水下機(jī)器人通信與控制技術(shù)研究

楊 薇

(廣州工程技術(shù)職業(yè)學(xué)院，廣東 廣州510075)

0 引 言

我國擁有豐富的海洋資源，海洋空間廣闊，隨著人口的增長和科技的進(jìn)步，人類越來越意識到開采和利用海洋的必要性。通過水下機(jī)器人進(jìn)行海底世界的探索成為世界各國爭相研究的熱點(diǎn)。水下機(jī)器人在進(jìn)行水下任務(wù)時，采集到的數(shù)據(jù)需要通過水聲通信傳遞給PC 機(jī)進(jìn)行分析，水聲通信具有傳輸速率快、誤碼率低的特點(diǎn)，并且能根據(jù)帶寬自適應(yīng)數(shù)據(jù)的密度。

本文通過調(diào)研水下機(jī)器人的發(fā)展歷程，提出了帶有履帶機(jī)器人的系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案，并對其車載模塊進(jìn)行設(shè)計(jì)及算法控制。然后通過對脈沖調(diào)制、差分脈沖調(diào)制進(jìn)行對比，提出利用改進(jìn)的DPPM 進(jìn)行水下通信，最后通過實(shí)驗(yàn)說明此種方法提高了數(shù)據(jù)的傳輸速率，以白噪聲進(jìn)行實(shí)驗(yàn)仿真，說明當(dāng)信號因?yàn)檠舆t為疊加時，系統(tǒng)抗干擾能力會先變強(qiáng)，然后隨著疊加數(shù)據(jù)的增多，抗干擾性減弱。

1 水下機(jī)器人系統(tǒng)

本文主要研究帶有履帶機(jī)器人的電氣系統(tǒng)組成。此系統(tǒng)主要包括PC 機(jī)和控制臺形成的上位機(jī)對下位機(jī)發(fā)布指令，下位機(jī)在接到指令后直接控制小車的運(yùn)行，用戶通過鼠標(biāo)、體感設(shè)備等給控制臺發(fā)布指令，同時控制臺將此指令傳遞給車載系統(tǒng)。用戶可以從電腦顯示器對采集得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行保存、展示以及回播等。系統(tǒng)組成如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)組成圖Fig.1 System components diagram

2 系統(tǒng)電機(jī)和PID 控制理論

1)電機(jī)控制

直流電機(jī)的轉(zhuǎn)速可以表示為:

式中:U 為電壓;I 為電流;R 為電阻;KΦ 為常量，表示速度。

電機(jī)線圈組兩端的電壓均值為:

式中:α 為占空比;Us為電壓最大值。

針對圖1 中的車載組成，給出電機(jī)、云臺電機(jī)的參數(shù)值，如表1 所示。

表1 電機(jī)各個參數(shù)值Tab.1 Parameters value of motor

可知:半徑21 mm 的運(yùn)動主動輪，編碼器得到的脈沖數(shù)是34 ×520 =17 680，能夠前進(jìn)的距離為2×π×21 =42π mm。

前進(jìn)的速度為:

實(shí)際的前進(jìn)速度為:

式中:N 為脈沖個數(shù);t 為脈沖輸出間隔。

云臺齒輪轉(zhuǎn)動360°可以得到691 × 30 × 5 個脈沖。

接受的控制臺命令后云臺轉(zhuǎn)速Vpms:

實(shí)際的前進(jìn)速度為:

2)PID 控制

PID 控制的圖示如圖2 所示［1－2］。初值與實(shí)際輸出之間的誤差為e(t)，PID 控制的輸入為e(t)，輸出為u(t)。

圖2 PID 控制圖Fig.2 PID control charts

在采樣過程中，T 為周期;k 為采樣次數(shù)，則式(9)可表示為:

分別用積分、微分、離散等運(yùn)算表示上式時，可以表示為:

PID 控制的程度由因子Kp決定，Kp越大，說明控制的程度越強(qiáng)，但是當(dāng)此值超過閾值時系統(tǒng)會產(chǎn)生震蕩，影響系統(tǒng)的穩(wěn)定。積分運(yùn)算的輸入是e(t)的累計(jì)值，作用是消除靜態(tài)誤差，但是影響了系統(tǒng)的反應(yīng)速度，微分運(yùn)算好處是能夠使偏差的變動得以控制，同時增大KD能夠使積分損失掉的響應(yīng)重新找回，同時使系統(tǒng)處于穩(wěn)定狀態(tài)。

3 采用改進(jìn)的DPPM 進(jìn)行水下通信

隨著互聯(lián)網(wǎng)的普及和4G 網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展，水下通信對于海洋資源的開發(fā)越來越重要。水下通信［3］往往受到頻率多變、干擾過多、噪聲強(qiáng)的影響，水下通信的方式、信號處理等都逐步發(fā)展，從模擬信號發(fā)展到數(shù)字信號，通信方式由非相干轉(zhuǎn)變?yōu)橄喔伞１疚牟捎妹}沖調(diào)制的方式進(jìn)行水下通信。

在數(shù)據(jù)發(fā)送端L 位的連續(xù)二進(jìn)制數(shù)據(jù)與脈沖調(diào)制的m 個時隙相對應(yīng)，如圖3 所示。

圖3 脈沖調(diào)制數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)Fig.3 Pulse modulation data structure

由m 個時隙組成一個脈沖單元，寬度為T/m。脈沖的位置與L 位二進(jìn)制中的數(shù)對應(yīng)。

若一個脈沖單元含有m 個時隙，則一幀傳輸log2m 位數(shù)據(jù)，q × t 為每幀的靜息間隔，可得傳輸速率為:

平均功率P 與功率最大值PM的關(guān)系為:

脈沖調(diào)制方式和正弦波調(diào)制方式相比，功率降低，但是抗干擾能力強(qiáng)。

針對脈沖調(diào)制功率低的問題，采用差分脈沖進(jìn)行改進(jìn)，脈沖數(shù)據(jù)組成如圖4 所示。

圖4 差分脈沖調(diào)制數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)Fig.4 Differential pulse modulation data structure

若從1 開始到m 數(shù)據(jù)出現(xiàn)概率相同，q × t 為每幀的靜息間隔，可得傳輸速率為:

雖說速率提高，可是固定的時隙，所需要傳遞的數(shù)據(jù)越大，需要的時長就越大，此時傳輸速率又會降下來，為此，可以采用時隙不同的差分脈沖信號來提高傳輸速率。數(shù)據(jù)單元中第1 個時隙還是t長度，以后每個時隙都減少t′，t′≤t，這樣就克服了差分脈沖傳輸大數(shù)據(jù)時速率下降的問題。t′的取值取決于接收點(diǎn)的最小時間片段，在k= t′/t 時傳輸速率為:

通信時，發(fā)送信息與接受信息的時間參考點(diǎn)必須保持一致，這樣才能不會造成系統(tǒng)的紊亂。通常采用以下3 種方式進(jìn)行控制同步性［4］:

1)統(tǒng)一的時間體系;

2)同步信號獨(dú)立性;

3)提取信號自身的定是信息。

本文采用時頻分相結(jié)合的方式，利用寬度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于脈沖寬度的方波作為同步序列，通過閾值和頻率來判斷是同步幀還是數(shù)據(jù)幀。

根據(jù)文獻(xiàn)［5］提出的最大似然值同步檢測方法，即將上節(jié)的信號進(jìn)行采樣且緩存，從而確定同步信號的起始位置，如圖5 所示。

圖5 原理圖Fig.5 Schematic

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

本文通過采用改進(jìn)的DPPM 進(jìn)行水下通信，取第1 個時間間隔為1 ms，自此以后每個間隔為其1/10。m=16，q ×t=5ms，k=1/10 則帶入式(15)可知v=592.6bps。而采用相同間隔的通信方式，令t=1，則對于式(15)在時，可知不等間距通信的速率大于二進(jìn)制的，所以采用此種方式可以提高通信速率。

實(shí)驗(yàn)時將白噪聲加到通信電路中，白噪聲通過ARM 處理器的激勵放大器得到，輾轉(zhuǎn)公式為:

圖6 白噪聲的波形圖Fig.6 Waveform diagram of white noise

圖7 白噪聲的頻譜圖Fig.7 Spectrum of white noise

繼而得到白噪聲振幅和脈沖信號振幅對于檢測是都接收到信號的影響。

表2 噪聲、混合信號、誤碼率之間的關(guān)系Tab.2 Relations of noise，mixed－signal and the error rate

由表2 可知，延遲信號與原信號疊加后增加誤碼率，此種方式雖然提高了傳輸速率，但是抗對方干擾能力有待提高。

5 結(jié) 語

本文通過調(diào)研水下機(jī)器人的發(fā)展歷程，提出了帶有履帶的機(jī)器人系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案，并對其車載模塊進(jìn)行設(shè)計(jì)以及算法控制。然后通過對脈沖調(diào)制、差分脈沖調(diào)制進(jìn)行對比，提出利用改進(jìn)的DPPM 進(jìn)行水下通信，最后通過實(shí)驗(yàn)說明此種方法提高了數(shù)據(jù)的傳輸速率，以白噪聲進(jìn)行實(shí)驗(yàn)仿真，說明當(dāng)信號因?yàn)檠舆t為疊加時，系統(tǒng)抗干擾能力會先變強(qiáng)，然后隨著疊加數(shù)據(jù)的增多，抗干擾性減弱。

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