本發(fā)明涉及水下通信技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種面向水中機(jī)器人的水下通信方法。

背景技術(shù)：

隨著陸地資源的不斷消耗，海洋的開發(fā)越來越具有特殊的戰(zhàn)略地位和軍事價(jià)值，如果能在海域中建立水下通信網(wǎng)絡(luò)將會(huì)對(duì)國(guó)家的軍事、經(jīng)濟(jì)帶來更深的變革。同時(shí)，若能使水中多機(jī)器人相互通信，可以實(shí)現(xiàn)多機(jī)器人協(xié)作，通過機(jī)器人編隊(duì)完成單個(gè)機(jī)器人難以完成的復(fù)雜任務(wù)，提高工作效率。

然而與陸地和空間通信相比，海洋中通信網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展水平還很落后。特別是對(duì)能量和體積都有限的小型水中機(jī)器人來說，急需一種有效的水下通信方式。但是，水下通信技術(shù)一直是困擾人們的難題。比如，在陸地和太空中已經(jīng)非常發(fā)達(dá)的無線電通訊方法，由于存在嚴(yán)重的衰減，幾乎無法在水下工作；而水聲通信存在環(huán)境噪聲高、較大的多普勒頻移和多徑效應(yīng)等問題，若想把該方法應(yīng)用于小型水中機(jī)器人，還將面臨通信設(shè)備體積大、能耗高等問題；光學(xué)通信對(duì)水質(zhì)要求很高，無法在渾濁的水體中應(yīng)用。這些水下通信方法，雖然可滿足一定條件水中通信的要求，但對(duì)于小型水中機(jī)器人中通信方式的應(yīng)用都有各自的缺陷。

發(fā)明專利cn105827270a公開了一種面向水中機(jī)器人的水下通信裝置，具有應(yīng)用環(huán)境限制少、通信速率快、通信可靠性高、實(shí)時(shí)性好、通信延遲少、體積緊湊等優(yōu)點(diǎn)。該專利采用的是水中電場(chǎng)通信的方法，主要實(shí)現(xiàn)了通信裝置的建立以及實(shí)現(xiàn)水中機(jī)器人之間的雙向通信。目前該領(lǐng)域的研究正處于起步階段，且亟待出現(xiàn)針對(duì)該通信裝置實(shí)現(xiàn)多機(jī)器人通信的方法。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的旨在至少解決所述技術(shù)缺陷之一。

為此，本發(fā)明的目的在于提出一種面向水中機(jī)器人的水下通信方法，具有可靠性高，檢測(cè)信道狀態(tài)準(zhǔn)確、增減結(jié)點(diǎn)方便，通信干擾少，環(huán)境適應(yīng)性好、體積緊湊等優(yōu)點(diǎn)。

為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的實(shí)施例提供一種面向水中機(jī)器人的水下通信方法，包括如下步驟：

步驟s1，建立面向水中機(jī)器人的水下通信網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和水下通信網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，其中，所述水下通信網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)采用分布式設(shè)計(jì)，所述水下通信網(wǎng)絡(luò)協(xié)議采用分層設(shè)計(jì)，包括：物理層、數(shù)據(jù)鏈路層和應(yīng)用層；

步驟s2，基于上述面向水中機(jī)器人的水下通信網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和水下通信網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，利用水下通信網(wǎng)絡(luò)信道檢測(cè)設(shè)備，檢測(cè)水中機(jī)器人之間的通信是否存在電場(chǎng)信號(hào)，以根據(jù)檢測(cè)結(jié)果判斷信道狀態(tài)，以實(shí)現(xiàn)信道的監(jiān)聽；

步驟s3，當(dāng)有所述水中機(jī)器人請(qǐng)求發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，基于載波監(jiān)聽多點(diǎn)接入碰撞檢測(cè)(csma/ca：carriersensemultipleaccesswithcollisionavoidance)協(xié)議設(shè)計(jì)的水下電場(chǎng)通信數(shù)據(jù)鏈路層，在此之前檢測(cè)信道狀態(tài)，在確定信道空閑后，及時(shí)發(fā)送數(shù)據(jù)；若信道繁忙，則進(jìn)入隨機(jī)退避過程；

步驟s4，如果信道繁忙，則進(jìn)入隨機(jī)退避過程，所述隨機(jī)退避過程采用截?cái)喽M(jìn)制指數(shù)退避算法設(shè)計(jì)，其中，等待發(fā)送的結(jié)點(diǎn)在信道空閑后，退避一個(gè)隨機(jī)的時(shí)間后發(fā)送，以減小各結(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)出現(xiàn)碰撞的概率。

進(jìn)一步，在所述步驟s1中，采用分布式的水下通信網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中，各個(gè)結(jié)點(diǎn)自主運(yùn)動(dòng)，且以動(dòng)態(tài)方式與其他結(jié)點(diǎn)無線通信。

進(jìn)一步，在所述步驟s1中，所述物理層用于提供通信數(shù)據(jù)的調(diào)制解調(diào)、濾波放大和無線收發(fā)；

所述數(shù)據(jù)鏈路層用于實(shí)現(xiàn)多個(gè)所述水中機(jī)器人之間的鏈路上傳送以幀為單位數(shù)據(jù)，以確保信道資源的公平分配；

所述應(yīng)用層用于產(chǎn)生或響應(yīng)通信數(shù)據(jù)和指令、定義數(shù)據(jù)和指令的語法和語義，以確保所述水中機(jī)器人的微處理器識(shí)別數(shù)據(jù)和指令。

進(jìn)一步，所述數(shù)據(jù)鏈路層包括介質(zhì)訪問控制(mac：mediumaccesscontrol)協(xié)議，所述介質(zhì)訪問控制協(xié)議用于合理分配水下電場(chǎng)通信信道資源。

進(jìn)一步，在所述步驟s2中，所述水下通信網(wǎng)絡(luò)信道檢測(cè)設(shè)備包括：鎖相環(huán)和運(yùn)算放大器，其中，

所述鎖相環(huán)的輸入端與所述水中機(jī)器人的接收設(shè)備電路相連，用于將所述接收設(shè)備電路收到的電場(chǎng)信號(hào)發(fā)送至所述運(yùn)算放大器的反相輸入端；

所述運(yùn)算放大器的反相輸入端與所述鎖相環(huán)電路的輸出端相連，所述運(yùn)算放大器的同相輸入端接入一比較電平，用于對(duì)所述鎖相環(huán)的輸出電平和比較電平進(jìn)行比較，并將比較結(jié)果通過標(biāo)準(zhǔn)串行通信協(xié)議接口輸出至所述水中機(jī)器人的微控制器。

進(jìn)一步，在所述步驟s3中，

當(dāng)水中機(jī)器人請(qǐng)求發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，需要對(duì)信道進(jìn)行兩次檢測(cè)。

當(dāng)?shù)谝淮螜z測(cè)到信道空閑時(shí)，所述水中機(jī)器人在等待分布式幀間間隙(difs：distributedinter-framespacing)后，對(duì)信道進(jìn)行第二次檢測(cè)，否則返回第一次檢測(cè)，推遲發(fā)送數(shù)據(jù)；

當(dāng)?shù)诙螜z測(cè)到信道空閑時(shí)，則進(jìn)行發(fā)送，否則進(jìn)入隨機(jī)退避過程。

進(jìn)一步，在所述步驟s4中，所述的隨機(jī)退避過程，包括：

首先，確定基本退避時(shí)間，稱為時(shí)隙，記為τ；確定離散的整數(shù)集合[0，1，...，(2^k-1)]，稱為競(jìng)爭(zhēng)窗口；其中，參數(shù)k需要按照通信結(jié)點(diǎn)數(shù)量選取，當(dāng)結(jié)點(diǎn)數(shù)量較少時(shí)，可取為結(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)；再?gòu)母?jìng)爭(zhēng)窗口中選取一個(gè)隨機(jī)數(shù)，稱為退避數(shù)，記為r。

在隨機(jī)退避過程中，每等待一個(gè)時(shí)隙τ，檢測(cè)一次信道狀態(tài)，若此時(shí)信道空閑，則將退避數(shù)r減1，直到r減至0，可進(jìn)行數(shù)據(jù)發(fā)送；反之，則重復(fù)執(zhí)行等待時(shí)隙τ，判斷信道狀態(tài)的步驟，直到信道空閑。水中機(jī)器人至少需要等待r倍的τ才能進(jìn)行發(fā)送。

進(jìn)一步，在所述步驟s3之后，還包括如下步驟：

步驟s4，采用matlab仿真工具仿真通信協(xié)議的運(yùn)行，以及多個(gè)水中機(jī)器人的實(shí)際通信應(yīng)用，采用了動(dòng)態(tài)圖形式展示了協(xié)議的運(yùn)行過程。

根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的面向水中機(jī)器人的水下通信方法，將水下電場(chǎng)通信網(wǎng)絡(luò)協(xié)議分為物理層、數(shù)據(jù)鏈路層和應(yīng)用層，基于無線通信網(wǎng)絡(luò)載波監(jiān)聽多點(diǎn)接入碰撞檢測(cè)協(xié)議設(shè)計(jì)了水下電場(chǎng)通信網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)鏈路層mac協(xié)議，解決水中多機(jī)器人通信信道共享，產(chǎn)生相互碰撞等技術(shù)難題，有效降低通信誤碼率，提高通信速率。

本發(fā)明通過水下電場(chǎng)實(shí)現(xiàn)的通信過程并實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)信道狀態(tài)，基于csma/ca協(xié)議設(shè)計(jì)了數(shù)據(jù)鏈路層mac協(xié)議，根據(jù)截?cái)喽M(jìn)制指數(shù)退避算法設(shè)計(jì)了隨機(jī)退避過程，在水中機(jī)器人上進(jìn)行了實(shí)際應(yīng)用，解決了多結(jié)點(diǎn)水下電場(chǎng)通信時(shí)因信道共享發(fā)生碰撞的難題，可以有效的降低通信碰撞發(fā)生的概率，提高了網(wǎng)絡(luò)的吞吐量和可靠性，增強(qiáng)了通信網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定性，保證了整個(gè)裝置可靠性和擴(kuò)展性。

本發(fā)明附加的方面和優(yōu)點(diǎn)將在下面的描述中部分給出，部分將從下面的描述中變得明顯，或通過本發(fā)明的實(shí)踐了解到。

附圖說明

本發(fā)明的上述和/或附加的方面和優(yōu)點(diǎn)從結(jié)合下面附圖對(duì)實(shí)施例的描述中將變得明顯和容易理解，其中：

圖1為根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的面向水中機(jī)器人的水下通信方法的流程圖；

圖2為根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的面向水中機(jī)器人的水下通信協(xié)議運(yùn)行示意圖；

圖3為根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的信道狀態(tài)檢測(cè)電路圖；

圖4為根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的基于csma/ca協(xié)議的水下電場(chǎng)通信數(shù)據(jù)鏈路層mac協(xié)議的流程圖。

具體實(shí)施方式

下面詳細(xì)描述本發(fā)明的實(shí)施例，所述實(shí)施例的示例在附圖中示出，其中自始至終相同或類似的標(biāo)號(hào)表示相同或類似的元件或具有相同或類似功能的元件。下面通過參考附圖描述的實(shí)施例是示例性的，旨在用于解釋本發(fā)明，而不能理解為對(duì)本發(fā)明的限制。

本發(fā)明實(shí)施例提出一種面向水中機(jī)器人的水下通信方法，該方法適用于基于電場(chǎng)通信網(wǎng)絡(luò)的小型水中機(jī)器人的組網(wǎng)、通信、協(xié)作，有利于多個(gè)水中機(jī)器人協(xié)同完成任務(wù)，可以解決多個(gè)水中機(jī)器人通信發(fā)生沖突的問題，能夠適應(yīng)復(fù)雜環(huán)境，保障信息網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定性，并滿足通信實(shí)時(shí)性，是一種有效、實(shí)用的技術(shù)方案，應(yīng)用前景好。

如圖1所示，本發(fā)明實(shí)施例的面向水中機(jī)器人水下通信方法，包括如下步驟：

步驟s1，建立面向水中機(jī)器人的水下通信網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和水下通信網(wǎng)絡(luò)協(xié)議。

水下通信網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)采用分布式設(shè)計(jì)。在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，采用分布式的水下通信網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中，其特點(diǎn)是無中心，自組織，沒有固定的基礎(chǔ)設(shè)施，每個(gè)結(jié)點(diǎn)都可自主運(yùn)動(dòng)，且以動(dòng)態(tài)的方式保持與其他結(jié)點(diǎn)的聯(lián)系的無線網(wǎng)絡(luò)。

水下通信網(wǎng)絡(luò)協(xié)議采用分層設(shè)計(jì)，本發(fā)明的水下通信網(wǎng)絡(luò)協(xié)議是將水中機(jī)器人的水下通信網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧分為三層結(jié)構(gòu)，包括：物理層、數(shù)據(jù)鏈路層和應(yīng)用層。

(1)物理層用于提供通信數(shù)據(jù)的調(diào)制解調(diào)、濾波放大和無線收發(fā)等技術(shù)。

具體地，物理層為通信網(wǎng)絡(luò)中的最底層，負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的調(diào)制解調(diào)和無線收發(fā)。在發(fā)送端，將水中機(jī)器人數(shù)據(jù)鏈路層產(chǎn)生的數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換成能在水中傳播的電場(chǎng)信號(hào)。在接收端，檢測(cè)水中的電場(chǎng)信號(hào)，并通過濾波、放大，把信號(hào)恢復(fù)成發(fā)送端發(fā)來的數(shù)字信號(hào)。上述功能主要通過水中機(jī)器人的發(fā)送和接收設(shè)備執(zhí)行。

(2)數(shù)據(jù)鏈路層用于實(shí)現(xiàn)多個(gè)水中機(jī)器人之間的鏈路上傳送以幀為單位數(shù)據(jù)，以確保信道資源的公平分配。

在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，數(shù)據(jù)鏈路層包括mac協(xié)議，mac協(xié)議用于合理分配水下電場(chǎng)通信信道資源。

具體地，數(shù)據(jù)鏈路層負(fù)責(zé)在水中機(jī)器人之間的鏈路上傳送以幀為單位的數(shù)據(jù)，能在相互競(jìng)爭(zhēng)的水中機(jī)器人之間公平地分配信道資源，包括良好設(shè)計(jì)的mac協(xié)議。在發(fā)送端，數(shù)據(jù)鏈路層負(fù)責(zé)將應(yīng)用層的數(shù)據(jù)和指令封裝成帶有首部和尾部的幀，保證數(shù)據(jù)可以通過通信網(wǎng)絡(luò)成功地發(fā)送到目的地；在接收端，數(shù)據(jù)鏈路層負(fù)責(zé)把物理層接收到的二進(jìn)制數(shù)據(jù)重新組裝成幀，并上交給應(yīng)用層。上述功能主要通過水中機(jī)器人的微控制器執(zhí)行。

(3)應(yīng)用層用于產(chǎn)生或響應(yīng)通信數(shù)據(jù)和指令、定義數(shù)據(jù)和指令的語法和語義，以確保水中機(jī)器人的微處理器識(shí)別數(shù)據(jù)和指令，負(fù)責(zé)微處理器與微控制器之間的通信。

具體地，應(yīng)用層負(fù)責(zé)產(chǎn)生或響應(yīng)通信數(shù)據(jù)和指令，定義數(shù)據(jù)和指令的語法、語義，以及水中機(jī)器人的微處理器與微控制器之間的通信和語義、語法識(shí)別。上述功能主要通過水中機(jī)器人的微處理器、微控制器實(shí)現(xiàn)。

步驟s2，基于上述面向水中機(jī)器人的水下通信網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和水下通信網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，利用水下通信網(wǎng)絡(luò)信道檢測(cè)設(shè)備，檢測(cè)水中機(jī)器人之間的通信是否存在電場(chǎng)信號(hào)，以根據(jù)檢測(cè)結(jié)果判斷信道狀態(tài)，以實(shí)現(xiàn)信道的監(jiān)聽。

具體地，水下通信網(wǎng)絡(luò)信道檢測(cè)設(shè)備包括：鎖相環(huán)和運(yùn)算放大器。鎖相環(huán)的輸入端與水中機(jī)器人的接收設(shè)備電路相連，用于將接收設(shè)備電路收到的電場(chǎng)信號(hào)發(fā)送至運(yùn)算放大器的反相輸入端。運(yùn)算放大器的反相輸入端與鎖相環(huán)電路的輸出端相連，運(yùn)算放大器的同相輸入端接比較電平，用于對(duì)鎖相環(huán)的輸出電平和比較電平進(jìn)行比較，并將比較結(jié)果輸出至水中機(jī)器人的微控制器。

如圖3所示，信道閑忙檢測(cè)電路包括：鎖相環(huán)2、運(yùn)算放大器3、蓄電池4、滑動(dòng)變阻器5、電容6和電阻7。

具體地，上級(jí)電路通過端口1將電場(chǎng)信號(hào)發(fā)送至鎖相環(huán)2，經(jīng)鎖相環(huán)2檢測(cè)為電場(chǎng)通信信號(hào)后輸出。該信號(hào)為一矩形信號(hào)，經(jīng)過由電容6和電阻7組成的rc充放電電路后成為高電平信號(hào)，進(jìn)而輸出至運(yùn)算放大器3的反相輸入端。

蓄電池4的正極分為兩路，一路經(jīng)滑動(dòng)變阻器5與運(yùn)算放大器3的同相輸入端相連，另一路與運(yùn)算放大器3的正極相連，運(yùn)算放大器3的負(fù)極和電池4的負(fù)極均接地。

運(yùn)算放大器3將同相輸入端的電平信號(hào)與反相輸入端的電平信號(hào)進(jìn)行比較，將比較結(jié)果由運(yùn)算放大器3的輸出端輸出至水中機(jī)器人的微控制器，從而使水中機(jī)器人的微控制器得到信道空閑或繁忙狀態(tài)的標(biāo)志。將這一標(biāo)志通過標(biāo)準(zhǔn)串行通信協(xié)議接口傳至微控制器，可判斷信道狀態(tài)，滿足了協(xié)議對(duì)信道的“監(jiān)聽”的需求。

在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，通信信道的狀態(tài)可由鎖相環(huán)2是否將電場(chǎng)通信的脈沖信號(hào)傳遞至運(yùn)算放大器3的反相輸入端進(jìn)行判斷。其中，當(dāng)鎖相環(huán)2輸出脈沖信號(hào)時(shí)，運(yùn)算放大器3的同相輸入端電壓小于反相輸入端電壓，說明信道繁忙；反之，當(dāng)鎖相環(huán)2沒有輸出脈沖信號(hào)，運(yùn)算放大器3的同相輸入端電壓大于反相輸入端電壓，說明信道空閑。

步驟s3，當(dāng)有水中機(jī)器人請(qǐng)求發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，基于csma/ca協(xié)議設(shè)計(jì)的水下電場(chǎng)通信數(shù)據(jù)鏈路層，在此之前檢測(cè)信道狀態(tài)，在確定信道空閑后，及時(shí)發(fā)送數(shù)據(jù)；若信道繁忙，則進(jìn)入隨機(jī)退避過程。

水下電場(chǎng)通信數(shù)據(jù)鏈路層mac協(xié)議是基于csma/ca協(xié)議設(shè)計(jì)的，用于解決多各水中機(jī)器人通信信道分配，發(fā)送碰撞等技術(shù)難題。csma/ca協(xié)議是經(jīng)典的無線局域網(wǎng)協(xié)議，是無線局域網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)ieee802.11中重要的一員。csma/ca采用分布式協(xié)調(diào)方式接入信道。

基于csma/ca協(xié)議設(shè)計(jì)的水下電場(chǎng)通信數(shù)據(jù)鏈路層的mac協(xié)議，能夠在水中機(jī)器人發(fā)送數(shù)據(jù)前，先檢測(cè)信道閑忙，在確定信道空閑后，及時(shí)發(fā)送數(shù)據(jù)。若信道繁忙，則進(jìn)入根據(jù)隨機(jī)退避過程，各機(jī)器人通過信道競(jìng)爭(zhēng)，公平有序地發(fā)送數(shù)據(jù)。

下面參考圖4對(duì)介質(zhì)訪問控制協(xié)議的控制流程進(jìn)行說明。

具體地，當(dāng)水中機(jī)器人開始有數(shù)據(jù)需要通過水下通信信道發(fā)送時(shí)，該介質(zhì)訪問控制協(xié)議開始作用，需要對(duì)信道進(jìn)行兩次檢測(cè)。

當(dāng)?shù)谝淮螜z測(cè)到信道空閑時(shí)，所述水中機(jī)器人在等待difs后，對(duì)信道進(jìn)行第二次檢測(cè)，否則返回第一次檢測(cè)，推遲發(fā)送數(shù)據(jù)；

當(dāng)?shù)诙螜z測(cè)到信道空閑時(shí)，則進(jìn)行發(fā)送，否則進(jìn)入隨機(jī)退避過程。

步驟s4，如果信道繁忙，則進(jìn)入隨機(jī)退避過程，隨機(jī)退避過程采用截?cái)喽M(jìn)制指數(shù)退避(truncatedbinaryexponentialbackoff)算法設(shè)計(jì)。其中，等待發(fā)送的結(jié)點(diǎn)在信道空閑后，退避一個(gè)隨機(jī)的時(shí)間后發(fā)送，以減小各結(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)出現(xiàn)碰撞的概率。

具體的，設(shè)置稱為時(shí)隙(timeslot)的基本退避時(shí)間，從競(jìng)爭(zhēng)窗口(contentionwindow)選取隨機(jī)退避數(shù)。當(dāng)進(jìn)入隨機(jī)退避過程，往往是通信信道被其他正在發(fā)送數(shù)據(jù)的水中機(jī)器人占用，而當(dāng)該機(jī)器人完成數(shù)據(jù)發(fā)送后，其他機(jī)器人需要等待退避數(shù)倒數(shù)至0的時(shí)間，從而減小各機(jī)器人發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)出現(xiàn)碰撞的概率，并保證了各機(jī)器人能夠公平地接入信道。

隨機(jī)退避過程，包括：當(dāng)進(jìn)入隨機(jī)退避過程時(shí)，首先從競(jìng)爭(zhēng)窗口[0，1，...，(2^k-1)]隨機(jī)選取一個(gè)退避數(shù)，記為r。每等待一個(gè)時(shí)隙τ，檢測(cè)一次信道狀態(tài)，若此時(shí)信道空閑，則將退避數(shù)r減1，直到r減至0時(shí)，可進(jìn)行數(shù)據(jù)發(fā)送；反之，則重復(fù)執(zhí)行等待時(shí)隙τ，判斷信道狀態(tài)的步驟，直到信道空閑。水中機(jī)器人至少需要等待r倍的τ才能進(jìn)行發(fā)送。

本發(fā)明可使多水中機(jī)器人相互通信時(shí)，對(duì)信道的合理競(jìng)爭(zhēng)，確定發(fā)送順序，以實(shí)現(xiàn)對(duì)有限信道資源的分配，解決了該通信方法中多個(gè)機(jī)器人在同一時(shí)刻發(fā)送數(shù)據(jù)發(fā)生沖突的問題。

此外，在步驟s3之后，還包括如下步驟：

步驟s4，采用matlab仿真工具仿真通信協(xié)議的運(yùn)行，以及多個(gè)水中機(jī)器人的實(shí)際通信應(yīng)用，采用了動(dòng)態(tài)圖形式展示了協(xié)議的運(yùn)行過程。

matlab仿真根據(jù)水中機(jī)器人的水下通信協(xié)議的要求，設(shè)計(jì)了直觀、簡(jiǎn)單、有效的展示程序，并對(duì)發(fā)送、競(jìng)爭(zhēng)、等待等不同的情況做出展示，采用了動(dòng)態(tài)圖形式展示了協(xié)議的運(yùn)行過程。

具體地，如圖2所示，通過matlab仿真工具對(duì)通信協(xié)議的運(yùn)行進(jìn)行了仿真，展示3個(gè)結(jié)點(diǎn)依次對(duì)通信信道進(jìn)行競(jìng)爭(zhēng)，隨機(jī)退避的過程，包括從競(jìng)爭(zhēng)窗口中選擇退避數(shù)、等待、發(fā)送的過程。

結(jié)點(diǎn)1在t＝os時(shí)產(chǎn)生發(fā)送數(shù)據(jù)需求，檢測(cè)信道空閑，等待difs后發(fā)送(結(jié)點(diǎn)1子圖的第一個(gè)三角形所示)。

結(jié)點(diǎn)2、3分別在t＝0.15s和t＝0.2s產(chǎn)生發(fā)送數(shù)據(jù)需求，但檢測(cè)發(fā)現(xiàn)信道繁忙，因此從競(jìng)爭(zhēng)窗口中分別選取退避數(shù)3和5，進(jìn)入隨機(jī)退避過程。由于結(jié)點(diǎn)1占用了信道，結(jié)點(diǎn)2、3的退避數(shù)一直保持不變(如結(jié)點(diǎn)2、3子圖的第一個(gè)矩形所示)。

結(jié)點(diǎn)1在t＝0.4s發(fā)送完畢，結(jié)點(diǎn)2、3檢測(cè)到信道空閑，退避數(shù)開始減少。

結(jié)點(diǎn)2的退避數(shù)在t＝0.42s減少至0，進(jìn)行發(fā)送(如結(jié)點(diǎn)2子圖的第一個(gè)三角形所示)。結(jié)點(diǎn)3繼續(xù)等待。

結(jié)點(diǎn)1在t＝0.51s產(chǎn)生新的發(fā)送數(shù)據(jù)需求，它需要從競(jìng)爭(zhēng)窗口中選取新的退避數(shù)并進(jìn)行等待，這一退避數(shù)要大于結(jié)點(diǎn)3的退避數(shù)(如結(jié)點(diǎn)1子圖的第一個(gè)矩形所示)。

結(jié)點(diǎn)2在t＝0.82s發(fā)送完畢，結(jié)點(diǎn)1、3的檢測(cè)到信道空閑，退避數(shù)開始減少。隨后，結(jié)點(diǎn)3的退避數(shù)減少至0，進(jìn)行發(fā)送(如結(jié)點(diǎn)3子圖的第一個(gè)三角所示)。

之后的過程以此類推。

需要說明的是，由于結(jié)點(diǎn)選取退避數(shù)后未進(jìn)行發(fā)送前，每個(gè)時(shí)隙檢測(cè)信道狀態(tài)，只要檢測(cè)到信道空閑則退避數(shù)減1，而剛完成數(shù)據(jù)發(fā)送又產(chǎn)生發(fā)送數(shù)據(jù)需求的結(jié)點(diǎn)需要重新選取退避數(shù)，這一退避數(shù)通常大于未發(fā)送數(shù)據(jù)結(jié)點(diǎn)的退避數(shù)，從而使未發(fā)送數(shù)據(jù)的結(jié)點(diǎn)優(yōu)先發(fā)送，確保了各結(jié)點(diǎn)接入信道的公平性。

優(yōu)選的，本發(fā)明將競(jìng)爭(zhēng)窗口的參數(shù)定k選為3，從而競(jìng)爭(zhēng)窗口為[0，1，...，(2³-1)]，可以避免因退避數(shù)過大造成信道浪費(fèi)。

根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的面向水中機(jī)器人的水下通信方法，將水下電場(chǎng)通信網(wǎng)絡(luò)協(xié)議分為物理層、數(shù)據(jù)鏈路層和應(yīng)用層，基于無線通信網(wǎng)絡(luò)載波監(jiān)聽多點(diǎn)接入碰撞檢測(cè)協(xié)議設(shè)計(jì)了水下電場(chǎng)通信網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)鏈路層mac協(xié)議，解決水中多機(jī)器人通信信道共享，產(chǎn)生相互碰撞等技術(shù)難題，有效降低通信誤碼率，提高通信速率。

本發(fā)明通過水下電場(chǎng)實(shí)現(xiàn)的通信過程并實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)信道狀態(tài)，基于無線網(wǎng)絡(luò)載波監(jiān)聽多點(diǎn)接入碰撞檢測(cè)協(xié)議設(shè)計(jì)了數(shù)據(jù)鏈路層介質(zhì)訪問控制協(xié)議，根據(jù)截?cái)喽M(jìn)制指數(shù)退避算法設(shè)計(jì)了隨機(jī)退避過程，在水中機(jī)器人上進(jìn)行了實(shí)際應(yīng)用，解決了多結(jié)點(diǎn)水下電場(chǎng)通信時(shí)因信道共享發(fā)生碰撞的難題，可以有效的降低通信碰撞發(fā)生的概率，提高了網(wǎng)絡(luò)的吞吐量和可靠性，增強(qiáng)了通信網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定性，保證了整個(gè)裝置可靠性和擴(kuò)展性。

由于本發(fā)明是基于小范圍水域水下電場(chǎng)實(shí)現(xiàn)的，所以相對(duì)于傳統(tǒng)的水下聲學(xué)和光學(xué)通信網(wǎng)絡(luò)具有應(yīng)用環(huán)境限制少、通信速率快、通信可靠性高、實(shí)時(shí)性好、通信延遲少、體積緊湊等優(yōu)點(diǎn)，適應(yīng)于有限場(chǎng)水域下多機(jī)器人通信當(dāng)中。

本發(fā)明可以實(shí)現(xiàn)水中機(jī)器人的良好控制以及完成多樣化任務(wù)。具體的，利用本發(fā)明的水下通信協(xié)議，可以實(shí)現(xiàn)多個(gè)水中機(jī)器人之間的通信，多機(jī)器人協(xié)作任務(wù)，從而完成單個(gè)機(jī)器人難以完成的復(fù)雜任務(wù)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)了水中機(jī)器人編隊(duì)，提高工作效率。此外，本發(fā)明還可以用于水下大容量傳感器數(shù)據(jù)的收集。本發(fā)明可以應(yīng)用在在中小河水文監(jiān)測(cè)領(lǐng)域，方便的控制水下監(jiān)測(cè)設(shè)備完成多種檢測(cè)任務(wù)，并且操作簡(jiǎn)單，使用安全。

本發(fā)明適用于基于電場(chǎng)通信網(wǎng)絡(luò)的小型水中機(jī)器人的組網(wǎng)、通信、編隊(duì)，有利于多個(gè)水中機(jī)器人協(xié)同完成任務(wù)，作為一種有效、實(shí)用的技術(shù)方案，應(yīng)用前景看好。

在本說明書的描述中，參考術(shù)語“一個(gè)實(shí)施例”、“一些實(shí)施例”、“示例”、“具體示例”、或“一些示例”等的描述意指結(jié)合該實(shí)施例或示例描述的具體特征、結(jié)構(gòu)、材料或者特點(diǎn)包含于本發(fā)明的至少一個(gè)實(shí)施例或示例中。在本說明書中，對(duì)上述術(shù)語的示意性表述不一定指的是相同的實(shí)施例或示例。而且，描述的具體特征、結(jié)構(gòu)、材料或者特點(diǎn)可以在任何的一個(gè)或多個(gè)實(shí)施例或示例中以合適的方式結(jié)合。

盡管上面已經(jīng)示出和描述了本發(fā)明的實(shí)施例，可以理解的是，上述實(shí)施例是示例性的，不能理解為對(duì)本發(fā)明的限制，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員在不脫離本發(fā)明的原理和宗旨的情況下在本發(fā)明的范圍內(nèi)可以對(duì)上述實(shí)施例進(jìn)行變化、修改、替換和變型。本發(fā)明的范圍由所附權(quán)利要求及其等同限定。