近年來,海洋機(jī)器人集群成為新型海洋裝備的發(fā)展趨勢與新型作戰(zhàn)模式

,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的應(yīng)用前景

。推動(dòng)水下機(jī)器人集群協(xié)同作業(yè)的關(guān)鍵技術(shù)主要在于解決水下機(jī)器人集群節(jié)點(diǎn)間快速穩(wěn)定通信技術(shù)難題。

對(duì)比傳統(tǒng)的陸地上的集群通信方式

,水下通信條件更加嚴(yán)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(yán)重,故無線電磁波水下基本不可能實(shí)現(xiàn)。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

,其中水下聲通信是利用聲波在水里傳播實(shí)現(xiàn)通信

。但還存在著傳輸速率低、帶競有限;容易受水質(zhì)、水溫、水壓和水下噪聲的影響形成多路徑干擾信號(hào)和盲區(qū)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(shù)受水下環(huán)境干擾嚴(yán)重,使得水下光通信技術(shù)在一定程度上受到制約

。

患兒，男，年齡21 d。足月、平產(chǎn)，出生體質(zhì)量3 200 g。因出生當(dāng)日使用熱水袋保暖，熱水滲漏燙傷右上肢、右側(cè)腰、背、髖部與右大腿上外側(cè)，于傷后第3周轉(zhuǎn)入。入院時(shí)體檢:體溫36.5℃，心率143次/min，意識(shí)清楚，反應(yīng)良好;尚有約6% Ⅲ度創(chuàng)面未愈，其中右肘后創(chuàng)面約1%，右側(cè)腰、背、髖部與右大腿上外側(cè)約5%。創(chuàng)面黑、褐色痂殼覆著，已出現(xiàn)溶痂，損傷深度達(dá)皮下(圖1A)。血、尿、大便常規(guī)及生化檢查無明顯異常。入院診斷:新生兒燙傷后殘留創(chuàng)面(6%)、Ⅲ度。

李大頭帶著我，到不遠(yuǎn)處的一家勞保店，買了一床被子。粗糙的綠布面，里面的棉絮一團(tuán)一團(tuán)的，硌手，是垃圾棉。可我都這樣了，哪還有資格挑肥揀瘦，有個(gè)地方棲身就不錯(cuò)了。

近年來,多個(gè)國內(nèi)外團(tuán)隊(duì)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(tǒng)應(yīng)用于水下多節(jié)點(diǎn)通信之中。1971年,Schultz詳細(xì)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(yīng)用于潛水員,制作了一個(gè)水下通信裝置

;2007年,Joe等采用水下電場原理進(jìn)行了水下近場數(shù)字通信設(shè)備的研究,提出一種新型的電極板布局結(jié)構(gòu),能夠最大化提高水下電場通信的通信距離

;2009年,譚濤等基于FSK調(diào)制解調(diào)方案,采用AT89S52等芯片進(jìn)行了潛水員水下近距離電場通信電路的研制,初步設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了一種近距離水下語音傳輸電路

。2010年,李斌等在理論分析的基礎(chǔ)上,設(shè)計(jì)了一套基于數(shù)字信號(hào)處理器(DSP)的水下電場通信系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)了1 m以內(nèi)水下電場通信

;近年來,謝廣明課題組設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了一款水下電場通信系統(tǒng),并將該系統(tǒng)搭載于小型仿箱鲀機(jī)器魚上,通過水下實(shí)驗(yàn)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1.5 m時(shí),通信距離可達(dá)到2.3 m

。薛偉課題組設(shè)計(jì)了一套基于電場通信技術(shù)的水下數(shù)字信號(hào)傳輸系統(tǒng),可以在海洋環(huán)境中實(shí)現(xiàn),通信頻率為31 Hz的水下通信,當(dāng)發(fā)射功率為20 W時(shí),實(shí)現(xiàn)約30 m遠(yuǎn)距離語音通信

。

目前國內(nèi)外的水下電流場模型都是基于電流進(jìn)行建模,而大多數(shù)水下電場通信設(shè)備都是基于電壓的形式進(jìn)行傳播,受水質(zhì)及電極間距的影響,發(fā)射電極之間的電流是不定的。本文基于電壓對(duì)水下電場通信進(jìn)行仿真建模分析,建模參數(shù)如表2所示。對(duì)發(fā)射電偶極子施加12 kHz激勵(lì)信號(hào),電偶極子產(chǎn)生的電場分布呈對(duì)稱分布,如圖13所示。分別在相距電偶極子中點(diǎn)

軸方向上3、4、5 m處提取出電場強(qiáng)度,設(shè)定接收電極間距為1 m,則此時(shí)的電場強(qiáng)度即接收極板電勢差,接收電極電勢差如圖14所示,可知隨著距離的增加,電場強(qiáng)度呈逐漸衰減趨勢。

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

由于分析交變電偶極子的性能仍然過于復(fù)雜,需要進(jìn)一步簡化分析,限制系統(tǒng)工作在近場區(qū)域,如果工作區(qū)域半徑

滿足以下不等式,則近場假設(shè)成立

,即

(1)

(2)

包絡(luò)解調(diào)信號(hào)波形如圖11所示,可以完美地還原基帶信號(hào),接著通過UART傳輸電路將基帶信號(hào)傳輸至MCU中,水下電場通信接收到的數(shù)據(jù)如圖12所示。

電偶極子通信模型如圖2所示,圖中

與

表示一對(duì)滿足準(zhǔn)靜態(tài)電場的交變電偶極子,

是距電偶極子距離為

、角度為

的點(diǎn)。在

點(diǎn)處產(chǎn)生的電場強(qiáng)度為

(3)

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(jìn)行信息的交流以及目標(biāo)的定位探測,這種魚類被稱為弱電魚

。其中對(duì)于信息的交流,弱電魚通過自身的電器官放電(EOD)產(chǎn)生具有特定頻率與波形的電信號(hào),而另一弱電魚可通過自身的電感受器官接收電信號(hào),并通過神經(jīng)系統(tǒng)進(jìn)行識(shí)別該信號(hào)特征,這一過程稱為電場通信

。與其他傳統(tǒng)水下通信方式相比,盡管電場通信距離較近,但電場通信穩(wěn)定性更高,不易受環(huán)境干擾。據(jù)目前學(xué)者對(duì)弱電魚智能感知的機(jī)理研究,發(fā)現(xiàn)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(jìn)行信號(hào)的傳輸,究其本質(zhì)其實(shí)是一種電磁波傳輸。眾所周知,電磁波在傳輸過程中,會(huì)產(chǎn)生傳導(dǎo)電流與位移電流,而要實(shí)現(xiàn)水下電場通信,則需減小或者消除位移電流的影響。據(jù)目前國內(nèi)外研究可知,當(dāng)電磁波的頻率較低時(shí),傳導(dǎo)電流占主要成分,位移電流可以忽略不計(jì),這樣的電流場可稱為準(zhǔn)靜態(tài)電場。

(4)

可知,接收電極之間電勢差隨著

、

和

增大而增大,隨著距離

的增大而減小。

1.2 水下電流場通信原理

與模擬通信相比,數(shù)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(shù)字通信方法對(duì)水下群集機(jī)器人進(jìn)行電流場通信。通常,要使數(shù)字信號(hào)在有限帶寬的信道中傳輸,就必須用數(shù)字信號(hào)對(duì)載波進(jìn)行調(diào)制與解調(diào)。

目前,使用較為廣泛的調(diào)制方法主要為二進(jìn)制幅移鍵控(2ASK)、二進(jìn)制頻移鍵控(2FSK)以及二進(jìn)制相移鍵控(2PSK)。本論文設(shè)計(jì)的電場通信頻率為12 kHz,在對(duì)通信速率要求并不很高的情況下,主要考慮技術(shù)的可實(shí)現(xiàn)性問題,所以選用一種技術(shù)實(shí)現(xiàn)相對(duì)簡單的2ASK調(diào)制方式。在2ASK調(diào)制中,載波的幅度只有兩種變化狀態(tài),即利用數(shù)字信息0或1的基帶矩形脈沖去鍵控一個(gè)連續(xù)的載波,使載波時(shí)斷時(shí)續(xù)輸出。有載波輸出時(shí)表示發(fā)送1,無載波輸出時(shí)表示發(fā)送0。2ASK信號(hào)可以認(rèn)為是一個(gè)單極性的矩形脈沖序列與一個(gè)載波相乘,即

采用自動(dòng)舵技術(shù)，借助螺旋槳的推力和兩個(gè)螺旋槳的速度差來實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)航速和航向，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)按照預(yù)先設(shè)定的計(jì)劃的航線進(jìn)行精準(zhǔn)的走線、換線及回歸等功能。

由于經(jīng)過調(diào)制后的信號(hào)質(zhì)量較差,故在調(diào)制電路后使用SN74LS04NSR芯片U

,其中符號(hào)A代表非門輸入,Y代表非門輸出,本文采用雙非門對(duì)信號(hào)整形。由于調(diào)制信號(hào)在水下會(huì)存在衰減,故本文采用半橋放大電路對(duì)調(diào)制信號(hào)進(jìn)行放大。該電路主要由兩個(gè)NPN三極管、PNP三極管、電阻

、

以及可變電壓源

構(gòu)成。整形的調(diào)制信號(hào)再經(jīng)過非門實(shí)現(xiàn)電平翻轉(zhuǎn)后,流經(jīng)此放大電路。當(dāng)放大電路輸入為高電平時(shí),三極管Q

、Q

導(dǎo)通,三極管Q

截止,發(fā)射電極I、II低電平,發(fā)射電路電極板發(fā)射電壓0;當(dāng)放大電路輸入低電平時(shí),三極管Q

、Q

截止,三極管Q

飽和,發(fā)射電極I電勢為

,發(fā)射電極II接GND,發(fā)射電路電極板發(fā)射電壓

,由于

為可變電壓源,故可以通過調(diào)節(jié)

進(jìn)而改變發(fā)射電路輸出脈沖的電壓。

(

)=

(

)cos(

+

)=

(5)

式中:

(

)為持續(xù)時(shí)間

的矩形脈沖;

的取值服從以下關(guān)系

(6)

在本論文中,采用單片機(jī)產(chǎn)生PWM波為載波信號(hào),串口實(shí)現(xiàn)基帶信號(hào)的傳輸。

振幅鍵控信號(hào)的解調(diào)主要有包絡(luò)檢波法和同步檢測法兩種方法,同步檢測法又被稱為相干解調(diào)法。在大信噪比條件下,為了得到給定的誤碼率,相干解調(diào)法所要求的信噪比與包絡(luò)檢波法相近,即在大信噪比條件下,這兩種檢測方法的抗噪聲性能相差并不多,但包絡(luò)解調(diào)工程實(shí)踐起來較為簡便,故本研究內(nèi)容采用包絡(luò)解調(diào)。包絡(luò)解調(diào)主要由整流、低通濾波器、判決輸出以及位定時(shí)脈沖模塊組成,其中低通濾波器主要起包絡(luò)作用,通過位定時(shí)脈沖進(jìn)行碼元同步進(jìn)而判決輸出,ASK包絡(luò)解調(diào)原理圖如圖4所示。

2 電流場通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)

為了實(shí)現(xiàn)小型化、可集成化、低功耗水下電場通信系統(tǒng),設(shè)計(jì)一款模數(shù)融合的電流場通信系統(tǒng),水下電場通信系統(tǒng)如圖5所示。單片機(jī)UART輸出一路基帶信號(hào)和一路PWM載波信號(hào),通過ASK調(diào)制、功率放大電路將信號(hào)輸入至水中的一對(duì)發(fā)射電極,信號(hào)在水下信道中通過電流場進(jìn)行傳播。集群機(jī)器人2通過一對(duì)接收電極接收信號(hào),并通過差分放大、模數(shù)轉(zhuǎn)換電路輸入至FPGA芯片中進(jìn)行數(shù)字整型濾波、解調(diào)、以及放大電路的自動(dòng)增益控制,并由UART輸出至樹莓派中進(jìn)行處理。

植物中的花青素的合成受到很多因子的影響,其中,光是影響花青素合成的最為重要的環(huán)境因素[9-11]。在實(shí)際生產(chǎn)中,發(fā)現(xiàn)部分茄子在弱光條件下果皮中依舊有花青素合成。為了進(jìn)一步深入研究光誘導(dǎo)調(diào)控茄子花青素合成的機(jī)制,本研究對(duì)不同茄子種質(zhì)資源的光敏類型系統(tǒng)地進(jìn)行鑒定,利用高效液相色譜與質(zhì)譜聯(lián)用技術(shù),確定了光不敏感型茄子果皮中的花色苷種類。本研究為探究茄子中花青素合成的理論提供基礎(chǔ),深入研究茄子光敏性狀的調(diào)控基因和機(jī)制對(duì)茄科植物遺傳育種及工業(yè)生產(chǎn)具有重要意義。

2.1 電流場通信系統(tǒng)底板電路設(shè)計(jì)

為了實(shí)現(xiàn)水下機(jī)器人集群通信,進(jìn)行了水下電場通信模擬電路的設(shè)計(jì)。發(fā)射電路主要由基帶信號(hào)載波信號(hào)發(fā)生電路、2ASK調(diào)制電路以及信號(hào)放大電路組成,發(fā)射電路如圖6所示。圖6中載波信號(hào)與基帶信號(hào)由MCU產(chǎn)生,基于上一節(jié)理論推導(dǎo)可知,為滿足近場通信條件,載波頻率為12 kHz,為了實(shí)現(xiàn)信號(hào)的調(diào)制,基帶信號(hào)采用串口600波特率傳輸速率。2ASK調(diào)制電路主要由電阻

與二極管

構(gòu)成與邏輯電路。

1.1 研究對(duì)象 2016年10月至2018年3月在復(fù)旦大學(xué)附屬眼耳鼻喉科醫(yī)院眼科門診診斷為視野損害前青光眼（開角型）的患者。

2.抓好職工隊(duì)伍管理，實(shí)現(xiàn)“七化”工作目標(biāo)。要組織開展“兩個(gè)教育一個(gè)分析一個(gè)談心”活動(dòng)，每月開展一次職工思想政治教育，每月進(jìn)行一次職工思想動(dòng)態(tài)分析，每月不定期找?guī)酌写硇缘穆毠ふ勑慕涣?。并利用“一封家書”信箱，及時(shí)掌握職工的思想動(dòng)態(tài)，加強(qiáng)職工八小時(shí)以外的管理。推動(dòng)井站管理的精細(xì)化、規(guī)范化和程序化，實(shí)現(xiàn)“人際關(guān)系親情化，生產(chǎn)運(yùn)行標(biāo)準(zhǔn)化，油井管理精細(xì)化，素質(zhì)提升全面化，工作環(huán)境景觀化，班組效益最大化，挖潛增效節(jié)能化”的“七化”工作目標(biāo)。

20世紀(jì)80年代至90年代以來考古工作者在柴達(dá)木盆地持續(xù)執(zhí)著地對(duì)不可移動(dòng)文物的調(diào)查、對(duì)都蘭墓葬群連續(xù)不斷的搶救性發(fā)掘工作，為我們研究絲綢之路提供了嶄新的實(shí)物資料，同時(shí)具有廓清、實(shí)證絲綢之路青海道的存在及其重要意義。

根據(jù)以上設(shè)計(jì),本文開展了水下電場通信系統(tǒng)發(fā)射接收電路的布局布線以及制版實(shí)現(xiàn),以解決水下電場通信大型化弊端,便于水下機(jī)器人小型化,PCB板主要可分為電源管理電路、發(fā)射電路以及接收電路,電路板如圖8所示。

2.2 電流場通信系統(tǒng)數(shù)字邏輯電路設(shè)計(jì)

為了實(shí)現(xiàn)水下電場通信,關(guān)鍵在于信號(hào)的調(diào)制解調(diào),本文采用2AKS數(shù)字解調(diào)方法。水下電場通信數(shù)字系統(tǒng)如圖9所示,數(shù)字邏輯電路主要包括時(shí)鐘分頻模塊(ip_pll)、模數(shù)轉(zhuǎn)換驅(qū)動(dòng)(ads8411)、整流濾波(commutator)、2ASK解調(diào)(AskDemod)、PGA增益控制(PGA_CONTRL)以及串口傳輸(uart_top)數(shù)字電路。

數(shù)字調(diào)制信號(hào)通過commutator對(duì)帶有噪音的調(diào)制信號(hào)進(jìn)行歸一化處理得到commutator_out[7:0]。本文采用包絡(luò)解調(diào)算法對(duì)調(diào)制信號(hào)進(jìn)行解調(diào),非相干解調(diào)數(shù)字電路AskDemod如圖10所示,主要由低通濾波器模塊(ip_fir)、符號(hào)判決門限模塊(Gate)和鎖相環(huán)位同步模塊(BitSync)組成。低通濾波器對(duì)調(diào)制信號(hào)進(jìn)行包絡(luò)處理,得到基帶信號(hào)fir_data[13:0],為了最大可能無差錯(cuò)地在接收端還原出原始數(shù)據(jù),還需要對(duì)其進(jìn)行符號(hào)定時(shí)及判決輸出,其中符號(hào)判決門限模塊基于256個(gè)采樣周期的基帶信號(hào)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(hào)與門限關(guān)系得到判決輸出信號(hào)cmpout;鎖相環(huán)位同步模塊需要產(chǎn)生與輸入數(shù)據(jù)頻率一致的位同步時(shí)鐘信號(hào)Sync,保證每一位數(shù)據(jù)判決一次,同時(shí)需要選擇信噪比最大的時(shí)刻對(duì)基帶波形進(jìn)行判決,以提高判決的正確性,輸出基帶二進(jìn)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(gè)數(shù)字電路采用50 MHz系統(tǒng)時(shí)鐘sys_clk,由分頻電路產(chǎn)生clk1用于數(shù)字電路主要采樣頻率50 kHz,clk2解調(diào)電路位同步驅(qū)動(dòng)時(shí)鐘200 kHz。

模數(shù)轉(zhuǎn)換驅(qū)動(dòng)電路將模擬電路中接收到的調(diào)制信號(hào)Ad_dB[15:0]轉(zhuǎn)換為數(shù)字量Ad_DATA[15:0],之后PGA增益控制(PGA_CONTRL)模塊通過提取ADS8411模數(shù)轉(zhuǎn)換波形電壓值,而后采用一系列數(shù)字比較器進(jìn)行電壓比較分類,進(jìn)而根據(jù)不同電壓值控制PGA_A0、PGA_A1、PGA_A2和PGA_A3輸出電平對(duì)PGA進(jìn)行倍數(shù)控制,使得最終接收到的電信號(hào)幅值達(dá)到數(shù)字電路可解碼范圍,以實(shí)現(xiàn)對(duì)水下電場通信的微弱信號(hào)進(jìn)行自適應(yīng)放大控制。FPGA數(shù)字電路的電壓區(qū)間與自適應(yīng)控制倍數(shù)如表1所示,其中CTRL

為4 bit控制信號(hào),對(duì)PGA放大倍數(shù)進(jìn)行控制。

式中:

為波長;

為磁導(dǎo)率,

=1

257×10

H/m;

為電導(dǎo)率,

=5

64×10

S/m;

為電信號(hào)傳播角頻率,

=2π

;

為電信號(hào)傳播頻率。如此可得滿足準(zhǔn)靜態(tài)電場所對(duì)應(yīng)的通信頻率

曲線,如圖1所示。由圖1可以看出,隨著通信距離的增加,達(dá)到準(zhǔn)靜態(tài)電場條件的通信頻率逐漸降低,這是由于水下高頻電信號(hào)衰減較嚴(yán)重,并且本文擬設(shè)計(jì)水下機(jī)器人集群電場通信系統(tǒng),對(duì)通信速率有一定的要求,故本文采用12 kHz通信頻率。

3 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證及分析

3.1 水下電場通信仿真建模分析

根據(jù)上述研究可以發(fā)現(xiàn),目前水下電場通信已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了中遠(yuǎn)距離的通信,大多數(shù)水下電流場通信設(shè)備尺寸較為龐大、功耗較大、大都為超低頻通信并且不能動(dòng)態(tài)適應(yīng)通信距離、實(shí)時(shí)調(diào)整系統(tǒng)的通信距離。而水下機(jī)器人集群通信系統(tǒng),由于群集要求,對(duì)通信設(shè)備尺寸以及功耗有所要求,并且需要根據(jù)距離不同實(shí)時(shí)調(diào)整通信系統(tǒng)的放大倍數(shù)、自適應(yīng)調(diào)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(tǒng)的設(shè)計(jì)與研制,為實(shí)現(xiàn)水下機(jī)器人智能集群協(xié)同作業(yè)夯實(shí)基礎(chǔ)。

本文所設(shè)計(jì)電場通信系統(tǒng)應(yīng)用于水下機(jī)器人集群通信,則水下電場能否穿透障礙物至關(guān)重要。故本文進(jìn)一步對(duì)水下電場通信穿透障礙物進(jìn)行建模分析,如圖15所示。通過仿真結(jié)果可知,水下電場可以穿透障礙物,且不影響調(diào)制波形,但經(jīng)過障礙物后會(huì)有所衰減,如圖16所示。

為了分析障礙物類型對(duì)水下電場通信影響,本文分別測量了不同尺寸的正方體和球型障礙物環(huán)境下,距發(fā)射電極5 m處電場強(qiáng)度變化,結(jié)果如表3所示,其中尺寸分別代表正方體邊長以及球型障礙物的直徑。由表3可以看出,隨著障礙物尺寸的增加,測點(diǎn)的電場強(qiáng)度在不斷下降,并且通過球型障礙物后的電場強(qiáng)度比正方體的要高。

互聯(lián)網(wǎng)時(shí)代影響下的農(nóng)藥行業(yè)，爆品思維已變得越來越重要。在互聯(lián)網(wǎng)環(huán)境下，爆品戰(zhàn)略已上升為企業(yè)戰(zhàn)略，沒有爆品的企業(yè)很難生存下去，為什么呢？因?yàn)榛ヂ?lián)網(wǎng)上的信息透明，誰好誰壞，誰是第一品牌，一目了然，如我們熟悉的打車軟件，除滴滴、快的，你還知道誰？我們常用的共享單車，膜拜、小黃車之外，有人關(guān)注第三嗎？所以我們驚奇地發(fā)現(xiàn)互聯(lián)網(wǎng)時(shí)代沒有“小三”。

3.2 水下電場通信可行性分析

為了測試評(píng)估本文所設(shè)計(jì)的水下電場通信系統(tǒng),本文主要開展了兩個(gè)實(shí)驗(yàn)。側(cè)重點(diǎn)放在控制水下電場通信距離的指標(biāo)和水下電場通信距離指標(biāo)。

本實(shí)驗(yàn)設(shè)備采用的是兩套小型化水下電場通信系統(tǒng)、一對(duì)間距40 cm接收電極片(40 mm×40 mm×1 mm)、一對(duì)間距15 cm發(fā)射電極片(10 mm×10 mm×1 mm)、PC以及3 m×2 m×30 cm水池,水池中水的電導(dǎo)率實(shí)測為4.87×10

S/cm,其中小型化水下電場通信系統(tǒng)如圖17所示,實(shí)驗(yàn)設(shè)備如圖18所示。為了防水,本實(shí)驗(yàn)將電極板置于水池中,將水下電通信系統(tǒng)放在水池旁,并使用PC串口調(diào)試助手查看通信誤碼率。

河北省沿海區(qū)域的潮汐比較特殊，潮差非常小。平均高潮線、平均低潮線、0m線高程差較小，只有約30cm，通過無人機(jī)獲取的DEM，雖然從測繪角度上滿足1∶2000精度，但實(shí)際上無法對(duì)3條線（尤其是平均低潮線）進(jìn)行正確、有效的提取。下一步應(yīng)考慮開展海岸線附近區(qū)域LiDAR掃描工作，或采用LiDAR和水下地形測量相結(jié)合的方法獲取海岸帶更加精細(xì)的DEM。

本實(shí)驗(yàn)主要評(píng)估不同的PGA放大倍數(shù)對(duì)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2.5 m之內(nèi)的通信實(shí)驗(yàn),設(shè)置最大放大倍數(shù)為40,不同PGA放大倍數(shù)對(duì)通信距離誤碼率的影響如圖19所示。在同一PGA放大倍數(shù)條件下,隨著距離的升高,水下電場通信信號(hào)衰減增大,接收極板感應(yīng)到的電動(dòng)勢減小,水下電場通信誤碼率在某一距離下從0突變至100%,由圖19可知,本文設(shè)計(jì)的水下電場通信采用了commutator整流濾波模塊,低于所設(shè)閾值輸出為零,因此當(dāng)接收電路接收電壓低于閾值時(shí),將不會(huì)被解碼,因此到達(dá)一定距離后,誤碼率急劇上升。這一臨界值隨著PGA放大倍數(shù)的增大而增大,這是由于PGA倍數(shù)越大電路識(shí)別微弱信號(hào)的靈敏度越高。其次,由于水下機(jī)器人集群通信時(shí),各個(gè)個(gè)體之間并不是嚴(yán)格平行的,由式(3)可知,發(fā)射接收電極之間的角度對(duì)水下電場通信影響較大,故本文開展了水下電場通信角度實(shí)驗(yàn),如圖20所示,該實(shí)驗(yàn)裝置和水下電場通信距離實(shí)驗(yàn)一樣,通信距離為1.5 m,本實(shí)驗(yàn)研究當(dāng)接收電極固定,發(fā)射電極改變不同角度對(duì)通信性能的影響,定義虛線為發(fā)射電極與接收電極中線成0°位置,依次將發(fā)射電極逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)每隔5°做一組實(shí)驗(yàn),測量通信誤碼率。

角度對(duì)水下電場通信誤碼率影響如圖21所示,可知當(dāng)夾角為0°～10°、155°～180°時(shí),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,由實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知,當(dāng)接發(fā)電極平行時(shí)(90°)通信效率最高,相互垂直時(shí)(0°、180°)誤碼率達(dá)到100%。根據(jù)電場通信理論,可知感應(yīng)電動(dòng)勢為一對(duì)發(fā)射電極產(chǎn)生的電場在一對(duì)接收電極處產(chǎn)生電勢差,當(dāng)兩對(duì)電極平行時(shí),所產(chǎn)生的電勢差為最大值;當(dāng)兩對(duì)電極垂直時(shí),所產(chǎn)生的電勢差最小。由圖3可知,接收極板與發(fā)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,直至夾角為20°、150°時(shí),此時(shí)電動(dòng)勢為電路可識(shí)別最微弱電壓,故當(dāng)夾角為20°～150°時(shí),誤碼率基本維持在零點(diǎn),不會(huì)產(chǎn)生誤碼,該結(jié)果與理論分析基本一致。

4 結(jié) 論

本文主要圍繞解決水下機(jī)器人集群通信系統(tǒng)大型化、高功耗、通信距離受限等問題,對(duì)如何建立水下電偶極子通信模型、如何更好地實(shí)現(xiàn)水下電場通信調(diào)制解調(diào)進(jìn)行了研究,設(shè)計(jì)了一套基于水下電流場理論的低功耗數(shù)?；旌霞和ㄐ畔到y(tǒng),并開展了水下電場通信系統(tǒng)小型化制版實(shí)現(xiàn)。為了驗(yàn)證該系統(tǒng)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(shí)驗(yàn),得出在2.4 m內(nèi)本文水下電場通信系統(tǒng)的可行性且誤碼率為零的結(jié)論,驗(yàn)證了收發(fā)電極之間的通信角度對(duì)水下電場通信性能的影響,當(dāng)發(fā)射極板與接收極板中垂線夾角為0°～10°、155°～180°時(shí),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(fā)電極角度對(duì)通信性能的影響,兩極板平行時(shí)通信性能最佳,兩極板垂直時(shí)誤碼率為100%。

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[1] QIN Chuan, DU Jun, WANG Jingjing, et al. A hierarchical information acquisition system for AUV assisted Internet of underwater things [J]. IEEE Access, 2020, 8: 176089-176100.

[2] 丁文俊, 宋保維, 毛昭勇, 等. 海洋動(dòng)能發(fā)電裝置在水下探測航行器的安裝位置對(duì)發(fā)電性能的影響 [J]. 西安交通大學(xué)學(xué)報(bào), 2016, 50(1): 108-114.

DING Wenjun, SONG Baowei, MAO Zhaoyong, et al. Influence of installation position of ocean kinetic energy converter on the power generating performance in underwater detection vehicles [J]. Journal of Xi’an Jiaotong University, 2016, 50(1): 108-114.

[3] 張秋月, 張林讓, 谷亞彬, 等. 恒包絡(luò)OFDM雷達(dá)通信一體化信號(hào)設(shè)計(jì) [J]. 西安交通大學(xué)學(xué)報(bào), 2019, 53(6): 77-84.

ZHANG Qiuyue, ZHANG Linrang, GU Yabin, et al. Signal design of communication integration for radars with constant envelope OFDM [J]. Journal of Xi’an Jiaotong University, 2019, 53(6): 77-84.

[4] 楊洋, 張瑞智, 張杰, 等. 植入式醫(yī)療裝置的無線通信和能量收集電路 [J]. 西安交通大學(xué)學(xué)報(bào), 2018, 52(7): 160-166.

YANG Yang, ZHANG Ruizhi, ZHANG Jie, et al. A wireless communication and energy harvesting circuit for implantable medical devices [J]. Journal of Xi’an Jiaotong University, 2018, 52(7): 160-166.

[5] 邱逸凡, 李爽, 童峰. 一種淺海信道自適應(yīng)調(diào)制水聲通信方案 [J]. 艦船科學(xué)技術(shù), 2021, 43(19): 158-162.

QIU Yifan, LI Shuang, TONG Feng. A shallow sea channel adaptive modulation underwater acoustic communication scheme [J]. Ship Science and Technology, 2021, 43(19): 158-162.

[6] 謝廣明, 鄭君政, 王晨. 水下仿生電場感知綜述 [J]. 系統(tǒng)仿真學(xué)報(bào), 2020, 32(12): 2289-2305.

XIE Guangming, ZHENG Junzheng, WANG Chen. A survey on underwater bionic electric perception [J]. Journal of System Simulation, 2020, 32(12): 2289-2305.

[7] RAZA W, MA Xuefei, ALI A, et al. An implementation of partial transmit sequences to design energy efficient underwater acoustic OFDM communication system [EB/OL]. [2021-10-10]. https:∥arxiv.org/abs/2007.01273.

[8] TANG Nvzhi, ZENG Qian, LUO Dongyan, et al. Research on development and application of underwater acoustic communication system [C]∥Journal of Physics: Conference Series. Bristol, United Kingdom: IOP Publishing, 2020: 012036.

[9] AMANTAYEVA A, YERZHANOVA M, KIZILIRMAK R C. Multiuser MIMO for underwater visible light communication [C]∥2018 International Conference on Computing and Network Communications (CoCoNet). Piscataway, NJ, USA: IEEE, 2018: 164-168.

[10]SCHIRRIPA SPAGNOLO G, COZZELLA L, LECCESE F. Underwater optical wireless communications: overview [J]. Sensors, 2020, 20(8): 2261.

[11]SCHULTZ C W. Underwater communication using return current density [J]. Proceedings of the IEEE, 1971, 59(6): 1025-1026.

[12]JOE J, TOH S H. Digital underwater communication using electric current method [C]∥OCEANS 2007-Europe. Piscataway, NJ, USA: IEEE, 2007: 1-4.

[13]譚濤, 王永斌. 潛水員水下近距離簡易通信系統(tǒng)的設(shè)計(jì) [J]. 通信技術(shù), 2009, 42(8): 171-173.

TAN Tao, WANG Yongbin. Design of underwater close range wireless communication system for diver [J]. Communications Technology, 2009, 42(8): 171-173.

[14]吳志強(qiáng), 李斌. 基于電流場的水下高速數(shù)字通信方法及實(shí)現(xiàn) [J]. 傳感技術(shù)學(xué)報(bào),2010,23(11): 1590-1593.

WU Zhiqiang, LI Bin. An underwater high-speed digital communication solution using electric current method [J]. Chinese Journal of Sensors and Actuators, 2010, 23(11): 1590-1593.

[15]WANG Qinghao, LIU Ruijun, WANG Wei, et al. An electrocommunication system using FSK modulation and deep learning based demodulation for underwater robots [C]∥2020 IEEE/RSJ International Conference on Intelligent Robots and Systems (IROS). Piscataway, NJ, USA: IEEE, 2020: 1699-1704.

[16]ZHANG Han, WANG Wei, ZHOU Yang, et al. CSMA/CA-based electrocommunication system design for underwater robot groups [C]∥2017 IEEE/RSJ International Conference on Intelligent Robots and Systems (IROS). Piscataway, NJ, USA: IEEE, 2017: 2415-2420.

[17]ZHOU Yang, WANG Wei, DENG Hanbo, et al. Communication distance correlates positively with emitter current in underwater electric current communication [C]∥2016 35th Chinese Control Conference (CCC). Piscataway, NJ, USA: IEEE, 2016: 6397-6402.

[18]ZHOU Yang, WANG Wei, ZHANG Han, et al. Communication distance correlates positively with electrode distance in underwater electrocommunication [C]∥2018 IEEE International Conference on Robotics and Biomimetics (ROBIO). Piscataway, NJ, USA: IEEE, 2018: 88-93.

[19]ZHU Qixin, XIONG Wei, LIU Hongli, et al. A brief review of underwater electric current communication [C]∥2016 IEEE 20th International Conference on Computer Supported Cooperative Work in Design (CSCWD). Piscataway, NJ, USA: IEEE, 2016: 465-469.

[20]XUE Wei, SHU Xin. The analysis and optimization on electromagnetic compatibility for printed circuit board [C]∥Proceedings of International Conference on Information Sciences, Machinery, Materials and Energy (ICISMME 2015). [S.l.]: [s.n.], 2015: 1297-1300.

[21]WU Xiangshang, XUE Wei, SHU Xin. Design and implementation of underwater wireless electromagnetic communication system [C]∥AIP Conference Proceedings. USA: American Institute of Physics, 2017: 020022.

[22]LISSMANN H W, MACHIN K E. The mechanism of object location in Gymnarchus Niloticus and similar fish [J]. Journal of Experimental Biology, 1958, 35(2): 451-486.

[23]MOLLER P. Electric fishes: history and behavior [M]. London: Chapman and Hall, 1995.

[24]KRAMER B. Electroreception and communication in fishes [M]. Stuttgart: Gustav Fischer, 1996.

[25]WANG Wei, LIU Jindong, XIE Guangming, et al. A bio-inspired electrocommunication system for small underwater robots [J]. Bioinspiration & Biomimetics, 2017, 12(3): 036002.