基于水声通信的水下机器人协作技术研究

方雁峰

(绍兴文理学院元培学院，浙江 绍兴312000)

0 引 言

随着世界人口的不断增长以及经济全球化的快速发展，使得资源紧缺的问题日益严峻。为了解决资源匮乏，世界各国越来越重视海洋资源的开发与利用，近年来，随着计算机技术的迅猛发展，水下机器人技术［1］成为目前最受关注的热点研究内容，并取得长足发展，得到了广泛应用。本文以水下机器人协作作为应用背景，分别对水声通信技术和水下机器人协作方法进行研究，由于水下信号环境复杂，噪声及干扰诸多，因此，稳定、快速、准确的通信手段对于水下机器人至关重要。本文给出水下机器人的整体设计方案，重点介绍其通信模块使用的技术，即水声通信中的OFDM 技术。

1 水声通信

水声通信技术是一种在水下发射和接收信息的技术，其发射端的主要工作过程:首先运用数字化处理技术将声音、图像、文字等待发送的信息转变为电信号，再利用转能装置将电信号转化为声信号，然后以水作为媒介将声信号传递出去。接收端的处理过程是发射端的逆过程，即先将声信号转化为电信号，再将电信号转化为声音、图像、文字等信息。水声通信系统的整体结构如图1 所示。

图1 系统方框图Fig.1 System block diagram

由于海洋中有海面与海底2 个面，加之噪声干扰多、介质分布不均匀、容易受到温度、盐度等因素影响，使得水声信道环境非常复杂［2］。水声信道的主要特点如表1 所示。

表1 特点总结Tab.1 Features summary

水声信道的调制方法主要包括非相干通信和相干通信两类。两类方法的分析对比情况如表2 所示。

表2 对比情况Tab.2 Comparison sheet

2 水下机器人

2.1 水下机器人

本文给出的机器人整体设计方案如图2 所示。系统各个组成部分及作用描述如表3 所示。

图2 设计方案Fig.2 Design program

表3 特点总结Tab.3 Features summary

目前较为常用水下机器人的协作方法包括基于行为的智能控制方法［3］和基于市场拍卖模型的任务分配方法［4］。本文重点研究水下机器人的通信方法。

2.2 水声通信中OFDM 的应用

本文，通信技术采用水声通信中的OFDM 技术［5］，采用OFDM 的主要思想是将频域信道划分为多个正交的子信道，然后对每个子信道进行载波调制，并行传输。该技术能够有效利用频带，有效抑制符号间干扰。

设OFDM 的输出信号为:

那么加入循环前缀后，其码元的时域可以表示为:

其中Tg为间隔保护。

而OFDM 的时域完整信号为:

式中:d(m，n)为第m 个符号、第n 个子载波的调制数据;g(t)为符号的脉冲波形，为:

信号在接收器端表示为:

式中:h(τ，t)为脉冲响应;n(t)为高斯白噪声。

对上式进行傅里叶变换后得到:

假设:

式中:h0为主信道中信号复包络;hm为第m 子信道中信号复包络;τm为第m 子信道的时延。

假设τm≤T′，那么τm分为:

0 ≤τm≤Tg，(m = 1，…，M1)，

Tg≤τm≤T + T，(m = M1+1，…，M1+ M2)。

式中，M1≤传输的路径数目;M2＞传输的路径数目，可以得到:

在本文中，采用PASM 信道估计方法，其过程为:

1)导频插入方式，本文方法采用块状导频法。

2)导频信道估计，

设发射信号为:x(n);

信道脉冲响应为:h(n);

高斯白噪声为:w(n)，那么接收器端接收的信号可表示为:

y(n)=x(n)⊗h(n)+ w(n)，

对y(n)进行FFT 调制可得:

Y(k)=FFT{r(n)}= H(k)X(k)+ W(k)，

式中H(k)、X(k)和W(k)分别为h(n)、x(n)、w(n)的频率域表示。将上式改写为:

Y=XFh + W，

其中，

3)内道估计

设信道响应为H(k，l)，导频处信道的响应为Hp(k，l)，那么两者之间的关系为:

时间方向的内插公式为:

式中:0 ≤n ≤ΔT-1，mΔT≤l ≤(m +1)ΔT，ΔT为插入的时间间隔。

同理，频率方向的内插公式为:

其中，0 ≤q ≤Δp-1，pΔp≤k ≤(p +1)Δp，Δp代表插入的频率间隔。

在二维导频情况下，采用的方法为:

根据上述方法进行仿真实验，相关实验数据如表4 所示。

3 结 语

本文对水下机器人协作技术进行研究，重点研究了水声通信在水下机器人中的应用，给出了水下机器人的整体设计方案，详细介绍了基于OFDM 技术的水下通信方法，根据仿真实验结果，本文提出的通信方法具有较低的误码率及较高的通信速率。

［1］徐玉如，苏玉民．关于发展智能水下机器人技术的思考［J］．舰船科学技术，2008，30(4):17 －21．XU Yu-ru，SU Yu-min．Think on the development in autonomous underwater vehicles［J］．Ship Science and Technology，2008，30(4):17 －21．

［2］田甜，张亮，曾岩艳．基于基于DS－DPSK 的水声扩频通信系统仿真［J］．舰船科学技术，2009，31(10):120－122．TIAN Tian，ZHANG Liang，ZENG Yan-yan．The simulation of hydroacoustic spread spectrum communication system based on DS － DPSK［J］．Ship Science and Technology，2009，31(10):120 －122．

［3］BROOKS R．A robust layered control system for a mobile robot［J］．IEEE Journal of Roboties and Automation，1986，2(1):14 －23．

［4］黎萍，杨宜民．多机器人系统任务分配的研究进展［J］．计算机工程与应用，2008，44(17):201 －206．LI Ping，YANG Yi-min．Progress of task allocation in multirobot systems［J］．Computer Engineering and Applications，2008，44(17):201 －206．

［5］李引新，赵姚同．正交频分复用(OFDM)的实现方式及性能分析［J］．电讯技术，1998，38(6):10 －15．