摘 要：本文探索了仿生魚(yú)行為算法在水下機(jī)器人協(xié)同通信中的應(yīng)用。通過(guò)模擬魚(yú)群的集體行為和通信機(jī)制，該算法為水下機(jī)器人提供了新思路和方法。試驗(yàn)驗(yàn)證發(fā)現(xiàn)，與單獨(dú)采用一種通信方式相比，仿生魚(yú)行為算法能夠在水下環(huán)境中有效提高通信效率和可靠性。該研究為水下機(jī)器人的應(yīng)用領(lǐng)域拓展和通信技術(shù)改進(jìn)提供了重要參考，具有重要的理論和實(shí)踐意義。

關(guān)鍵詞：水下機(jī)器人；協(xié)同通信；仿生魚(yú)行為算法；水下通信；環(huán)境感知

中圖分類(lèi)號(hào)：TP 24" " " " " 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

在水下機(jī)器人技術(shù)飛速發(fā)展的背景下，水下通信面臨諸多挑戰(zhàn)。傳統(tǒng)的無(wú)線通信在水下環(huán)境中會(huì)出現(xiàn)信號(hào)衰減和多路徑傳播等問(wèn)題，導(dǎo)致通信效率低下，限制了機(jī)器人應(yīng)用和任務(wù)執(zhí)行能力[1]。因此，尋找更適應(yīng)水下環(huán)境的通信方式迫在眉睫。

仿生魚(yú)行為算法從魚(yú)群通信角度出發(fā)，模擬魚(yú)群集體行為和通信機(jī)制，為水下機(jī)器人協(xié)同通信提供新思路。仿生魚(yú)行為算法能使水下機(jī)器人更好地適應(yīng)水下環(huán)境，提高通信效率和可靠性，拓展應(yīng)用領(lǐng)域，例如海洋科學(xué)、海底資源勘探和水下救援等[2]。本文旨在探索仿生魚(yú)行為算法在水下機(jī)器人協(xié)同通信中的應(yīng)用，以提升其通信能力，促進(jìn)其在各領(lǐng)域廣泛應(yīng)用。

1 水下通信挑戰(zhàn)

水下通信中，傳統(tǒng)無(wú)線通信技術(shù)受到限制。在水下環(huán)境中，信號(hào)受水的吸收和散射的影響，會(huì)出現(xiàn)衰減嚴(yán)重，傳統(tǒng)的無(wú)線通信難以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離傳輸，通信距離受到嚴(yán)重限制。同時(shí)，水下環(huán)境中存在多種反射、折射和散射現(xiàn)象，會(huì)引起信號(hào)多路徑傳播，增加信號(hào)時(shí)延和失真，降低通信質(zhì)量。除此之外，水下通信頻段受限，頻段間的穿透性差異明顯，傳統(tǒng)無(wú)線通信頻譜選擇和利用受到限制。水下環(huán)境中存在各種干擾和噪聲源，例如聲納信號(hào)、船只發(fā)動(dòng)機(jī)聲等，會(huì)干擾無(wú)線通信信號(hào)，進(jìn)一步降低通信的可靠性和穩(wěn)定性[3]。

同時(shí)，水下環(huán)境的特點(diǎn)和通信需求也對(duì)水下通信提出了要求。水的高度吸收性導(dǎo)致信號(hào)衰減迅速，通信距離受限，而多路徑傳播現(xiàn)象也會(huì)增加信號(hào)時(shí)延和失真，使數(shù)據(jù)傳輸受到影響。水下環(huán)境地形復(fù)雜、水流動(dòng)態(tài)變化，需要水下通信系統(tǒng)具有適應(yīng)不同環(huán)境條件和任務(wù)需求的能力。另外，水下機(jī)器人的能源有限，需要設(shè)計(jì)低功耗的通信系統(tǒng)，以延長(zhǎng)水下機(jī)器人的工作時(shí)間，提高其任務(wù)執(zhí)行能力[4]。

2 水下機(jī)器人協(xié)同通信的仿生魚(yú)行為算法模型

2.1 魚(yú)群通信特點(diǎn)和機(jī)制

魚(yú)群通信是自然界中一種高度復(fù)雜且高效的通信形式[5]，深入研究其特點(diǎn)和機(jī)制對(duì)設(shè)計(jì)水下機(jī)器人的協(xié)同通信系統(tǒng)具有重要意義。

魚(yú)群通常通過(guò)視覺(jué)、聲音和化學(xué)信號(hào)等多種方式進(jìn)行通信。這種多模態(tài)通信使魚(yú)群能夠在不同的環(huán)境條件下進(jìn)行信息交流，增強(qiáng)了通信的靈活性和可靠性。魚(yú)群的個(gè)體間通過(guò)局部交互實(shí)現(xiàn)整體的協(xié)同行為。相鄰個(gè)體間的簡(jiǎn)單交互可以傳遞信息并引導(dǎo)整個(gè)群體向共同目標(biāo)前進(jìn)，體現(xiàn)了分布式的通信方式。群通信中的決策過(guò)程是分布式的，沒(méi)有明確的中央指揮者。每個(gè)個(gè)體根據(jù)周?chē)h(huán)境和鄰近個(gè)體的狀態(tài)做出決策，通過(guò)局部交互實(shí)現(xiàn)整體的協(xié)同行動(dòng)。

2.2 仿生魚(yú)行為算法

2.2.1 信息傳遞模型

水下機(jī)器人通過(guò)傳感器感知周?chē)h(huán)境，包括水質(zhì)、顆粒濃度和光照強(qiáng)度等。根據(jù)環(huán)境感知結(jié)果和任務(wù)需求，機(jī)器人可決定傳遞信息的方式，例如電磁信號(hào)、聲波信號(hào)或光學(xué)信號(hào)，以傳遞特定的信息。接收到信息的其他機(jī)器人會(huì)根據(jù)信號(hào)類(lèi)型和內(nèi)容進(jìn)行相應(yīng)的行動(dòng)調(diào)整。

設(shè)每個(gè)水下機(jī)器人Ri在時(shí)間t選擇傳遞信息的概率為pit，其中0≤pit≤1。假設(shè)水下機(jī)器人Ri采用電磁信號(hào)、聲波信號(hào)或光學(xué)信號(hào)展示3種方式進(jìn)行信息傳遞，分別用cit、sit和vit表示每種方式的概率，并滿(mǎn)足cit+sit+bit=1。每個(gè)水下機(jī)器人在時(shí)間t選擇發(fā)送信息的概率pit如公式（1）所示。

pit=cit?pici+sit?ptsi+vit?ptvi （1）

式中：pici、ptsi和ptvi分別為水下機(jī)器人Ri選擇電磁信號(hào)、聲波信號(hào)或光學(xué)信號(hào)的概率，可根據(jù)任務(wù)需求和環(huán)境情況進(jìn)行調(diào)節(jié)。

2.2.2 領(lǐng)導(dǎo)者跟隨機(jī)制

在群體中，某些機(jī)器人可能具有更好的感知能力，可被選為領(lǐng)導(dǎo)者。領(lǐng)導(dǎo)者根據(jù)任務(wù)需求和環(huán)境情況做出相應(yīng)行動(dòng)，例如改變運(yùn)動(dòng)方向、釋放特定信號(hào)等。其他機(jī)器人跟隨領(lǐng)導(dǎo)者的行動(dòng)，并調(diào)整自己的行動(dòng)或者通信方式，以保持整個(gè)群體的協(xié)同性。

假設(shè)存在一個(gè)領(lǐng)導(dǎo)者水下機(jī)器人RL，其他機(jī)器人根據(jù)領(lǐng)導(dǎo)者的行動(dòng)進(jìn)行調(diào)整。設(shè)水下機(jī)器人Ri對(duì)領(lǐng)導(dǎo)者的跟隨程度為fit，其中0≤fit≤1，水下機(jī)器人Ri在時(shí)間t的行動(dòng)Ait如公式（2）所示。

Ait=fit?ALt+（1-fit）?Ait-1 （2）

式中：ALt為領(lǐng)導(dǎo)者的行動(dòng)；Ait-1為水下機(jī)器人Ri上個(gè)時(shí)間點(diǎn)的個(gè)體行動(dòng)。

2.2.3 協(xié)同行動(dòng)策略

水下機(jī)器人通過(guò)相互作用和信息傳遞實(shí)現(xiàn)協(xié)同行動(dòng)，例如集群聚集、集體搜索等。這種協(xié)同行動(dòng)策略有助于提高機(jī)器人群體的生存能力和適應(yīng)性。假設(shè)有多個(gè)水下機(jī)器人組成一個(gè)群體，每個(gè)機(jī)器人的行動(dòng)受周?chē)鷻C(jī)器人的影響。設(shè)每個(gè)水下機(jī)器人Ri的行動(dòng)對(duì)周?chē)鷻C(jī)器人的影響程度為wijt，其中0≤wijt≤1。水下機(jī)器人Ri在時(shí)間t的行動(dòng)Ait如公式（3）所示。

（3）

式中：N為水下機(jī)器人的數(shù)量；Ajt是水下第j個(gè)機(jī)器人Rj在時(shí)間t的行動(dòng)。

這種協(xié)同行動(dòng)策略能使機(jī)器人群體高效協(xié)同工作，充分利用每個(gè)機(jī)器人的能力和信息，從而提高整體任務(wù)的完成效率和成功率。在復(fù)雜的水下環(huán)境中，通過(guò)相互作用和信息傳遞，機(jī)器人能夠靈活應(yīng)對(duì)各種挑戰(zhàn)，實(shí)現(xiàn)高效的集體行動(dòng)。

3 算法實(shí)現(xiàn)

仿生魚(yú)行為算法是一種基于仿生學(xué)原理的通信策略，可模擬魚(yú)群的集體行為和協(xié)同機(jī)制并優(yōu)化水下機(jī)器人的通信效率和可靠性。整個(gè)算法的流程，從環(huán)境數(shù)據(jù)的獲取到最終通信策略的選擇，形成了一個(gè)閉環(huán)決策控制系統(tǒng)。該過(guò)程是持續(xù)的，機(jī)器人不斷獲取傳感器數(shù)據(jù)，實(shí)時(shí)更新和優(yōu)化自身的通信策略。

3.1 設(shè)定參數(shù)閾值

在仿生魚(yú)行為算法中，需要為水下環(huán)境中的關(guān)鍵參數(shù)設(shè)定閾值。本文將水質(zhì)指數(shù)超過(guò)0.6、水流速度超過(guò)0.5 m/s和溫度超過(guò)25℃作為閾值。

水質(zhì)是水下環(huán)境中一個(gè)重要指標(biāo)，直接影響水下生物的生存和水下機(jī)器人的操作。當(dāng)水質(zhì)指數(shù)超過(guò)0.6時(shí)，表示水中含有較多污染物質(zhì)，例如懸浮顆粒、有機(jī)物等，可能會(huì)影響水下機(jī)器人的傳感器性能和通信質(zhì)量，需要特殊的通信方式進(jìn)行傳輸。水流速度是水下環(huán)境中的一項(xiàng)重要參數(shù)，會(huì)影響水下機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)軌跡和姿態(tài)穩(wěn)定性。當(dāng)水流速度超過(guò)0.5 m/s時(shí)，可能會(huì)對(duì)水下機(jī)器人的移動(dòng)和操作產(chǎn)生較大影響，需要使用聲波信號(hào)等適用于流速較大情況的通信方式。水下環(huán)境中的溫度變化對(duì)水下機(jī)器人的電子設(shè)備和機(jī)械結(jié)構(gòu)均有一定影響。當(dāng)水下溫度超過(guò)25℃時(shí)，可能會(huì)導(dǎo)致水下機(jī)器人散熱困難，影響其性能和穩(wěn)定性，需要采取相應(yīng)的措施，以保證通信的可靠性。

3.2 通信方式判斷

水下機(jī)器人通過(guò)傳感器持續(xù)獲取環(huán)境數(shù)據(jù)，包括水質(zhì)、水流速度和溫度等。這些數(shù)據(jù)被實(shí)時(shí)采集并傳輸至算法模塊進(jìn)行處理。

仿生魚(yú)行為算法根據(jù)水下機(jī)器人感知的環(huán)境信息和任務(wù)需求動(dòng)態(tài)確定通信方式，包括感知和評(píng)估水質(zhì)、顆粒濃度和光照強(qiáng)度等因素。根據(jù)感知結(jié)果，機(jī)器人采用電磁信號(hào)、聲波信號(hào)或光學(xué)信號(hào)進(jìn)行信息傳遞，以對(duì)特定信息進(jìn)行最優(yōu)化傳遞。根據(jù)傳感器數(shù)據(jù)和已知條件，計(jì)算每種通信方式的選擇概率。根據(jù)給定的模型，可以使用公式（1）進(jìn)行計(jì)算。根據(jù)計(jì)算出的各通信方式的選擇概率，以一定的概率分布選擇通信方式?？梢允褂秒S機(jī)選擇方法，也可根據(jù)設(shè)定的閾值進(jìn)行選擇。關(guān)鍵代碼如下所示。

# 獲取傳感器數(shù)據(jù)

def get_sensor_data（）：

water_quality = # 獲取水質(zhì)數(shù)據(jù)

particle_concentration = # 獲取顆粒濃度數(shù)據(jù)

light_intensity = # 獲取光照強(qiáng)度數(shù)據(jù)

return water_quality， particle_concentration， light_intensity

# 計(jì)算通信方式的選擇概率

def calculate_communication_probabilities（water_quality， particle_concentration， light_intensity）：

# 根據(jù)傳感器數(shù)據(jù)計(jì)算選擇概率，這里為隨機(jī)生成概率

electromagnetic_probability = random.uniform（0， 1）

acoustic_probability = random.uniform（0， 1）

optical_probability = random.uniform（0， 1）

return electromagnetic_probability， acoustic_probability， optical_probability

# 根據(jù)概率選擇通信方式

def choose_communication_method（electromagnetic_probability， acoustic_probability， optical_probability）：

communication_methods = ['electromagnetic'， 'acoustic'， 'optical']

probabilities = [electromagnetic_probability， acoustic_probability， optical_probability]

chosen_method = random.choices（communication_methods， weights=probabilities）[0]

return chosen_method

# 主控制模塊，執(zhí)行通信傳遞方式選擇的過(guò)程

def communication_module（）：

water_quality， particle_concentration， light_intensity = get_sensor_data（）

electromagnetic_probability， acoustic_probability， optical_probability = calculate_communication_probabilities（water_quality， particle_concentration， light_intensity）

chosen_method = choose_communication_method（electromagnetic_probability， acoustic_probability， optical_probability）

return chosen_method

上述代碼模擬了水下機(jī)器人在獲取傳感器數(shù)據(jù)后，根據(jù)環(huán)境條件動(dòng)態(tài)選擇通信方式的過(guò)程。首先，通過(guò)get_sensor_data函數(shù)獲取水下環(huán)境的水質(zhì)、顆粒濃度和光照強(qiáng)度等傳感器數(shù)據(jù)。其次，利用calculate_communication_probabilities函數(shù)并根據(jù)傳感器數(shù)據(jù)計(jì)算出電磁信號(hào)、聲波信號(hào)和光學(xué)信號(hào)的選擇概率。再次，利用choose_communication_method函數(shù)并根據(jù)概率選擇最優(yōu)通信方式。最后，在主控制模塊communication_module中，整合數(shù)據(jù)獲取、概率計(jì)算和通信方式選擇的過(guò)程，并輸出最終選擇的通信方式。整個(gè)過(guò)程模擬了水下機(jī)器人根據(jù)實(shí)時(shí)環(huán)境信息自適應(yīng)選擇通信方式的機(jī)制。

3.3 跟隨模式

在通信方式選擇中，公式（2）可以用來(lái)調(diào)整非領(lǐng)導(dǎo)者水下機(jī)器人的通信方式，以使其與領(lǐng)導(dǎo)者保持協(xié)同性。具體來(lái)說(shuō)，非領(lǐng)導(dǎo)者水下機(jī)器人可以根據(jù)領(lǐng)導(dǎo)者的行動(dòng)調(diào)整自己的通信方式，以更好地與領(lǐng)導(dǎo)者保持聯(lián)系或者跟隨領(lǐng)導(dǎo)者的運(yùn)動(dòng)方向。如果領(lǐng)導(dǎo)者采用了某種特定的通信方式，其他水下機(jī)器人可以相應(yīng)地調(diào)整自己的通信方式，以便更好地與領(lǐng)導(dǎo)者進(jìn)行溝通和協(xié)作。

在代碼編程實(shí)現(xiàn)過(guò)程中，建立leader_communication函數(shù)，模擬領(lǐng)導(dǎo)者水下機(jī)器人的通信方式選擇，隨機(jī)從電磁信號(hào)、聲波信號(hào)和光學(xué)信號(hào)中選擇一種通信方式。再在adjust_communication_based_on_leader函數(shù)中，根據(jù)領(lǐng)導(dǎo)者的通信方式和設(shè)定的跟隨程度，決定非領(lǐng)導(dǎo)者水下機(jī)器人是否跟隨領(lǐng)導(dǎo)者的通信方式。如果生成的隨機(jī)概率小于跟隨程度，非領(lǐng)導(dǎo)者就會(huì)跟隨領(lǐng)導(dǎo)者的通信方式；反之則保持上一個(gè)時(shí)間點(diǎn)的通信方式。最后利用test_leader_follow_mechanism函數(shù)進(jìn)行測(cè)試，模擬領(lǐng)導(dǎo)者的通信方式和根據(jù)領(lǐng)導(dǎo)者調(diào)整的非領(lǐng)導(dǎo)者的通信方式，以驗(yàn)證跟隨模式的實(shí)現(xiàn)效果。

4 試驗(yàn)和分析

本文在一個(gè)25 m×10 m的泳池中進(jìn)行試驗(yàn)。通過(guò)調(diào)整光照、溫度和水流等參數(shù)，可以模擬出不同的水下環(huán)境。試驗(yàn)準(zhǔn)備了8個(gè)水下機(jī)器人，每個(gè)水下機(jī)器人配備3種不同的通信方式，即電磁信號(hào)、發(fā)光信號(hào)和超聲波信號(hào)。每種通信設(shè)定的參數(shù)見(jiàn)表1。

選擇一個(gè)固定長(zhǎng)度的信息格式來(lái)傳輸。采用長(zhǎng)度為20字節(jié)的信息格式，其中包括位置坐標(biāo)8字節(jié)、水質(zhì)參數(shù)4字節(jié)、溫度4字節(jié)和水流速度4字節(jié)。每個(gè)水下機(jī)器人進(jìn)行通信時(shí)都會(huì)發(fā)送一個(gè)長(zhǎng)度為20字節(jié)的信息包。這種固定長(zhǎng)度的信息格式有助于簡(jiǎn)化通信協(xié)議，降低通信時(shí)的數(shù)據(jù)處理復(fù)雜度，并提高通信的效率和可靠性。

為了驗(yàn)證仿生魚(yú)群行為算法，本文分2組進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)，即單獨(dú)通信方式組和仿生魚(yú)群行為算法組。在單獨(dú)通信方式組中，每個(gè)機(jī)器人將單獨(dú)選擇一種通信方式進(jìn)行通信。而在仿生魚(yú)群行為算法組中，機(jī)器人將根據(jù)仿生魚(yú)行為算法自主選擇通信方式。具體的對(duì)比試驗(yàn)數(shù)據(jù)見(jiàn)表2。

表2數(shù)據(jù)顯示，在仿生魚(yú)群行為算法組中，信息傳播延遲僅為2.1 s，而傳輸準(zhǔn)確性為95%。單獨(dú)通信方式組中的傳播延遲分別為3.5 s（電磁信號(hào)）、4.2 s（發(fā)光信號(hào)）和2.8 s（超聲波信號(hào)），傳輸準(zhǔn)確性分別為85%、78%和90%。這些數(shù)據(jù)表明，采用仿生魚(yú)群行為算法的通信方式在水下機(jī)器人通信中的性能表現(xiàn)更好。仿生魚(yú)群行為算法模仿了自然界中魚(yú)群的行為模式，使水下機(jī)器人能夠更智能地選擇通信方式，以適應(yīng)不同的環(huán)境條件和任務(wù)需求。這種自適應(yīng)性和智能性使通信過(guò)程更高效、可靠，從而能夠更快速、準(zhǔn)確地完成信息傳輸任務(wù)。因此，仿生魚(yú)群行為算法在水下機(jī)器人通信中具有明顯優(yōu)勢(shì)，為水下通信技術(shù)的發(fā)展提供了一種新的思路和方法。

5 結(jié)論

本文對(duì)水下機(jī)器人通信中仿生魚(yú)行為算法進(jìn)行了探索和驗(yàn)證，仿生魚(yú)行為算法能夠有效提高水下機(jī)器人間的通信效率和可靠性。與單獨(dú)采用一種通信方式相比，仿生魚(yú)行為算法能夠根據(jù)環(huán)境變化和任務(wù)需求自主選擇最合適的通信方式，從而更好地適應(yīng)復(fù)雜的水下環(huán)境。本文研究為水下機(jī)器人的協(xié)同通信提供了新的思路和方法，具有重要的理論和實(shí)際意義。

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