基于线性拓扑传输的水下机器人通信系统的制作方法

本发明涉及水下机器人的通信，尤其涉及一种基于线性拓扑传输的水下机器人通信系统。

背景技术：

目前，下机器人组网通信方面只进行了初步的理论研究。针对水声通信组网，在ieee802.11协议的基础上提出了一种动态调整侦听/睡眠时间占空比的改进协议，并通过ns2仿真环境，构建相关网络场景加以验证。针对多海洋无人系统在海洋移动观测网络中，通过水声modem测距功能使水声通讯和水声定位系统合二为一，极大降低了试验成本和布放难度。提出的非竞争性的水声网络通信/定位协议，能够很好地协调多个节点完成水声网络通讯和定位。以上研究结果表明，要实现多水下机器人的协同组网，首先要以现有的通信设备为基础建立网络结构，其次是根据水声通信的传输特点在数据链路层开发出高效的路由算法与协议。但目前为止，还没有一套比较成熟完善的通信方法，致使组网中信息传输的效率严重受限。

建立多水下机器人组网通信系统结构的主要目的是为水下机器人个体之间的信息交互、协调提供支持，并实现机器人内部不同功能模块之间的信息流通。水下机器人的通信结构分为两部分：一是水下机器人自身的通信系统，它负责水下机器人内部的数据交换；另一类是机器人之间的通信系统。而其中水下通信中的数据链路层的任务主要是实现数据在相邻节点之间的链路无差错地传输。而由于水声信道存在较大时延，致使简单的rts/cts数据包交互机制并不适用于水下通信网络，而目前还没有一个适合的介质访问控制系统以实现信道资源的合理分配。

技术实现要素：

基于上述内容，本发明提供一种基于线性拓扑传输的水下机器人通信系统，用于多个水下机器人的通讯，其特征在于，包括：第一水下机器人，第二水下机器人，所述第一水下机器人具有第一接收节点，所述第二水下机器人具有第二接收节点；所述第一接收节点与所述第二接收节点的水声通信采用分层通信结构，所述分层通信结构包括网络层，物理层，数据链路层，所述分层通信结构的物理层是水声通信的底层，用于接收数据链路层的数据并顺序传输；所述水声通信的水声信道使用单个收发器将一条物理信道分割成多条数据传输的从属信道，所述数据链路层基于线性拓扑传输实现并行扩频通信。

进一步的，采用所述线性拓扑传输的水下机器人的每个节点均包含一个需求发送信号、清空发送信号、数据发送信号、接收信号；

当第一水下机器人的第一接收节点收到需求发送信号时，该第一水下机器人直接将发送信号传递至第二水下机器人的第二接收节点，并等待直至接收到第二水下机器人返回的清空发送信号；

当该第二接收节点收到需求发送信号时，该节点第二接收节进入响应调整状态，同时向第一接收节点传递清空发送信号；

当第一接收节点收到第二接收节点的清空发送信号时，向第一水下机器人返回清空发送信号。

进一步的，所述清空发送信号的数据包的格式为：第一接收节点或第二接收节点发出的清空发送信号，以及第一接收节点或第二接收节点的当前位置和速度。

进一步的，第一水下机器人将重新根据另外的水下机器人的节点的位置信息选择目的水下机器人。

进一步的，所述清空发送信号还包括超时信号。

进一步的，当第一水下机器人收到清空发送信号消息，将通过相应的信道经第一接收节点向第二接收节点发送数据，当所述目的水下机器人从该第一水下机器人接收到数据信号，进入响应调整状态，并将数据包转发至第二接收节点。

进一步的，当第二接收节点接收数据完毕后，将进入接受状态，向第一接收节点发送接受信号的数据包，否则即为数据传输超时。

进一步的，当该响应调整状态完成，第二接收节点向第一接收节点发送接受信号的数据包结束数据传输过程，所述第一节点进人休眠状态。

进一步的，所述水声信道采用正交频分复用(ofdma)多载波调制。

进一步的，所述所有水下器人内部的所有模块之间的通信基于pci04总线使用tcp/ipsocket协议。

建立了多水下机器人组网通信系统结构，该结构分为两部分：水下机器人自身的通信系统和水下机器人之间的通信系统。在水下机器人之间的分层通信结构中，结合编队网络层的拓扑结构建立了数据链路层的自适应协议。在线性拓扑传输的自适应协议降低了领航水下机器人的能量消耗，提高了整个水下机器人编队组网的生存时间；基于竞争的自适应协议降低了传输的丢包率并提高了网络的吞吐量。

附图说明

图1为本系统一个实施例的示意图；

图2为本系统一个实施例的模块化示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图，对本发明进一步详细说明。下述参照附图对本发明实施方式的说明旨在对本发明的总体发明构思进行解释，而不应当理解为对本发明的一种限制。

本发明提供一种基于线性拓扑传输的水下机器人通信系统，用于多个水下机器人的通讯，其特征在于，包括：第一水下机器人，第二水下机器人，所述第一水下机器人具有第一接收节点，所述第二水下机器人具有第二接收节点；所述第一接收节点与所述第二接收节点的水声通信采用分层通信结构，所述分层通信结构包括网络层，物理层，数据链路层，所述分层通信结构的物理层是水声通信的底层，用于接收数据链路层的数据并顺序传输；所述水声通信的水声信道使用单个收发器将一条物理信道分割成多条数据传输的从属信道，所述数据链路层基于线性拓扑传输实现并行扩频通信。

优选的，采用所述线性拓扑传输的水下机器人的每个节点均包含一个需求发送信号、清空发送信号、数据发送信号、接收信号；

当第一水下机器人的第一接收节点收到需求发送信号时，该第一水下机器人直接将发送信号传递至第二水下机器人的第二接收节点，并等待直至接收到第二水下机器人返回的清空发送信号；

当该第二接收节点收到需求发送信号时，该节点第二接收节进入响应调整状态，同时向第一接收节点传递清空发送信号；

当第一接收节点收到第二接收节点的清空发送信号时，向第一水下机器人返回清空发送信号。

优选的，所述清空发送信号的数据包的格式为：第一接收节点或第二接收节点发出的清空发送信号，以及第一接收节点或第二接收节点的当前位置和速度。

优选的，第一水下机器人将重新根据另外的水下机器人的节点的位置信息选择目的水下机器人。

优选的，所述清空发送信号还包括超时信号。

优选的，当第一水下机器人收到清空发送信号消息，将通过相应的信道经第一接收节点向第二接收节点发送数据，当所述目的水下机器人从该第一水下机器人接收到数据信号，进入响应调整状态，并将数据包转发至第二接收节点。

优选的，当第二接收节点接收数据完毕后，将进入接受状态，向第一接收节点发送接受信号的数据包，否则即为数据传输超时。

优选的，当该响应调整状态完成，第二接收节点向第一接收节点发送接受信号的数据包结束数据传输过程，所述第一节点进人休眠状态。

优选的，所述水声信道采用正交频分复用(ofdma)多载波调制。

优选的，所述所有水下器人内部的所有模块之间的通信基于pci04总线使用tcp/ipsocket协议。

如图1所示，水下机器人自身的通信系统主要负责机器人内部各个软件模块之间的通信，例如运动信息采集模块、环境信息采集模块、运动控制模块、导航与船位推算模块、行为融合与任务规划模块等。每个软件模块都相对独立，并且工作在相应的硬件系统组成的平台基础之上作为机器人的功能模块。模块之间的通信基于pci04总线使用tcp/ipsocket协议，通过建立服务器端和客户端来实现。水下机器人之间的通信是通过水声通信模块实现的。

图2所示为水声通信模块，采用的是的分层通信结构，是基于aqnacommnetwork水声通讯系统开发的。aquacomm是多信道水下通信系统，它使用扩展频谱在低能耗的情况下发出宽频信号。在分层结构中，物理层是水声通信模块的底层，主要负责接收数据链路层的数据并顺序传输。其水声信道采用正交频分复用(ofdma)多载波调制技术使用单个收发器将一条物理信道分割成多条数据传输的从属信道。其数据链路层基于多载波码分多址(cdma)技术传输策略实现并行扩频通信。利用伪随机码的相关特性，使用不同的伪随机编码区分不同的用户。在直接序列扩频的接收端主动利用多途能量补偿水声信道多途衰落的影响，鲁棒性较强。

数据链路层的任务主要是实现数据在相邻节点之间的链路无差错地传输。采用线性拓扑传输方式通信时，所设计的自适应mac协议中每个节点均包含一个需求发送信号“rts”(requesttosend)、清空发送信号“cts”(cleartosend)、“data”数据发送信号、接收信号“ack”(acknowledgmentforreceiving)。协议过程将分为4个阶段。

假设接收节点为目的第二水下机器人(水下机器人2)。当第一接收节点收到“rts”消息时，该第一水下机器人水下机器人直接将该消息传递至第二接收节点，并等待直至接收到目的第二水下机器人水下机器人2返回的“cts”或超时帧。

当第二接收节点收到“rts”消息时，该节点被通知有即将到来的消息传输，目的水下机器人进入响应调整“responseadjustment”状态，同时向第一接收节点传递“cts”信息。当第一接收节点收到第二接收节点的“cts”消息或超时帧时，将向第一水下机器人返回“cts”消息，其数据包格式为{ctsl/overtime，nodel——pos，nodel——speed，cts2/overtime，node2——pos，node2一speed}，分别代表第一接收节点或第二接收节点发出的“cts”或超时消息以及第一接收节点或第二接收节点的当前位置和速度。当超时发生时，第一水下机器人将重新根据其他水下机器人节点的位置信息选择目的水下机器人。

再次，当第一水下机器人收到“cts”消息，将通过相应的信道经第一接收节点向第二接收节点发送数据，如果目的水下机器人l从第一水下机器人接收到“data”，它就进入“responseadjustment”状态，并将数据包转发至第二接收节点。第二接收节点接收数据完毕后，将进入“ack”状态，向第一接收节点发送“ack”数据包，否则即为数据传输超时。

在第四阶段，一旦“responseadjustment”的状态完成，接收水下机器人2将向接收水下机器人节点1发送“ack”数据包，接收水下机器人节点1再将“ack”数据包转发给第一水下机器人节点。第一接收节点所发送的“ack”数据包格式为{ackl/overtime，nodel—pos，nodel—speed，ack2/overtime，node2一pos，node2一speed}，分别代表第一接收节点或第二接收节点发出的“ack”或超时消息以及第一接收节点或第二接收节点的当前位置和速度。在第一水下机器人接收到“ack”数据包后，将结束其数据传输过程，节点进人休眠状态。

网络层的任务是选择合适的路由信息，确定分发源节点和目的节点之间的路由搜索与信息。在通信系统结构的基础上使用有向图定义水下机器人之间通信的拓扑结构。

综上所述，本发明建立了多水下机器人组网通信系统结构，该结构分为两部分：水下机器人自身的通信系统和水下机器人之间的通信系统。在水下机器人之间的分层通信结构中，结合编队网络层的拓扑结构建立了数据链路层的自适应协议。在线性拓扑传输的自适应协议降低了领航水下机器人的能量消耗，提高了整个水下机器人编队组网的生存时间；基于竞争的自适应协议降低了传输的丢包率并提高了网络的吞吐量。

另外，在下面的详细描述中，为便于解释，阐述了许多具体细节以提供对本披露实施例的全面理解。但一个或多个实施例在没有这些具体细节的情况下也可以被实施。

以上所述实施例仅表达了本发明的一种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此理解为对本发明范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明的保护范围应以所附权利要求为准。