿真建模分析

　　目前國內(nèi)外的水下電流場模型都是基于電流進行建模，而目前大多數(shù)水下電場通信設(shè)備都是基于電壓的形式進行傳播，受水質(zhì)及電極間距影響，發(fā)射電極之間的電流是不定的。本文基于電壓對水下電場通信進行仿真建模分析。

　　為了分析障礙物類型對水下電場通信影響，本文分別開展了不同尺寸的正方體和球型障礙物環(huán)境下，測量距發(fā)射電極5m處電場強度變化，其中尺寸分別代表正方體邊長以及球型障礙物的直徑。通過表可以看出，隨著障礙物尺寸的增加，測點的電場強度在不斷下降，并且通過球型障礙物后的電場強度比正方體的要高。

　　本實驗主要評估不同的PGA放大倍數(shù)對水下電場通信誤碼率的影響，由于受本水池長度的影響，完成了2.5m之內(nèi)的通信試驗，設(shè)置最大放大倍數(shù)為40倍。在同一PGA放大倍數(shù)條件下，隨著距離的升高，水下電場通信信號衰減增大，接收極板感應(yīng)到的電動勢減小，水下電場通信誤碼率在某一距離下從0%突變至100%，本文設(shè)計的水下電場通信采用了commutator整流濾波模塊，低于所設(shè)閾值輸出為零，因此當(dāng)接收電路接收電壓低于閾值時，將不會被解碼，因此到達一定距離后，誤碼率急劇上升。

　　這一臨界值隨著PGA放大倍數(shù)的增大而增大，這是由于PGA倍數(shù)越大電路識別微弱信號的靈敏度越高。 其次，由于水下機器人集群通信時，各個個體之間并不是嚴格平行的，發(fā)射接收電極之間的角度對水下電場通信影響較大，故本文開展了如下實驗，該實驗裝置和水下電場通信距離實驗一樣，實驗條件為，通信距離1.5m，本實驗研究當(dāng)接收電極固定，發(fā)射電極改變不同角度對通信性能的影響，定義虛線為發(fā)射電極與接收電極中線成0°位置，依次將發(fā)射電極逆時針旋轉(zhuǎn)每隔5°做一組實驗，測通信誤碼率。

　　當(dāng)夾角為0°~10°、155°~180°時，通信誤碼率為100%，15°為7.88%、20°為0.46%、140°為0.25%、145°為0.72%、150°為1.1%，其他角度誤碼率為0%，由試驗結(jié)果可知，當(dāng)接發(fā)電極平行時(90°)通信效率最高。相互垂直時(0°、180°)誤碼率達到100%。

　　根據(jù)電場通信理論可知，感應(yīng)電動勢為一對發(fā)射電極產(chǎn)生的電場在一對接收電極處產(chǎn)生電勢差，當(dāng)兩對電極平行時，所產(chǎn)生的電勢差為最大值;當(dāng)兩對電極垂直時，所產(chǎn)生的電勢差最小。接收極板與發(fā)射極板由平行(夾角90°)趨于垂直(夾角0°、180°)過程中，接收極板兩電極之間的電勢差逐漸減小，直至夾角20°、150°時，此時電動勢為電路可識別最微弱電壓，故當(dāng)夾角為20°~150°時，誤碼率基本維持在零點，不會產(chǎn)生誤碼。該結(jié)果與理論分析基本一致。

　　4結(jié)論

　　本文主要圍繞解決水下機器人集群通信系統(tǒng)大型化、高功耗、通信距離受限等問題，開展了如何建立水下電偶極子通信模型、如何更好地實現(xiàn)水下電場通信調(diào)制解調(diào)進行了研究，設(shè)計了一套基于水下電流場理論的低功耗數(shù)�；旌霞�群通信系統(tǒng)，并開展了水下電場通信系統(tǒng)小型化制版實現(xiàn)。

　　為了驗證該系統(tǒng)的通信性能和可行性，本文開展了水下電場通信極限距離的測定實驗，得出在2.4m內(nèi)本文水下電場通信系統(tǒng)的可行性且誤碼率為零的結(jié)論，驗證了收發(fā)電極之間的通信角度對水下電場通信性能的影響，當(dāng)發(fā)射極板與接收極板中垂線夾角為0°~10°、155°~180°時，通信誤碼率為100%，15°為7.88%、20°為0.46%、140°為0.25%、145°為0.72%、150°為1.1%，其他角度誤碼率為0%。論證了水下電場通信理論接發(fā)電極角度對通信性能的影響，兩極板平行時通信性能最佳，兩極板垂直時誤碼率100%。

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　　作者：續(xù)丹1,2,3，余雷1，胡橋1,2,3,馮興龍1,陸濤1

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