一种水下电场通信分析方法与流程

本发明涉及水下通信技术领域，特别涉及一种水下电场通信分析方法。

背景技术：

随着人类生产生活水平不断提高，陆地上的资源显然已经无法满足需求，人类逐渐将开发重点转向海洋。当前海洋开发依赖于水下机器人的协助，多水下机器人协作需要水下通信技术，而水下电场通信是一个很好的解决方案。

近年来，人们对于水下电场通信的研究已有初步的成果，多家科研单位提出各自的电场通信系统，并且成功实现水下电场通信目标。但是当前尚未提出关于水下电场通信的分析方法及其分析软件，因此难以提供水下机器人通信时的量化分析功能及评估多机器人之间的通信效果。

另外，在利用电场通信进行多机器人组网与定位时，更需要提供一个精确的数据实时处理软件，并且分析多机器人间的组网与定位效果。

由于水环境的特殊性，水下通信受到诸多限制。水下多传感器或机器人协作一般要求近距离通信，但目前常用的水下通信方法无法提供良好的方案，例如声通信信道受多径效应影响严重，通信误码率较高，且极易受水下障碍物影响，而光通信容易受到水质影响，如海水中的悬浮颗粒和浮游生物等都会对光传播造成很大影响。

因此，如何提供一种水下电场通信稳定、功耗低、环境适应性强、组网、定位的近距离水下通信分析方法及设计相应分析软件是一项重要且迫切的议题。

技术实现要素：

本发明的目的旨在至少解决所述技术缺陷之一。

为此，本发明的目的在于提出一种水下电场通信分析方法。

为了实现上述目的，本发明的实施例提供一种水下电场通信分析方法，包括如下步骤：

步骤s1，获取水下环境参数、通信介质参数和发射/接收电极板参数；

步骤s2，根据公式计算出所述接收电极板在相对于所述发射电极板的任意位置与偏角所接收到的电势差值，用户输入待观察的xyz轴坐标(四维图切片)，给出接收电极板在相应x-y平面与偏角z维度上所接收到的电势差分布四维图和发射电极板等效电偶极子的电场分布图；

步骤s3，对所述电势差分布图和电场分布图进行分析，用户输入接收电极板x、y坐标与偏角z值，得到接收电极板所接收到的电势差值，以实现对水下电场的通信分析。

进一步，所述通信介质参数包括：相对介电常数和电导率；

所述电极板参数包括：发射能量数据、发射/接收电极板间距、接收电极板最小辨识电压值。

进一步，所述发射能量包括以下一种:

(1)所述发射电极板的电量；

(2)发射电压、发射电极板间电容值；

(3)发射电流；

(4)发射电压、发射电极金属球半径。

进一步，在所述步骤s1之后，还包括如下特殊情况：

接收电极板围绕发射电极板转动，且偏航角保持圆切线或偏航角保持不变；

绘出所述接收电极板在x-y平面上任意一点接收到的电势差值与最远通信边界线图；

输入接收电极板围绕发射电极板转动时圆轨道半径，然后绘制出接收电极板圆轨道的电势差图和发射电极板等效电偶极子电场分布图；

对所述电势差图和电偶极子电场分布图进行图形数值分析，根据输入接收电极板的xy坐标值，计算得到接收电势差z值，以实现对水下电场的通信分析。

进一步，在所述步骤s1之后，进行水下组网分析，包括如下步骤：

输入节点个数、各节点的位置和偏角(单一节点为同时具有发射与接收功能的电极板)；

根据各个节点的偏角，绘制出各节点的连线图、组网图和拓扑图；

输入起始/结束节点序号，规划出电场信号传递最优路径；

输入任意两节点序号，查询以一个节点作为发射节点，另一个节点作为接收节点，接收节点电极板之间的电势差。

进一步，所述节点的偏角为校正后的电极板角度或无校正的电极板角度。

进一步，在所述步骤s1之后，进行电场定位分析，包括如下步骤：

绘制出发射电极板对接收电极板的定位场景图和发射电偶极子电场分布图；

输入接收电极板接收到的来自发射电极板信号的四个电势差值；

计算出所述接收电极板相对于所述发射电极板的x-y-偏角值，然后判断该x-y-偏角值是否超出最大定位范围，如果是则修正所述x-y-偏角值；

更新当前接收电极板定位值(x-y-偏角)，判断是否将本次定位点的x-y-偏角值绘制在图中，如果是则绘制所述接收电极板相对于所述发射电极板的位置点和偏角，然后进一步判断是否结束定位。

本发明基于水下电场通信理论设计出相应的分析方法，可分析多个智能体在水下进行电场通信、基于电场通信的组网和基于电场通信的定位时诸多的特性，软件可应用搭载至各种水下传感器或任意型态的机器人中上，提供多水下传感器或机器人之间进行通信、组网和定位时的数据处理分析平台，是实现水下群体智能技术的研究实例，可以广泛应用至多水下智能体、海洋潜舰间协作等实际场景中。本发明实现了量化分析水下电场通信、量化分析基于电场通信的水下组网和量化分析基于电场通信的水下定位的技术突破，搭建水下电场通信、组网、定位等多元功能的专业化分析方法。

分析多个智能体在水下进行电场通信、基于电场通信的组网和基于电场通信的定位时诸多的特性，软件可应用搭载至各种水下传感器或任意型态的机器人中上，提供多水下传感器或机器人之间进行通信、组网和定位时的数据处理分析平台

本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1为根据本发明实施例的水下电场通信分析方法的流程图；

图2为根据本发明实施例的发射/接收电极板等效电偶极子的原理图；

图3为根据本发明实施例的水下电场通信分析方法的示意图。

图4为根据本发明实施例的通信与定位所用的发射电极板结构图；

图5为根据本发明实施例的通信与定位所用的接收电极板结构图；

图6为根据本发明实施例的组网定位所用的节点结构图；

图7a和图7b分别为根据本发明实施例的通信部分的接收电势差图和电偶极子电场图；

图8a和图8b分别为根据本发明实施例的组网部分的连线图和组网图；

图9a和图9b分别为根据本发明实施例的组网部分的拓扑图和最优路径规划图；

图10a和图10b分别为根据本发明实施例的定位部分的节点定位图和电偶极子电场图。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

受自然界弱电鱼类可以主动发射和感知电场进而实现水下感知通信的启发，提出了一种水下电场通信技术。该水下电场通信技术具备通信稳定、功耗低和环境适应性强等优点。本发明在水下电场通信方法的基础上，基于电偶极子原理建立电场通信理论，推导出偶极子理论与实际通信(电压、电流)之间的映射函数，并依照上述研究成果，基于matlab设计出水下电场通信分析软件，且经过实验验证，确保软件分析的有效性。

图2为根据本发明实施例的电偶极子的原理图。如图2所示，

电偶极子理论公式:

映射函数:

实际电场通信公式:

其中，q代表发射电极等效电量，i0代表流过发射电极的电流，d1代表流过发射电极间距，d2代表流过接收电极间距，r代表收发电极距离，θ代表收发电极夹角，σ代表水的电导率，ε0代表真空介电常数，εr代表水的相对介电常数。

基于上述理论，本发明提出一种水下电场通信分析方法，该方法提供以下功能：(1)水下电场通信分析；(2)基于电场通信的水下组网分析；(3)基于电场通信的水下定位分析。

如图1和图3所示，本发明实施例的水下电场通信分析方法，包括如下步骤：

步骤s1，获取水下环境的参数、通信介质参数和电极板参数。其中，水下环境的面积通过x轴和y轴的坐标轴范围进行限定。

在本发明的实施例中，通信介质参数包括：相对介电常数和电导率；电极板参数包括：发射能量数据、发射/接收电极板间距、接收电极板最小辨识电压值。

在本发明的一个实施例中，发射能量包括以下一种:

(1)发射电极板的电量；

(2)发射电压、发射电极板间电容值；

(3)发射电流；

(4)发射电压、发射电极金属球半径。

步骤s2，当处于一般情况时：根据电偶极子公式计算接收电极板在相对于所述发射电极板的任意位置与偏角所接收到的电势差值，用户输入待观察的xyz轴坐标(四维图切片)，软件给出接收电极板在相应x-y平面与偏角z维度上所接收到的电势差分布四维图和发射电极板等效电偶极子的电场分布图。其中，图4和图5分别示出了发射电极板和接收电极板的结构图。

步骤s3，对所述电势差分布图和电场分布图进行分析，用户输入接收电极板x、y坐标与偏角z值，得到接收电极板所接收到的电势差值，以实现对水下电场的通信分析。图7a和图7b分别为根据本发明实施例的通信部分的接收电势差图和电偶极子电场图。

进一步，在步骤s1之后，当处于两种特殊情况(非一般情况)时，还包括如下步骤：

接收电极板围绕发射电极板转动，且偏航角保持圆切线或偏航角保持不变；

绘出接收电极板在x-y平面上任意一点接收到的电势差值与最远通信边界线图；

输入接收电极板围绕发射电极板转动时圆轨道半径，然后绘制出接收电极板圆轨道的电势差图和发射电极板等效电偶极子电场分布图；

对所述电势差图和电偶极子电场分布图进行图形数值分析，根据输入接收电极板的xy坐标值，计算得到接收电势差z值，以实现对水下电场的通信分析。

除了水下电场通信，本发明还在水下电场通信的基础上，建立多智能体水下电场组网与水下电场定位理论，并在水下电场通信分析软件下分别设计水下电场组网、定位分析功能，且经过实验验证，确保软件分析的有效性。

(2)进行水下组网分析，包括如下步骤：

(2.1)输入节点个数、各节点的位置和偏角(单一节点为同时具有发射与接收功能的电极板)；

(2.2)根据各个节点的偏角，绘制出各节点的连线图、组网图和拓扑图，

图8a和图8b分别为根据本发明实施例的组网部分的连线图和组网图。图9a为根据本发明实施例的组网部分的拓扑图。

在本发明的一个实施例中，节点的偏角为校正后的电极板角度或无校正的电极板角度。

(2.3)输入起始/结束节点序号，规划出电场信号传递最优路径；

图9b为根据本发明实施例的组网部分的最优路径规划图。

(2.4)输入任意两节点序号，查询以一个节点作为发射节点，另一个节点作为接收节点，接收节点电极板之间的电势差。

图6为根据本发明实施例的组网定位所用的节点结构图。

(3)电场定位分析

(3.1)绘制出发射电极板对接收电极板的定位场景图和发射电偶极子电场分布图；

其中，图4和图5分别示出了发射电极板和接收电极板的结构图。

图10a和图10b分别为根据本发明实施例的定位部分的节点定位图和电偶极子电场图。

(3.2)输入接收电极板接收到的来自发射电极板信号的四个电势差值；

(3.3)计算出所述接收电极板相对于所述发射电极板的x-y-偏角值，然后判断该x-y-偏角值是否超出最大定位范围，如果是则修正所述x-y-偏角值；

(3.4)更新当前接收电极板定位值(x-y-偏角)，判断是否将本次定位点的x-y-偏角值绘制在图中，如果是则绘制所述接收电极板相对于所述发射电极板的位置点和偏角，然后进一步判断是否结束定位。

本发明基于水下电场通信理论设计出相应的分析方法，可分析多个智能体在水下进行电场通信、基于电场通信的组网和基于电场通信的定位时诸多的特性，软件可应用搭载至各种水下传感器或任意型态的机器人中上，提供多水下传感器或机器人之间进行通信、组网和定位时的数据处理分析平台，是实现水下群体智能技术的研究实例，可以广泛应用至多水下智能体、海洋潜舰间协作等实际场景中。本发明实现了量化分析水下电场通信、量化分析基于电场通信的水下组网和量化分析基于电场通信的水下定位的技术突破，搭建水下电场通信、组网、定位等多元功能的专业化分析方法。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。本发明的范围由所附权利要求及其等同限定。