水下机器人通信与控制技术研究

杨 薇

(广州工程技术职业学院，广东 广州510075)

0 引 言

我国拥有丰富的海洋资源，海洋空间广阔，随着人口的增长和科技的进步，人类越来越意识到开采和利用海洋的必要性。通过水下机器人进行海底世界的探索成为世界各国争相研究的热点。水下机器人在进行水下任务时，采集到的数据需要通过水声通信传递给PC 机进行分析，水声通信具有传输速率快、误码率低的特点，并且能根据带宽自适应数据的密度。

本文通过调研水下机器人的发展历程，提出了带有履带机器人的系统设计方案，并对其车载模块进行设计及算法控制。然后通过对脉冲调制、差分脉冲调制进行对比，提出利用改进的DPPM 进行水下通信，最后通过实验说明此种方法提高了数据的传输速率，以白噪声进行实验仿真，说明当信号因为延迟为叠加时，系统抗干扰能力会先变强，然后随着叠加数据的增多，抗干扰性减弱。

1 水下机器人系统

本文主要研究带有履带机器人的电气系统组成。此系统主要包括PC 机和控制台形成的上位机对下位机发布指令，下位机在接到指令后直接控制小车的运行，用户通过鼠标、体感设备等给控制台发布指令，同时控制台将此指令传递给车载系统。用户可以从电脑显示器对采集得到的数据进行保存、展示以及回播等。系统组成如图1所示。

图1 系统组成图Fig.1 System components diagram

2 系统电机和PID 控制理论

1)电机控制

直流电机的转速可以表示为:

式中:U 为电压;I 为电流;R 为电阻;KΦ 为常量，表示速度。

电机线圈组两端的电压均值为:

式中:α 为占空比;Us为电压最大值。

针对图1 中的车载组成，给出电机、云台电机的参数值，如表1 所示。

表1 电机各个参数值Tab.1 Parameters value of motor

可知:半径21 mm 的运动主动轮，编码器得到的脉冲数是34 ×520 =17 680，能够前进的距离为2×π×21 =42π mm。

前进的速度为:

实际的前进速度为:

式中:N 为脉冲个数;t 为脉冲输出间隔。

云台齿轮转动360°可以得到691 × 30 × 5 个脉冲。

接受的控制台命令后云台转速Vpms:

实际的前进速度为:

2)PID 控制

PID 控制的图示如图2 所示［1－2］。初值与实际输出之间的误差为e(t)，PID 控制的输入为e(t)，输出为u(t)。

图2 PID 控制图Fig.2 PID control charts

在采样过程中，T 为周期;k 为采样次数，则式(9)可表示为:

分别用积分、微分、离散等运算表示上式时，可以表示为:

PID 控制的程度由因子Kp决定，Kp越大，说明控制的程度越强，但是当此值超过阈值时系统会产生震荡，影响系统的稳定。积分运算的输入是e(t)的累计值，作用是消除静态误差，但是影响了系统的反应速度，微分运算好处是能够使偏差的变动得以控制，同时增大KD能够使积分损失掉的响应重新找回，同时使系统处于稳定状态。

3 采用改进的DPPM 进行水下通信

随着互联网的普及和4G 网络的发展，水下通信对于海洋资源的开发越来越重要。水下通信［3］往往受到频率多变、干扰过多、噪声强的影响，水下通信的方式、信号处理等都逐步发展，从模拟信号发展到数字信号，通信方式由非相干转变为相干。本文采用脉冲调制的方式进行水下通信。

在数据发送端L 位的连续二进制数据与脉冲调制的m 个时隙相对应，如图3 所示。

图3 脉冲调制数据结构Fig.3 Pulse modulation data structure

由m 个时隙组成一个脉冲单元，宽度为T/m。脉冲的位置与L 位二进制中的数对应。

若一个脉冲单元含有m 个时隙，则一帧传输log2m 位数据，q × t 为每帧的静息间隔，可得传输速率为:

平均功率P 与功率最大值PM的关系为:

脉冲调制方式和正弦波调制方式相比，功率降低，但是抗干扰能力强。

针对脉冲调制功率低的问题，采用差分脉冲进行改进，脉冲数据组成如图4 所示。

图4 差分脉冲调制数据结构Fig.4 Differential pulse modulation data structure

若从1 开始到m 数据出现概率相同，q × t 为每帧的静息间隔，可得传输速率为:

虽说速率提高，可是固定的时隙，所需要传递的数据越大，需要的时长就越大，此时传输速率又会降下来，为此，可以采用时隙不同的差分脉冲信号来提高传输速率。数据单元中第1 个时隙还是t长度，以后每个时隙都减少t′，t′≤t，这样就克服了差分脉冲传输大数据时速率下降的问题。t′的取值取决于接收点的最小时间片段，在k= t′/t 时传输速率为:

通信时，发送信息与接受信息的时间参考点必须保持一致，这样才能不会造成系统的紊乱。通常采用以下3 种方式进行控制同步性［4］:

1)统一的时间体系;

2)同步信号独立性;

3)提取信号自身的定是信息。

本文采用时频分相结合的方式，利用宽度远远大于脉冲宽度的方波作为同步序列，通过阈值和频率来判断是同步帧还是数据帧。

根据文献［5］提出的最大似然值同步检测方法，即将上节的信号进行采样且缓存，从而确定同步信号的起始位置，如图5 所示。

图5 原理图Fig.5 Schematic

4 实验结果

本文通过采用改进的DPPM 进行水下通信，取第1 个时间间隔为1 ms，自此以后每个间隔为其1/10。m=16，q ×t=5ms，k=1/10 则带入式(15)可知v=592.6bps。而采用相同间隔的通信方式，令t=1，则对于式(15)在时，可知不等间距通信的速率大于二进制的，所以采用此种方式可以提高通信速率。

实验时将白噪声加到通信电路中，白噪声通过ARM 处理器的激励放大器得到，辗转公式为:

图6 白噪声的波形图Fig.6 Waveform diagram of white noise

图7 白噪声的频谱图Fig.7 Spectrum of white noise

继而得到白噪声振幅和脉冲信号振幅对于检测是都接收到信号的影响。

表2 噪声、混合信号、误码率之间的关系Tab.2 Relations of noise，mixed－signal and the error rate

由表2 可知，延迟信号与原信号叠加后增加误码率，此种方式虽然提高了传输速率，但是抗对方干扰能力有待提高。

5 结 语

本文通过调研水下机器人的发展历程，提出了带有履带的机器人系统设计方案，并对其车载模块进行设计以及算法控制。然后通过对脉冲调制、差分脉冲调制进行对比，提出利用改进的DPPM 进行水下通信，最后通过实验说明此种方法提高了数据的传输速率，以白噪声进行实验仿真，说明当信号因为延迟为叠加时，系统抗干扰能力会先变强，然后随着叠加数据的增多，抗干扰性减弱。

［1］王晓明．电动机的单片机控制［M］．北京航空航天大学出版社，2002．

［2］吴小平，冯正平，朱继懋．模糊PID 策略在AUV 控制中的应用［J］．舰船科学技术，2007，29(1):95 －98．WU Xiao-ping，FENG Zheng-ping，ZHU Ji-mao．Application on AUV control based on fuzzy PID strategy［J］．Ship Science and Technology，2007，29(1):95 －98．

［3］WOODWARD B，SARI H．Digital underwater acoustic voice communications［J］．Oeeanic Engineering，1996，21(2):181 －192．

［4］蔡惠智，刘云涛，蔡慧，等．水声通信及其研究进展［J］．物理，2006，35(12):1038 －1042．CAI Hui-zhi，LIU Yun-tao，CAI hui，et al．Advances in underwater acoustic communication［J］．Physics，2006，35(12):1038 －1042．

［5］邹传云，敖发良，张德现．全数字光PPM 接收机的最佳帧节同步［J］．电子学报，1999，27(7):31 －34．ZOU Chuan-yun，AO Fa-liang，ZHANG De-xian．Best frame synchronization of digital optical PPM receiver［J］．Chinese Journal of Electronics，1999，27(7):31 －34．