本文摘要：摘要：針對水下機器人集群通信平臺在實際運用中，存在多普勒效應、易受水質和障礙物等影響產生誤碼的問題，提出一種基于弱電魚感知機理的水下仿生電場通信系統。該系統根據仿生電流場通信原理，通過兩對發射接收電極傳遞信號，設計了一套基于幅移鍵控原理的現場可編程
摘要：針對水下機器人集群通信平臺在實際運用中，存在多普勒效應、易受水質和障礙物等影響產生誤碼的問題，提出一種基于弱電魚感知機理的水下仿生電場通信系統。該系統根據仿生電流場通信原理，通過兩對發射接收電極傳遞信號，設計了一套基于幅移鍵控原理的現場可編程門陣列(FPGA)數模混合電路。首先，為實現平臺低功耗及小型化，模擬電路通過合理選型并進行畫板制版，具體的發射電路包含幅移鍵控調制電路以及半橋驅動放大電路，采用低零漂高精度儀表運放提取接受電極兩端電勢差;其次，為了提高水下機器人集群通信距離實時變化時通信系統的穩定性，通過FPGA增益控制數字電路控制可編程放大器實現自適應倍數放大;然后，采用FPGA模數轉換數字驅動電路驅動模數轉換芯片將模擬信號轉換為數字信號;最后，通過整流濾波數字電路整流后設計幅移鍵控非相干解調數字電路輸出二進制數據流后由串口電路傳輸至樹莓派中進行數據處理。仿真分析了不同尺寸不同形狀障礙物對水下電場通信影響，并進行水下通信實驗，結果表明：在淡水中電導率為487μS/cm條件下，所提出的水下電場通信系統可實現通信距離為2.4m時誤碼率為0%，且水下電場通信收發電極平行時，通信性能最佳。
關鍵詞：水下機器人;水下通信;數字通信系統;現場可編程門陣列
近年來，海洋機器人集群成為新型海洋裝備的發展趨勢與新型作戰模式[1]，并在海洋資源探測、海上救援以及水下考古等方面有著巨大應用前景[2]。推動水下機器人集群協同作業的關鍵技術主要在于解決水下機器人集群節點間快速穩定通信技術難題。對比于傳統的陸地上的集群通信方式[3-4]，水下通信條件更加嚴苛，陸地上的無線電磁波等無線通信方式在水下衰減較為嚴重，故無線電磁波水下基本不可能實現。
目前，水下無線通信方式主要分為，水下聲場通信，水下光通信以及水下電場通信[5-6]。其中，水下聲通信是利用聲波在水里傳播實現通信[7-8]。但還存在著傳輸速率低、帶競有限;容易受水質、水溫、水壓和水下噪聲的影響形成多路徑干擾信號和盲區等缺陷;水下光通信包括水下可見光通信、水下不可見光通信，以往研究表明由于這種技術受水下環境干擾嚴重，使得水下光通信技術在一定程度上受到制約[9-10]。
近年來多個國內外團隊利用電場本身所具有的高效通信能力，開始研究將水下仿生電場探測系統應用于水下多節點通信之中。1971年，Schultz在發表的文章中詳細介紹了水下電場通信的基本原理，并且將水下電場通信原理應用于潛水員，制作了一個水下通信裝置[11];2007年，來自新加坡信息通訊研究所的Joe等人采用水下電場原理進行了水下近場數字通信設備的研究，提出一種新型的電極板布局結構，能夠最大化提高水下電場通信的通信距離。
2009年，海軍工程大學譚濤等人基于FSK調制解調方案，采用AT89S52等芯片進行了潛水員水下近距離電場通信電路的研制，初步設計實現了一種近距離水下語音傳輸電路[13]。2010年，西北工業大學李斌等人在理論分析的基礎上，設計了一套基于數字信號處理器(DSP)的水下電場通信系統，實現了1m以內水下電場通信[14];近年來，北京大學謝廣明課題組設計實現了一款水下電場通信系統，并將該系統搭載于小型仿箱鲀機器魚上，通過水下實驗研究了影響水下電場通信因素，無誤碼條件下接收電極間距為1.5m時，通信距離可達到2.3m[15-19]。
哈爾濱工程大學薛偉課題組設計了一套基于電場通信技術的水下數字信號傳輸系統，可以在海洋環境中實現，通信頻率為31Hz的水下通信，當發射功率20W功率時，實現約30m遠距離語音通信[20-21]。根據上述國內外研究可以發現，目前水下電場通信已經實現了中遠距離的通信，大多數水下電流場通信設備尺寸較為龐大、功耗較大、大都為超低頻通信并且不能動態適應通信距離、實時調整系統的通信距離。
而水下機器人集群通信系統，由于群集要求，對通信設備尺寸以及功耗有所要求，并且需要根據距離不同實時調整通信系統的放大倍數、自適應調整通信距離。故本文將開展一種低功耗、輕量型的水下電場通信系統的設計與研制，為實現水下機器人智能集群協同作業奠定基礎。
1水下電流場通信的可行性分析
1.1基于電偶極子的水下電場通信原理
在自然界中，Gymnotid和Mormyrid這兩種魚類具備電感知能力，它們依靠這種能力進行信息的交流以及目標的定位探測，這種魚類被稱為弱電魚[22-23]。其中對于信息的交流，弱電魚通過自身的電器官放電(EOD)產生具有特定頻率與波形的電信號，而另一弱電魚可通過自身的電感受器官接收電信號，并通過神經系統進行識別該信號特征，這一過程稱為電場通信[24]。
與其他傳統水下通信方式相比，盡管電場通信距離較近，但電場通信穩定性更高，不易受環境干擾。據目前學者對弱電魚智能感知的機理研究，人們發現了基于電偶極子的水下電場通信模型。
水下電場通信是基于水下信道通過電流或者電場進行信號的傳輸。究其本質其實是一種電磁波傳輸。眾所周知，電磁波在傳輸過程中，會產生傳導電流與位移電流。而要實現水下電場通信，則需減小或者消除位移電流的影響，據目前國內外研究可知，當電磁波的頻率較低時，傳導電流占主要成分，位移電流可以忽略不計，這樣的電流場可稱為準靜態電場。由于分析交變電偶極子的性能仍然過于復雜，需要進一步簡化分析，限制系統工作在近場區域。據學者研究，如果工作區域半徑R滿足以下不等式，則近場假設成立[25]。
1.2水下電流場通信原理
與模擬通信相比，數字通信具有較高的抗噪聲能力，易于集成到微控制器中。因此，本論文采用數字通信方法對水下群集機器人進行電流場通信。通常，要使數字信號在有限帶寬的信道中傳輸，就必須用數字信號對載波進行調制與解調。目前，使用較為廣泛的調制方法主要為二進制幅移鍵控(2ASK)、二進制頻移鍵控(2FSK)以及二進制相移鍵控(2PSK)。
本論文設計的電場通信頻率為12kHz，在對通信速率要求并不很高的情況下，主要考慮的還是技術的可實現性問題，所以選用一種技術實現相對簡單的調制方式，決定選用2ASK調制方式。在2ASK調制中，載波的幅度只有兩種變化狀態，即利用數字信息0或1的基帶矩形脈沖去鍵控一個連續的載波，使載波時斷時續輸出。有載波輸出時表示發送1，無載波輸出時表示發送0。振幅鍵控信號的解調主要有包絡檢波法和同步檢測法兩種方法，后者又被稱為相干解調法。在大信噪比條件下，為了得到給定的誤碼率，相干解調法所要求的信噪比與包絡檢波法相近。
換句話說，在大信噪比條件下，這兩種檢測方法的抗噪聲性能相差并不多。但包絡解調工程實踐起來較為簡便，故本研究內容采用包絡解調。包絡解調主要由整流、低通濾波器、判決輸出以及位定時脈沖模塊組成，其中低通濾波器主要起包絡作用，通過位定時脈沖進行碼元同步進而判決輸出。
2電流場通信系統設計
為了實現小型化、可集成化、低功耗水下電場通信系統，設計一款模數融合的電流場通信系統。首先，單片機UART輸出一路基帶信號和一路PWM載波信號，通過ASK調制、功率放大電路將信號輸入至水中的一對發射電極，信號在水下信道中通過電流場進行傳播。集群機器人2通過一對接收電極接收信號，并通過差分放大、模數轉換電路輸入至FPGA芯片中進行數字整型濾波、解調、以及放大電路的自動增益控制，并由UART輸出至樹莓派中進行處理。
2.1電流場通信系統底板電路設計
為了實現水下機器人集群通信，進行了水下電場通信模擬電路的設計。首先，發射電路主要由基帶信號載波信號發生電路、2ASK調制電路以及信號放大電路組成。其中，載波信號與基帶信號由MCU產生，基于上一節理論推導可知，為滿足近場通信條件，載波頻率為12kHz，為了實現信號的調制，基帶信號采用串口600波特率傳輸速率。
2.2電流場通信系統數字邏輯電路設計
為了實現水下電場通信，關鍵在于信號的調制解調，本文采用2AKS數字解調方法。數字邏輯電路主要包括時鐘分頻模塊(ip_pll)、模數轉換驅動(ads8411)、整流濾波(commutator)、2ASK解調(AskDemod)、PGA增益控制(PGA_CONTRL)以及串口傳輸(uart_top)數字電路。
其中，模數轉換驅動電路將模擬電路中接收到的調制信號AD_Db[15:0]轉換為數字量Ad_DATA[15:0]，之后PGA增益控制(PGA_CONTRL)模塊通過提取ADS8411模數轉換波形電壓值，而后采用一系列數字比較器進行電壓比較分類，進而根據不同電壓值控制PGA_A0、PGA_A1、PGA_A2和PGA_A3輸出電平對PGA進行倍數控制，使得最終接收到的電信號幅值達到數字電路可解碼范圍，以實現對水下電場通信的微弱信號進行自適應放大控制。
FPGA數字電路的電壓區間與自適應控制倍數。其中 數字調制信號通過commutator對帶有噪音的調制信號進行歸一化處理得到commutator_out[7:0]。
由上一節可知本文采用包絡解調算法對調制信號進行解調。非相干解調數字電路AskDemod如圖10所示，主要由低通濾波器模塊(ip_fir)、符號判決門限模塊(Gate)和鎖相環位同步模塊(BitSync)組成。低通濾波器對調制信號進行包絡處理，得到基帶信號fir_data[13:0]。接著為了最大可能無差錯地在接收端還原出原始數據還需要對其進行符號定時及判決輸出，其中符號判決門限模塊基于256個采樣周期的基帶信號fir_data[13:0]求均值獲得最佳的判決門限mean[13:0]。
通過比較基帶信號與門限關系得到判決輸出信號cmpout;鎖相環位同步模塊需要產生與輸入數據頻率一致的位同步時鐘信號Sync，保證每一位數據判決一次，同時需要選擇信噪比最大的時刻對基帶波形進行判決，以提高判決的正確性，輸出基帶二進制碼流dataout。最后由uart_top串口傳輸電路的UART_TX端口輸出至樹莓派中。整個數字電路采用50MH系統時鐘sys_clk，由分頻電路產生clk1用于數字電路主要采樣頻率50kHz，clk2解調電路位同步驅動時鐘200kHz。
3實驗驗證及分析
3.1水下電場通信仿真建模分析
目前國內外的水下電流場模型都是基于電流進行建模，而目前大多數水下電場通信設備都是基于電壓的形式進行傳播，受水質及電極間距影響，發射電極之間的電流是不定的。本文基于電壓對水下電場通信進行仿真建模分析。
為了分析障礙物類型對水下電場通信影響，本文分別開展了不同尺寸的正方體和球型障礙物環境下，測量距發射電極5m處電場強度變化，其中尺寸分別代表正方體邊長以及球型障礙物的直徑。通過表可以看出，隨著障礙物尺寸的增加，測點的電場強度在不斷下降，并且通過球型障礙物后的電場強度比正方體的要高。
本實驗主要評估不同的PGA放大倍數對水下電場通信誤碼率的影響，由于受本水池長度的影響，完成了2.5m之內的通信試驗，設置最大放大倍數為40倍。在同一PGA放大倍數條件下，隨著距離的升高，水下電場通信信號衰減增大，接收極板感應到的電動勢減小，水下電場通信誤碼率在某一距離下從0%突變至100%，本文設計的水下電場通信采用了commutator整流濾波模塊，低于所設閾值輸出為零，因此當接收電路接收電壓低于閾值時，將不會被解碼，因此到達一定距離后，誤碼率急劇上升。
這一臨界值隨著PGA放大倍數的增大而增大，這是由于PGA倍數越大電路識別微弱信號的靈敏度越高。 其次，由于水下機器人集群通信時，各個個體之間并不是嚴格平行的，發射接收電極之間的角度對水下電場通信影響較大，故本文開展了如下實驗，該實驗裝置和水下電場通信距離實驗一樣，實驗條件為，通信距離1.5m，本實驗研究當接收電極固定，發射電極改變不同角度對通信性能的影響，定義虛線為發射電極與接收電極中線成0°位置，依次將發射電極逆時針旋轉每隔5°做一組實驗，測通信誤碼率。
當夾角為0°~10°、155°~180°時，通信誤碼率為100%，15°為7.88%、20°為0.46%、140°為0.25%、145°為0.72%、150°為1.1%，其他角度誤碼率為0%，由試驗結果可知，當接發電極平行時(90°)通信效率最高。相互垂直時(0°、180°)誤碼率達到100%。
根據電場通信理論可知，感應電動勢為一對發射電極產生的電場在一對接收電極處產生電勢差，當兩對電極平行時，所產生的電勢差為最大值;當兩對電極垂直時，所產生的電勢差最小。接收極板與發射極板由平行(夾角90°)趨于垂直(夾角0°、180°)過程中，接收極板兩電極之間的電勢差逐漸減小，直至夾角20°、150°時，此時電動勢為電路可識別最微弱電壓，故當夾角為20°~150°時，誤碼率基本維持在零點，不會產生誤碼。該結果與理論分析基本一致。
4結論
本文主要圍繞解決水下機器人集群通信系統大型化、高功耗、通信距離受限等問題，開展了如何建立水下電偶極子通信模型、如何更好地實現水下電場通信調制解調進行了研究，設計了一套基于水下電流場理論的低功耗數模混合集群通信系統，并開展了水下電場通信系統小型化制版實現。
為了驗證該系統的通信性能和可行性，本文開展了水下電場通信極限距離的測定實驗，得出在2.4m內本文水下電場通信系統的可行性且誤碼率為零的結論，驗證了收發電極之間的通信角度對水下電場通信性能的影響，當發射極板與接收極板中垂線夾角為0°~10°、155°~180°時，通信誤碼率為100%，15°為7.88%、20°為0.46%、140°為0.25%、145°為0.72%、150°為1.1%，其他角度誤碼率為0%。論證了水下電場通信理論接發電極角度對通信性能的影響，兩極板平行時通信性能最佳，兩極板垂直時誤碼率100%。
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作者：續丹1,2,3，余雷1，胡橋1,2,3,馮興龍1,陸濤1
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