面向水下機器人的水下電場通信協議設計

張 晗, 王 偉, 謝廣明

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面向水下機器人的水下電場通信協議設計

張 晗1,2, 王 偉3, 謝廣明1,4

(1. 北京大學工學院 湍流與復雜系統國家重點實驗室, 智能仿生設計實驗室, 北京, 100871; 2. 中國人民解放軍 32555部隊, 廣東 廣州, 510600; 3. 麻省理工學院 城市研究與規劃學院, 美國馬塞諸塞州 劍橋, 02139; 4. 北京大學 海洋研究院, 北京, 100871)

作為一種新型的水下通信方法, 電場通信具有能耗低, 不易受外界環境干擾, 實時性、全向性好等優點, 可在小型水下機器人水下通信、組網中發揮良好作用。在前期的研究中, 已將電場通信系統集成在一款仿箱鲀機器魚上。但由于使用的是共享信道, 當多機器魚(節點)通信時, 難免出現通信碰撞問題。文中基于無線通信網絡載波偵聽多路訪問/沖突避免(CSMA/CA)協議提出了電場通信協議。介紹了協議的運行機制以及信道狀態的檢測方法。為驗證設計協議的有效性, 進行了MATLAB仿真及3條機器魚電場通信實驗。結果表明, 該協議能有效減少通信碰撞的發生。

水下機器人; 仿箱鲀機器魚; 水下通信; 電場通信; 載波偵聽多路訪問/沖突避免

0 引言

海洋覆蓋了約71%的地球表面, 世界上有將近50%的人口生活在距海岸線100 km以內的區域。隨著陸地資源被人類不斷開發, 擁有豐富礦產、生物資源的海洋正成為各國展示經濟和軍事實力的擂臺, 吸引了越來越多的關注。

然而人類對海洋的探索還遠遠不足, 海洋極為險惡的環境為人類的探索設置了重重阻礙。學者們普遍認為, 未來將由多個自主式水下航行器 (autonomous undersea vehicle, AUV)組成智能集群代替人類完成復雜的水下探索任務, 這也成為當前的研究熱點[1]。

然而現有的水下通信和組網技術還遠無法支撐水下智能無人集群的運行。在陸地通信中廣泛使用的高頻無線電磁波在水下將被嚴重衰減[2]。目前, 水下通信和網絡主要基于水聲通信技術[3], 但仍然面臨著諸如多徑效應、多普勒頻移、傳播時延等方面挑戰, 且極易受環境噪聲以及航行器運行噪聲的影響[4], 難以在無人水下航行器(unmanned undersea vehicle, UUV)集群作業中發揮最大效能。就現有的研究來看, 需要一種新型的水下通信方式來支撐水下智能無人集群作業。

一些學者將目光投向了生活在水中的魚類, 通過長期的觀察, 發現了利用特殊的電器官放電(electric organ discharges, EOD)現象進行感知和信息交互的弱電魚(weakly electric fishes)[5-6]。據此, 學者們提出一種名為水下電場通信的新型通信方法, 并通過實驗驗證了其可行性, 該方法具有實時性好、能耗低、體積小、及全向性好等優點[7-10]。在此基礎上, 北京大學的Wang等[11]將電場通信系統集成于一款仿箱鲀機器魚上(見圖1), 實現了3~5 m的雙機器魚(節點)的水下通信。

由于電場通信使用的是共享信道, 當多條機器魚同時通信時, 難免會出現通信碰撞問題, 影響通信性能。文中旨在基于無線通信網絡載波偵聽多路訪問/沖突避免(carrier sense multiple access/collision avoidance, CSMA/CA)協議設計用于解決多節點電場通信碰撞問題的電場通信協議, 是對前期發表論文[12]的延伸和拓展, 對電場通信原理做了詳細闡述, 并首次實現多條機器魚的水下電場通信, 與原有機器魚模型實驗相比,機器魚實驗需要應對機器魚可自主游動、協議與機器魚主控制器兼容的挑戰, 進而全面驗證了該協議可為多機器魚協作提供通信保障。

圖1 集成水下電場通信系統的仿箱鲀機器魚

1 水下電場通信

弱電魚通過電場進行信息交互的機理非常復雜[13], 需要對其原理進行簡化, 形成工程上便于實現的水下電場通信系統?？紤]到計算和分析的便利, 簡化為圖2所示的由一對發射電極和一對接收電極組成的發射接收模型[11]。

圖2 電場通信物理模型

1.1 基本原理

當變化的電流流經發射電極時, 其附近會產生交變電磁場, 而傳播介質水又是良好的導體, 必須同時考慮傳導電流和位移電流效應[14]。而簡化的目標是通過由多個場強隨時間變化的靜電場序列來分析電場通信物理模型, 即交變電場滿足準靜態(quasi-static)場條件。

具體地, 傳導電流由原子間電荷運動形成, 滿足歐姆定律, 是時不變的, 表達式為

而位移電流是由原子內的束縛電荷運動引起的(通常因外部場的施加而產生), 是時變的, 其密度表達式為

接收電極1和2的電勢差可通過下面的公式計算

總而言之, 當發射端電流形成的交變電磁場的變化頻率滿足準靜態場條件時, 放置在其附近一定范圍內的接收端能檢測到電勢差的變化, 再經濾波、放大等電路, 便能還原發射端發出的信息, 這是電場通信的基本原理。此外, 電場通信效果會因為接收端和發射端之間的相對位置以及相對角度的改變而變化。通過分析電場通信物理模型得到了電場通信的基本原理, 為電場通信系統的設計與應用提供了理論依據。

1.2 通信系統

基于電場通信原理, 簡化后的電場通信系統設計方案見圖3, 難點主要是發射單元和接收單元的設計。采用了數字通信和電壓檢測模式以及標準的串口通信協議, 可以方便地調試波特率、數據長度及控制位等通信參數。

無論是發射單元還是接收單元都采用了微控制器作為通信功能的核心處理器, 并且都有一對放置在水中的電極板與它們相連, 用于發射或接收電場通信信號。在發射單元, 信號通過微控制器的串口發出, 經幅移鍵控(amplitude shift keying, ASK)數字調制、放大后, 加載至發射電極板, 通過傳播介質水抵達接收單元, 接收單元的電極板檢測到不斷變化的電勢差信號, 對該信號濾波、解調, 再通過串口傳至接收單元的微控制器。

2 仿箱鲀機器魚

考慮到研究電場通信的目標是在小型水下機器人上應用, 因此在電場通信系統的設計規劃階段, 就考慮了低能耗、小型化、靈活性等特點, 并將它集成在一種名為仿箱鲀機器魚(boxfish-like robotic fish)的水下機器人上, 如圖1所示。

圖3 電場通信系統結構圖

仿箱鲀機器魚的仿生對象是自然界真實存在的一種名為箱鲀(boxfish)的魚類。它有1個流線型的外形, 由1對胸鰭和1個尾鰭驅動。其主控制器為樹莓派(raspberry pi), 輔助控制器為3個STM32F103單片機, 用于基本的運動控制、搜集處理傳感器數據和計算運動姿態。它身上還分布著多個傳感器: 1個攝像頭, 1個慣性測量單元: (inertial measuring unit, IMU), 1對發射電極板, 1對接收電極板和9個壓強傳感器[18]。通過精心設計的仿生中央模式發生器(central pattern generator, CPG), 機器魚可實現向前直游、向后倒游, 上升、下潛, 轉彎甚至翻滾等基本的游動模態[19]。

由于集成了電場通信系統(其結構見圖3), 可實現近距離的雙機器魚水下通信。并通過一系列實驗驗證了集成電場通信系統的仿箱鲀機器魚的水下通信效果。圖4展示了集成電場通信系統的仿箱鲀機器魚在自然湖水中進行距離為3 m的水下通信實驗[11]。

實驗中, 左側機器魚發射電場通信信號, 經湖水傳播, 右側機器魚接收該信號, 并通過右側機器魚的無線發射模塊傳輸至岸上的計算機。

圖4 在湖水中進行電場通信實驗

由于電場通信使用的是相同的信道, 當多條機器魚同時通信, 會發生通信碰撞, 使電場信號無法被正確接收。需要進一步設計通信協議來支持更多的機器魚互相通信。

3 電場通信協議設計

無線通信網絡領域通過介質訪問控制(media access control, MAC)協議解決通信碰撞問題: 它允許網絡中的節點共享相同信道, 解決數據包沖突并防止同時傳輸, 具有能量效率高、信道訪問延遲低等優點, 也在一定程度上維持了節點競爭的公平性。若能設計用于電場通信系統的MAC協議, 通信碰撞問題即可迎刃而解。

由于機器魚體積小, 使用電池供電, 可攜帶的能量少, 水下環境復雜, 使得其穩定性遠遠不如陸地機器人, 電場通信系統的MAC協議不能過于復雜。此外, 機器魚可自主游動, 對協議的魯棒性及可靠性等都提出了更高的要求, 需要精心設計, 才能在物理信道上實現可靠的數據傳輸[20]。

3.1 協議選擇

在錯綜復雜的水下環境中, 信道資源非常寶貴, MAC 協議對電場通信信道的利用有重要意義, 選擇合適的MAC 協議對通信性能有很大影響, 對電場通信尤其重要[21]。

無線通信網絡領域對MAC協議的研究已經開展了數十年[22], 但在水下電場通信系統中, 它仍是一個全新的內容。主要有以下2種信道分配技術: 靜態劃分信道和動態媒體接入控制。

對電場通信來說, 各機器魚共享通信信道, 每個節點(機器魚)都可自由移動, 各節點的功能相近, 地位相當, 沒有中心節點來分配信道, 因此采用靜態信道分配技術的MAC協議難以在電場通信中應用[12, 23]。

動態媒體接入控制技術是競爭型的MAC協議, 無需專門的中心節點為其他節點分配信道資源, 節點通過競爭動態共享同一信道, 能充分利用有限的信道資源, 較好適應機器魚可自主移動的特點[24]。在對水下網絡動態媒體接入控制技術的研究中, 一種名為CSMA/CA的協議受到了學者們的關注, 它采用載波監聽(listen before talk, LBT) 機制將信道隨機地分配給網絡中的節點而不是指定給某一節點, 有利于信道資源的充分利用, 有效地避免了通信碰撞, 可實現多節點的接入。1997 年美國佛羅里達大西洋大學的Smith 等[25]已將CSMA/CA 協議應用于水聲通信網絡并證明了它能有效工作, 因此嘗試將該協議與電場通信結合, 設計MAC協議。

3.2 基于CSMA/CA的電場通信協議

電場通信MAC協議需確保多個節點能有效接入信道, 且通信過程不被打斷。CSMA/CA協議通過LBT機制和隨機退避過程實現協議運行, 應用于電場通信的詳細過程為: 當節點(機器魚)產生發送消息的需求時, 至少要對信道的狀態進行二次檢測。當節點第1次檢測到信道空閑時, 進入一段稱為分布式幀間間隙(distributed inter- frame spacing, DIFS)的較短的等候時間, 以進入下一次檢測; 否則, 該傳輸將被推延直到信道處于空閑狀態。當節點第2次檢測到空閑的信道時, 立即發送消息; 否則進入隨機退避過程, 以接入信道。

結合電場通信系統的實際情況, 將協議的DIFS設定為200 ms, 時隙設定為100 ms。因此, 進入隨機退避過程的節點至少需要推遲了倍的才能發送消息。協議的運行流程見圖5。

圖5 基于CSMA/CA的電場通信協議流程

3.3 信道狀態檢測

在應用電場通信MAC協議之前, 有一個核心問題需要解決——信道狀態檢測。只有準確獲取信道狀態后, 才能保證協議的運行。

信道狀態檢測是通過通信系統中的運算放大電路實現的, 見圖6。當水中有電場通信信號時, 該信號經鎖相環檢測為電場通信信號后輸出。由于電場通信信號為矩形信號, 經過由電容和電阻組成的電阻-電容(resistor-capacitance, RC)充放電電路后成為高電平信號, 而后被傳遞至運算放大器的反相輸入端。蓄電池的正極分為兩路, 一路經滑動變阻器與運算放大器的同相輸入端相連, 另一路與運算放大器的正極相連。運算放大器將同相輸入端與反相輸入端的電平信號相比較, 將結果由輸出端經標準串行通信協議接口輸出至機器魚的微控制器, 使微控制器得到信道空閑或繁忙狀態的標志, 判斷信道狀態, 滿足了協議對信道的“監聽”需求。

圖6 信道狀態檢測電路

具體地, 通信信道的狀態可由鎖相環是否將電場通信的脈沖信號傳遞至運算放大器的反相輸入端進行判斷: 當鎖相環輸出脈沖信號時, 運算放大器的同相輸入端電平信號的電壓小于反相輸入端的電壓, 說明信道繁忙; 反之, 當鎖相環沒有輸出脈沖信號, 運算放大器的同相輸入端電平信號的電壓大于反相輸入端電壓, 說明信道空閑。

4 仿真和實驗

前文介紹的基于CSMA/CA的電場通信協議可通過編程在機器魚微控制器中運行, 但是該協議能否在實際的電場通信網絡中發揮作用需要通過仿真和實驗來驗證。

4.1 MATLAB仿真

使用MATLAB 仿真了該協議的運行, 圖7展示了3個節點依次對通信信道進行競爭, 隨機退避的過程, 包括從CW中選擇退避數、等待和發送。圖中, 三角形代表發送過程, 矩形代表退避等待過程, 矩形的高度代表退避數值。具體過程如下。

圖7 三節點運行協議仿真結果

2) 節點2、3分別在=0.15 s和=0.2 s產生發送消息的需求, 但檢測發現信道處于繁忙狀態, 因此從CW中分別選取退避數3和5, 進入隨機退避過程。由于節點1占用了信道, 節點2、3的退避數一直保持不變(如節點2、3子圖的第1個矩形所示)。

3) 節點1在=0.4 s發送完畢, 節點2、3檢測到空閑狀態的信道, 退避數開始減少。

4) 節點2的退避數在=0.42 s減至0, 進行發送(如節點2子圖的第1個三角形所示), 節點3繼續等待。

5) 節點1在=0.51 s產生新的發送需求, 它需要從CW中選取新的退避數并進行等待, 這一退避數大于節點3的退避數(如節點1子圖的第1個矩形所示)。

6) 節點2在=0.82 s發送完畢, 節點1、3檢測到處于空閑狀態的信道, 退避數開始減少。隨后, 節點3的退避數減至0, 進行發送(如節點3子圖的第1個三角所示)。

之后的過程以此類推。需要說明的是, 由于節點選取退避數后未進行發送前, 每個時隙檢測信道狀態, 只要檢測到信道空閑則將退避數減1, 而剛完成消息發送又產生發送需求的節點需要重新選取退避數, 這一退避數通常大于未發送消息節點的退避數, 從而使未發送消息的節點有更大的可能先發送, 這有助于平衡各節點使用信道的機會。

4.2 多機器魚通信實驗

采用多機器魚電場通信實驗的方法進一步驗證協議的有效性。與文獻[12]中僅采用電場通信模板進行實驗相比, 需要兼顧機器魚可自主游動以及協議數據包與機器魚主控制器兼容的問題。

圖8 3條機器魚電場通信實驗

實驗結果見圖9, 圖中橫坐標值代表信道中的一次發送, 由于每次發送之間的時間間隔并不相同, 用時刻來表示; 縱坐標分別表示3條機器魚。從實驗結果不難看出, 運行了基于CSMA/CA的電場通信協議的機器魚能良好的通信, 沒有發生通信碰撞或沖突, 從而證明了協議的有效性。

圖9 3條機器魚電場通信實驗結果

5 結束語

文中圍繞解決多個仿箱鲀機器魚水下電場通信時碰撞和沖突問題, 設計了基于CSMA/CA的電場通信協議。介紹了協議的選擇、基于CSMA/ CA的電場通信協議運行機制、隨機退避過程和信道監聽電路。為驗證設計協議的有效性, 將其算法寫入MATLAB, 通過仿真觀察了協議的運行, 而后通過3條機器魚電場通信實驗, 證明了基于CSMA/CA的電場通信協議能有效減少通信碰撞, 保證多節點通信的正常進行。

基于CSMA/CA的電場通信協議為未來多UUV的組網和協作打下了基礎, 使它們得以組成水下智能無人集群, 完成復雜的水下作業。此外, 該協議在由多個節點組成的水下無線傳感器網絡中也能發揮良好的作用, 可以方便、快速地采集水文信息。但是現有的電場通信系統仍存在通信距離近, 傳輸速率低等問題, 已完成的實驗大多是驗證性的, 距離實際應用還有不少工作要做。在今后的研究中, 將通過軟硬件升級, 不斷提升系統的通信性能, 以實現水下組網及實際應用的目標。

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Underwater Electrocommunication Protocol Design for Underwater Robot

ZHANG Han1,2, WANG Wei3, XIE Guang-ming1,4

(1. State Key Laboratory of Turbulence and Complex Systems, Intelligent Biomimetic Design Lab, College of Engineering, Peking University, Beijing 100871, China; 2. 32555thUnit, The People’s Liberation Army of China, Guangzhou 510600, China; 3. Department of Urban Studies and Planning, Massachusetts Institute of Technology, Cambridge 02139, USA; 4. Institute of Ocean Research, Peking University, Beijing 100871, China)

As a novel underwater communication method, electrocommunication has the following advantages: lower energy consumption, less susceptible to external interference, real-time, and high omnidirectional performance. It has become a potential method for underwater communication and networking among small underwater robots. In previous research activities, the electrocommunication system has been integrated into a boxfish-like robotic fish. However, when multiple robotic fishes(nodes) communicate, collision is unavoidable because they share same electrocommunication channel. In this paper, an electrocommunication protocol based on the carrier sense multiple access/collision avoidance (CSMA/CA) protocol of wireless communication networks is proposed to solve the collision problem. The operating mechanism of the protocol and the channel state detection method are introduced. In order to validate the effectiveness of the proposed protocol, MATLAB simulations and electrocommunication experiments using three robotic fishes were conducted. The results show that this protocol can effectively reduce the occurrence of communication collisions.

underwater robot; boxfish-like robotic fish; underwater communication; electrocommunication; carrier sense multiple access/collision avoidance(CSMA/CA)

TN929.3; TP242

A

1673-1948(2019)02-0134-08

10.11993/j.issn.1673-1948.2019.02.003

張晗, 王偉, 謝廣明. 面向水下機器人的水下電場通信協議設計[J]. 水下無人系統學報, 2019, 27(2): 134-141.

2018-11-30;

2018-12-18.

國家自然科學基金(91648120, 61503008, 61633002, 51575005?); 中國博士后科學基金(2015M570013, 2016T90016); 國家重點研發計劃(2017YFB1400800).

張 晗(1988-), 男, 碩士, 助理工程師, 主要從事仿生機器人及水下電場通信技術研究.

(責任編輯: 許 妍)