一種水下機器人的自適應組網通信方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種水下機器人的自適應組網通信方法。根據AUV節(jié)點之間的相對距離，對于距離領航員AUV節(jié)點較遠而距離其他跟隨AUV較近的節(jié)點采用線性拓撲傳輸方式，而對于其他AUV節(jié)點采用一對多競爭拓撲傳輸方式。在線性拓撲傳輸過程中，領航員AUV和所有的跟隨AUV通過廣播與應答的方式實現時間同步，之后節(jié)點根據距離領航員AUV和數據傳輸的效果選擇負責外圍節(jié)點的通信或休眠，這就降低了領航AUV的能量消耗，提高了整個AUV編隊組網的生存時間。而一對多競爭的自適應通信方法包含了一種四路握手傳輸方法，該發(fā)明可以降低傳輸的丟包率并提高網絡的吞吐量。
【專利說明】
-種水下機器人的自適應組網通信方法
技術領域
[0001] 本發(fā)明屬于水下機器人通信領域，尤其設及一種水下機器人的自適應組網通信方 法。
【背景技術】
[0002] 自主式水下機器人(AUV)在軍事上可廣泛應用于水域偵查、中繼通訊、區(qū)域探雷、 智能攻擊等。在民用方面，可用于海底生物資源探查，礦產資源采樣，海底地形勘測，沉物打 拱，地震地熱活動監(jiān)測，海洋環(huán)境監(jiān)測等。
[0003] 多AUV的協作可W提高工作效率，并在某個AUV發(fā)生故障時提供冗余。使用價格相 對低廉，構造簡單的多個小型AUV的合作來完成復雜的水下任務，比使用一個價格昂貴且攜 帶多個傳感器的大型AUV具有更好的性能。多水下機器人組網通信的主要目的是為水下機 器人個體之間的信息交互、協調提供支持，并實現機器人內部不同功能模塊之間的信息流 通。
[0004] 申請?zhí)枮镃N201510154636的中國專利文件（【公開日】：2015年9月9日）中公開的"一 種用于水下機器人群協同控制的通信裝置與方法"提供了一種用于水下機器人群協同控制 的通信裝置與方法。一種用于水下機器人協同控制通信裝置與方法雖然與本專利屬于同一
技術領域，但它主要通過水生通信裝置完成信號的檢測、組包和編碼，并通過協同控制方法 解決通訊范圍和帶寬約束導致的跟蹤性能下降問題。而本發(fā)明根據AUV節(jié)點之間的相對距 離采取拓撲的信息傳輸方式，通過自適應MAC通信方法實現領航員AUV和所有的跟隨AUV之 間的數據傳輸和時間同步，運樣該發(fā)明就降低了領航AUV的能量消耗，提高了整個AUV編隊 組網的生存時間和網絡的吞吐量。

【發(fā)明內容】

[0005] 本發(fā)明的目的是提供一種具有使用靈活，適應性強的水下機器人的自適應組網通 信方法。
[0006] -種水下機器人的自適應組網通信方法，包括W下步驟，
[0007] 步驟一:建立水下機器人組網的分層通信結構，結構包括物理層、數據鏈路層和網 絡層；
[000引步驟二:在分層通信結構的基礎上定義AUV節(jié)點之間通信的拓撲結構，G = (V，ξ，A) 為多個AUV節(jié)點組成的帶權有向圖，其中V={S1，S2，...，Sn}是AUV的節(jié)點集，圖的有向邊集 為f C FX F，A = [aij ]為有向圖的帶權鄰接矩陣，aij > 0;每一條邊(Si，Sj)對應AUV節(jié)點Si和 AUV節(jié)點Sj在t時刻通信過程中的信道，即4 e《令> Q ;
[0009] 步驟Ξ:將水下機器人組網通信的拓撲結構分為線性傳輸拓撲結構和一對多競爭 拓撲結構。
[0010] 本發(fā)明一種水下機器人的自適應組網通信方法，還可W包括：
[0011] 1、根據AUV節(jié)點之間的相對距離，選擇線性傳輸拓撲結構和一對多競爭拓撲結構， 對于距離領航員AUV節(jié)點較遠而距離其他跟隨AUV較近的節(jié)點采用線性拓撲傳輸方式，在線 性拓撲傳輸過程中，領航員AUV和所有的跟隨AUV通過廣播與應答的方式實現時間同步，之 后節(jié)點根據距離領航員AUV和數據傳輸的效果選擇負責外圍節(jié)點的通信或休眠；而對于其 他AUV節(jié)點采用一對多競爭拓撲傳輸方式，采用了一對多競爭的自適應通信方法。
[0012] 2、線性傳輸拓撲結構的通信方法為：
[OOU] (1)當一個領航員AUV與其他幾個AUV跟隨節(jié)點采用線性拓撲傳輸方式通信時，自 適應組網通信方法中每個節(jié)點均包含一個"RTS"、"CTS"、"Data"和"ACr，當信道競爭選擇 完畢后，領航員AUV和所有的跟隨AUV通過廣播與應答的方式實現時間同步，領航員AUV通過 中間節(jié)點1向接收節(jié)點2發(fā)送消息；
[0014] (2)領航員AUV首先向接收節(jié)點1發(fā)送"RTS"消息，其數據包格式為{RTS，node_pos, node_speed，destination_node}，分別代表領航員AUV的數據發(fā)送請求、當前位置、速度和 目的接收節(jié)點，當接收節(jié)點1收到"RTS"消息時，該AUV直接將該消息傳遞至接受節(jié)點2，并一 直等待直至接收到目的AUV2返回的乂TS"或超時帖；當接收節(jié)點2收到"RTS"消息時，該節(jié)點 被通知有即將到來的消息傳輸，目的AUV進入"Response adjustment"狀態(tài)，同時向接收節(jié) 點1傳遞"CTS"信息；當接收節(jié)點1收到接收節(jié)點2的乂TS"消息或超時帖時，向領航員AUV返 回乂 TS"消息，其數據包格式為{CTSl/overtime ,nodel_pos,nodel_speed，CTS2/ove;rtime, node2_pos，node2_speed}，分別代表接收節(jié)點1或2發(fā)出的乂TS"或超時消息，接收節(jié)點1或2 的當前位置和速度；當超時發(fā)生時，領航員AUV重新根據其他AUV節(jié)點的位置信息選擇目的 AUV；
[001引（3)當領航員AUV收到乂TS"消息，通過相應的信道經接收節(jié)點1向接收節(jié)點2發(fā)送 數據，如果目的AUV1從領航員AUV接收到"Data"，進入"Response adjustment"狀態(tài)，并將數 據包轉發(fā)至接收節(jié)點2;接收節(jié)點2接收數據完畢后，進入"ACK"狀態(tài)，向接收節(jié)點1發(fā)送 "ACK"數據包，否則即為數據傳輸超時；
[0016] (4)當"Response adjustment"狀態(tài)完成，接收AUV2向接收AUV節(jié)點1發(fā)送"ACK"數 據包，接收AUV節(jié)點1再將"ACK"數據包轉發(fā)給領航員AUV節(jié)點；接收節(jié)點1所發(fā)送的"ACK"數 據包格式為(ACKl/overtime, node l_pos, node l_speed，ACK2/overtime ,node2_pos ,node2_ speed}，分別代表接收節(jié)點1或2發(fā)出的"ACr或超時消息，接收節(jié)點1或2的當前位置和速 度;在領航員AUV接收到"ACK"數據包后，將結束其數據傳輸過程，節(jié)點進入休眠狀態(tài)。
[0017] 3、一對多競爭拓撲結構的通信方法為：
[001引領航員AUV攜帶它要發(fā)出的消息在預定的信道發(fā)出預接觸數據包，如果幾個AUV接 收節(jié)點同時發(fā)出預接觸數據包，信道對節(jié)點進行競爭和選擇;信道競爭選擇完畢后領航員 AUV通過信道與目的AUV進行握手；自適應通信方法包含一個"RTS"、"CTS"、"Data"、"ACK"的 四路握手方法，一個對其他等待AUV的阻止發(fā)送數據包，消息傳輸的延遲過程包含在 "Response adjustment"時間內；在傳輸過程中，信道通過BTS阻止其他AUV節(jié)點的使用；
[0019] 四路握手通信握手方法包含四個階段：
[0020] 第一階段，當目的AUV接收到"RTS"帖時，該AUV被通知有即將到來的消息傳輸，目 的AUV進入"Response adjustment"狀態(tài)，W通過所選擇的信道從領航員AUV接收數據包，同 時向其他AUV節(jié)點發(fā)送巧TS"數據包W通知它們在運段時間進入"睡眠"狀態(tài)；
[00別]第二階段，領航員AUV發(fā)出"RTS"帖后，一直等待直至接收到目的AUV返回的乂TS" 或超時帖，當超時發(fā)生時，領航員AUV就返回信道競爭和選擇狀態(tài)；
[002^ 第立階段，開始于領航員AUV接收"CTS"數據包;在運個階段，領航員AUV通過相應 的信道向目的AUV發(fā)送數據包，如果目的AUV從領航員AUV接收到"Data"，就進入 "Responsead justment"狀態(tài)，數據包發(fā)送和接收完畢后，將進入"ACK"狀態(tài)，否則即為數據 傳輸超時；
[0023] 第四階段，"Response adjustment"狀態(tài)完成，目的AUV發(fā)送"ACK"數據包；在領航 員AUV接收到"Acr數據包后，結束其數據傳輸過程;所發(fā)送的"BTS"數據包重置向發(fā)送，W 喚醒其他AUV節(jié)點，重新進入信道需求狀態(tài)。
[0024] 有益效果：
[0025] 本發(fā)明根據AUV節(jié)點之間的相對距離采取拓撲的信息傳輸方式，通過自適應MAC通 信方法實現領航員AUV和所有的跟隨AUV之間的數據傳輸和時間同步，本發(fā)明就降低了領航 AUV的能量消耗，提高了整個AUV編隊組網的生存時間和網絡的吞吐量。
【附圖說明】
[00%]圖1是水下機器人組網通信的分層結構圖；
[0027] 圖2是多水下機器人組網通信的拓撲結構圖；
[0028] 圖3是線性拓撲傳輸的自適應組網通信方法；
[0029] 圖4是基于1對多競爭的自適應組網通信方法；
[0030] 圖5是基于線性拓撲的自適應組網通信仿真結果；圖5(a)是東向-北向仿真結果 圖；圖5(b)是延遲時間結果圖；圖5(c)是丟包率結果圖；圖5(d)是吞吐量結果圖；
[0031] 圖6是基于一對多競爭的自適應組網通信仿真結果；圖6(a)是東向-北向仿真結果 圖；圖6(b)是延遲時間結果圖；圖6(c)是丟包率結果圖；圖6(d)是吞吐量結果圖。
【具體實施方式】
[0032] 下面將結合附圖對本發(fā)明做進一步詳細說明。
[0033] 本發(fā)明目的是提供一種水下機器人的自適應組網通信方法，可用于水下機器人組 網在數據鏈路層的數據交換通過介質訪問控制實現信道資源的合理分配，從而實現數據在 相鄰節(jié)點之間的鏈路無差錯地傳輸。該發(fā)明具有使用靈活，適應性強等優(yōu)點。
[0034] 發(fā)明目的實現如下：
[0035] a、首先建立水下機器人組網的分層通信結構。結構包括物理層、數據鏈路層和網 絡層。其中，物理層是水聲通信模塊的底層、主要采用澳大利亞Innovation in Digital Si即al Processing and Processing公司開發(fā)的多信道水下通信系統(tǒng)Aquacomm network 水聲通訊系統(tǒng)，它使用擴展頻譜在低能耗的情況下發(fā)出寬頻信號。其數據鏈路層基于多載 波碼分多址(CDMA)技術傳輸策略實現并行擴頻通信。主要是實現數據在相鄰節(jié)點之間的鏈 路無差錯地傳輸。而由于水聲信道存在較大時延，致使簡單的RTS/CTS數據包交互機制并不 適用于水下通信網絡，而目前還沒有一個適合的介質訪問控制通信方法W實現信道資源的 合理分配。網絡層的任務是選擇合適的路由信息，確定和分發(fā)源節(jié)點和目的節(jié)點之間的路 由捜索與信息。
[0036] b、在通信系統(tǒng)結構的基礎上定義AUV節(jié)點之間通信的拓撲結構，設G = (V，ξ，A)為 多個AUV節(jié)點組成的帶權有向圖，其中V= { SI，S2，. . .，Sn}是AUV的節(jié)點集，圖的有向邊集為 《C戶χΚ，A= [aij]為有向圖的帶權鄰接矩陣，aij > 0。每一條邊（Si，Sj)對應AUV節(jié)點Si和 AUV節(jié)點Sj在t時刻通信過程中的信道，即苗e 二> 0。
[0037] C、將水下機器人組網通信的拓撲結構分為線性傳輸拓撲結構和1對多競爭拓撲結 構。所設計的自適應通信方法包含一個"RTS"、"CTS"、"Data"、"ACK"的四路握手方法，一個 對其他等待AUV節(jié)點的阻止發(fā)送(Block To Send--BTS)數據包。而消息傳輸的延遲過程包 含在"Response adjustment"時間內。在傳輸過程中，信道將通過BTS阻止其他AUV節(jié)點的使 用。
[0038] d、對于線性拓撲傳輸結構：首先，當信道競爭選擇完畢后，領航員AUV節(jié)點和所由 的跟隨AUV節(jié)點通過廣播與應答的方式實現時間同步，領航員AUV節(jié)點將通過中間節(jié)點1向 接收節(jié)點2發(fā)送消息。"RTS"帖將被一個AUV節(jié)點接一個AUV節(jié)點地依次發(fā)送到目的AUV， 乂 TS"帖將由目的AUV節(jié)點一個接一個地發(fā)送到廣播AUV節(jié)點。
[0039] e、對于1對多競爭拓撲結構來說：當信道競爭選擇完畢后，廣播AUV節(jié)點將與某一 目標AUV節(jié)點進行通信，此時其他AUV節(jié)點將被發(fā)送一個"BTS" (Block To Send)帖信息而進 行休眠。
[0040] 本發(fā)明提供的是一種水下機器人的自適應組網通信方法。在多AUVUutonomous 化derwater Vehicle)之間分層的通信結構中，結合編隊網絡層的拓撲結構建立了數據鏈 路層的自適應通信方法。根據AUV節(jié)點之間的相對距離，對于距離領航員AUV節(jié)點較遠而距 離其他跟隨AUV較近的節(jié)點采用線性拓撲傳輸方式，而對于其他AUV節(jié)點采用一對多競爭拓 撲傳輸方式。在線性拓撲傳輸過程中，領航員AUV和所有的跟隨AUV通過廣播與應答的方式 實現時間同步，之后節(jié)點根據距離領航員AUV和數據傳輸的效果選擇負責外圍節(jié)點的通信 或休眠，運就降低了領航AUV的能量消耗，提高了整個AUV編隊組網的生存時間。而一對多競 爭的自適應通信方法包含了一種四路握手傳輸方法，該發(fā)明可W降低傳輸的丟包率并提高 網絡的吞吐量。
[0041] -種水下機器人的自適應組網通信方法，根據AUV節(jié)點之間的相對距離，將組網通 信的基本形式分為線性拓撲傳輸和一對多競爭兩種。對于距離領航員AUV節(jié)點較遠而距離 其他跟隨AUV較近的節(jié)點采用線性拓撲傳輸方式，在線性拓撲傳輸過程中，領航員AUV和所 有的跟隨AUV通過廣播與應答的方式實現時間同步，之后節(jié)點根據距離領航員AUV和數據傳 輸的效果選擇負責外圍節(jié)點的通信或休眠。而對于其他AUV節(jié)點采用一對多競爭拓撲傳輸 方式，采用了一對多競爭的自適應通信方法。
[0042] 領航員AUV和所有的跟隨AUV通過廣播與應答的方式實現時間同步，之后節(jié)點根據 距離領航員AUV和數據傳輸的效果選擇負責外圍節(jié)點的通信或休眠。
[0043] 當一個領航員AUV與其他幾個AUV跟隨節(jié)點采用線性拓撲傳輸方式通信時，每個節(jié) 點均包含一個"RTS" (Request To Send)、"CTS" (Clear To Send)、"Data"、"ACK" (Acknowledgment化r receiving)。通信過程將分為四個階段:首先，當信道競爭選擇完畢 后，領航員AUV和所有的跟隨AUV通過廣播與應答的方式實現時間同步，領航員AUV將通過中 間節(jié)點1向接收節(jié)點2發(fā)送消息。其次，領航員AUV首先向接收節(jié)點1發(fā)送"RTS"消息，其數據 包格式為{RTS,node_pos ,node_speed，destination_node}，分別代表領航員AUV的數據發(fā) 送請求，當前位置、速度和目的接收節(jié)點(運里假設接收節(jié)點為目的AUV2)。當接收節(jié)點1收 到"RTS"消息時，該AUV直接將該消息傳遞至接受節(jié)點2，并一直等待直至接收到目的AUV2返 回的乂TS"或超時帖。當接收節(jié)點2收到"RTS"消息時，該節(jié)點被通知有即將到來的消息傳 輸，目的AUV進入"Response ad化stment"狀態(tài)，同時向接收節(jié)點1傳遞乂TS"信息。當接收節(jié) 點1收到接收節(jié)點2的乂TS"消息或超時帖時，將向領航員AUV返回乂TS"消息，其數據包格式 為（CTSl/overtime,nodel_pos,nodel_speed，CTS2/overtime,node2_pos,node2_speed}， 分別代表接收節(jié)點1或2發(fā)出的乂 TS"或超時消息，接收節(jié)點1或2的當前位置和速度。當超時 發(fā)生時，領航員AUV將重新根據其他AUV節(jié)點的位置信息選擇目的AUV。
[0044] 再次，當領航員AUV收到乂TS"消息，將通過相應的信道經接收節(jié)點1向接收節(jié)點2 發(fā)送數據，如果目的AUV1從領航員AUV接收到"Data"，它就進入"Response adjustment"狀 態(tài)，并將數據包轉發(fā)至接收節(jié)點2。接收節(jié)點2接收數據完畢后，將進入"ACK"狀態(tài)，向接收節(jié) 點1發(fā)送"ACK"數據包，否則即為數據傳輸超時。
[0045] 在第四階段，一旦"Response adjustment"的狀態(tài)完成，接收AUV2將向接收AUV節(jié) 點1發(fā)送"ACK"數據包，接收AUV節(jié)點1再將"ACK"數據包轉發(fā)給領航員AUV節(jié)點。接收節(jié)點1所 發(fā)送的 "ACK"數據包格式為{ACK1/overtime ,nodel_pos ,nodel_speed，ACK2/ove;rtime , node2_pos，node2_speed}。分別代表接收節(jié)點1或2發(fā)出的"ACK"或超時消息，接收節(jié)點1或2 的當前位置和速度。在領航員AUV接收到"ACK"數據包后，將結束其數據傳輸過程，節(jié)點進入 休眠狀態(tài)。
[0046] -對多競爭拓撲傳輸，自適應組網通信特征在于:首先，領航員AUV攜帶它要發(fā)出 的消息在預定的信道發(fā)出預接觸數據包，如果幾個AUV接收節(jié)點同時發(fā)出預接觸數據包，信 道將對節(jié)點進行競爭和選擇。信道競爭選擇完畢后領航員AUV將通過信道與目的AUV進行握 手。所設計的自適應組網通信方法包含一個"RTS"、"CTS"、"Data"、"ACr的四路握手方法， 一個對其他等待AUV的阻止發(fā)送(Block To Send-BTS)數據包。而消息傳輸的延遲過程包 含在"Response adjustment"時間內。在傳輸過程中，信道將通過BTS阻止其他AUV節(jié)點的使 用
[0047] 四路握手傳輸方法包含四個階段:在第一階段，當目的AUV接收到"RTS"帖時，該 AUV被通知有即將到來的消息傳輸。目的AUV進入"Response adjustment"狀態(tài)，W通過所選 擇的信道從領航員AUV接收數據包。同時向其他AUV節(jié)點發(fā)送"BTS"數據包W通知它們在運 段時間可W進入"睡眠"（sleep)狀態(tài)，W避免在整個的數據傳輸過程中發(fā)生沖突。
[004引在第二階段中，領航員AUV發(fā)出"RTS"帖后，將一直等待直至接收到目的AUV返回的 乂 TS"或超時帖。當超時發(fā)生時，領航員AUV就返回信道競爭和選擇狀態(tài)。顯然，在數據包和 它的"Response ad justment"之間的傳輸延遲至少等于該數據包被發(fā)送/接收時間，W便于 節(jié)點的響應可W-個個地被連續(xù)地處理。運樣，所發(fā)送的"RTS"數據包和接收到的乂TS"數 據包是具有相同最大單程傳播延遲的兩個動作，其傳輸的最大時間延遲分別為Tmax。如果我 們定義一個控制帖和其后續(xù)帖之間的固定時間長度為"CML"，那么在領航員AUV發(fā)送"RTS" 和收到目的AUV返回乂 TS"之間的時間長度可W定義為CMLrts，在目的AUV發(fā)送乂 TS"和收到 領航員AUV發(fā)送來的"Data"數據包之間的時間長度被稱為"CMLcTs"。當目的AUV接收到"RTS" 數據包后，它通過水聲通訊系統(tǒng)測量得到的距離信息來計算乂 TS"數據包到達領航員AUV的 時間，即一個乂ML"的時間間隔。在乂ML"的時間，信道將避免潛在通信干擾的沖突。一旦 "Response adjustment"狀態(tài)結束，領航員AUV將通過相應的信道向目的AUV發(fā)送數據包?？?之，第二階段使目的AUV與領航員AUV進行協商，一方面具有更大的靈活性，另一方面降低了 由于信道沖突引起的傳輸失敗。
[0049] 第Ξ階段開始于領航員AUV接收乂 TS"數據包。在運個階段，領航員AUV將通過相應 的信道向目的AUV發(fā)送數據包，如果目的AUV從領航員AUV接收到"Data",它就進入 "Response adjustment"狀態(tài)，數據包發(fā)送和接收完畢后，將進入"ACK"狀態(tài)，否則即為數據 傳輸超時。
[0050] 在第四階段，一旦"Response adjustment"的狀態(tài)完成，目的AUV將發(fā)送"ACK"數據 包。在領航員AUV接收到"Acr數據包后，將結束其數據傳輸過程。所發(fā)送的"BTS"數據包將 重置向發(fā)送，W喚醒其他AUV節(jié)點，重新進入信道需求狀態(tài)。
[0051] 附圖1為水下機器人組網通信的分層結構圖。在分層結構中，物理層是水聲通信模 塊的底層，主要采用澳大利亞Innovation in Digital Si即al Processing and Processing公司開發(fā)的多信道水下通信系統(tǒng)Aquacomm network水聲通訊系統(tǒng)，它使用擴展 頻譜在低能耗的情況下發(fā)出寬頻信號。主要負責接收數據鏈路層的數據并順序傳輸。數據 鏈路層的任務主要是實現數據在節(jié)點之間的鏈路無差錯地傳輸。網絡層的任務是選擇合適 的路由信息，確定和分發(fā)源節(jié)點和目的節(jié)點之間的路由捜索與信息。
[0052] 附圖2為多水下機器人組網通信的拓撲結構，主要根據水下機器人之間的距離建 立，包括線性拓撲結構和1對多拓撲結構兩種。
[0053] 附圖3為線性拓撲傳輸的自適應組網通信方法，當一個領航員AUV與其他幾個AUV 跟隨節(jié)點采用線性拓撲傳輸方式通信時，所設計的自適應組網通信方法中每個節(jié)點均包含 一個"RTS"(Request To Send)、"CTS"(Clear To Send)、"Data"、"ACK"(Acknowledgment for receiving)。通信過程將分為四個階段:首先，當信道競爭選擇完畢后，領航員AUV和所 由的跟隨AUV通過廣播與應答的方式實現時間同步，領航員AUV將通過中間節(jié)點1向接收節(jié) 點2發(fā)送消息。其次，領航員AUV首先向接收節(jié)點1發(fā)送"RTS"消息，其數據包格式為{RTS, node_pos ,node_speed，destination_node}，分別代表領航員AUV的數據發(fā)送請求，當前位 置、速度和目的接收節(jié)點(運里假設接收節(jié)點為目的AUV2)。當接收節(jié)點1收到"RTS"消息時， 該AUV直接將該消息傳遞至接受節(jié)點2,并一直等待直至接收到目的AUV2返回的乂 TS"或超 時帖。當接收節(jié)點2收到"RTS"消息時，該節(jié)點被通知有即將到來的消息傳輸，目的AUV進入 "Response ad justment"狀態(tài)，同時向接收節(jié)點1傳遞乂 TS"信息。當接收節(jié)點1收到接收節(jié) 點2的"CTS"消息或超時帖時，將向領航員AUV返回"CTS"消息，其數據包格式為{CTS1/ overtime ,nodel_pos ,nodel_speed，CTS2/overtime ,node2_pos ,node2_speed}，分另U代表 接收節(jié)點1或2發(fā)出的乂TS"或超時消息，接收節(jié)點1或2的當前位置和速度。當超時發(fā)生時， 領航員AUV將重新根據其他AUV節(jié)點的位置信息選擇目的AUV。
[0054] 再次，當領航員AUV收到乂TS"消息，將通過相應的信道經接收節(jié)點1向接收節(jié)點2 發(fā)送數據，如果目的AUV1從領航員AUV接收到"Data"，它就進入"Response ad justment"狀 態(tài)，并將數據包轉發(fā)至接收節(jié)點2。接收節(jié)點2接收數據完畢后，將進入"ACK"狀態(tài)，向接收節(jié) 點1發(fā)送"ACK"數據包，否則即為數據傳輸超時。
[0055] 在第四階段，一旦"Response adjustment"的狀態(tài)完成，接收AUV2將向接收AUV節(jié) 點1發(fā)送"ACK"數據包，接收AUV節(jié)點1再將"ACK"數據包轉發(fā)給領航員AUV節(jié)點。接收節(jié)點1所 發(fā)送的 "ACK"數據包格式為{ACK1/overtime ,nodel_pos ,nodel_speed，ACK2/ove;rtime , node2_pos，node2_speed}。分別代表接收節(jié)點1或2發(fā)出的"ACK"或超時消息，接收節(jié)點1或2 的當前位置和速度。在領航員AUV接收到"ACK"數據包后，將結束其數據傳輸過程，節(jié)點進入 休眠狀態(tài)。
[0056] 附圖4為基于1對多競爭的自適應組網通信方法。當一個領航員AUV節(jié)點同時和幾 個AUV接收節(jié)點通信時，將采用基于競爭的自適應實現數據傳輸。
[0057] 首先，領航員AUV攜帶它要發(fā)出的消息在預定的信道發(fā)出預接觸數據包，如果幾個 AUV接收節(jié)點同時發(fā)出預接觸數據包，信道將對節(jié)點進行競爭和選擇。信道競爭選擇完畢后 領航員AUV將通過信道與目的AUV進行握手。所設計的自適應通信方法包含一個"RTS"、 乂TS"、"Data"、"ACK"的四路握手方法，一個對其他等待AUV的阻止發(fā)送(Block To Send- BTS)數據包。而消息傳輸的延遲過程包含在"Response adjustment"時間內。在傳輸過程 中，信道將通過BTS阻止其他AUV節(jié)點的使用
[005引四路握手通信握手方法包含四個階段:在第一階段，當目的AUV接收到"RTS"帖時， 該AUV被通知有即將到來的消息傳輸。目的AUV進入"Response adjustment"狀態(tài)，W通過所 選擇的信道從領航員AUV接收數據包。同時向其他AUV節(jié)點發(fā)送"BTS"數據包W通知它們在 運段時間可W進入"睡眠"（sleep)狀態(tài)，W避免在整個的數據傳輸過程中發(fā)生沖突。
[0059] 在第二階段中，領航員AUV發(fā)出"RTS"帖后，將一直等待直至接收到目的AUV返回的 乂 TS"或超時帖。當超時發(fā)生時，領航員AUV就返回信道競爭和選擇狀態(tài)。顯然，在數據包和 它的"Response ad justment"之間的傳輸延遲至少等于該數據包被發(fā)送/接收時間，W便于 節(jié)點的響應可W-個個地被連續(xù)地處理。運樣，所發(fā)送的"RTS"數據包和接收到的乂TS"數 據包是具有相同最大單程傳播延遲的兩個動作，其傳輸的最大時間延遲分別為Tmax。如果我 們定義一個控制帖和其后續(xù)帖之間的固定時間長度為"CML"，那么在領航員AUV發(fā)送"RTS" 和收到目的AUV返回乂 TS"之間的時間長度可W定義為CMLrts，在目的AUV發(fā)送乂 TS"和收到 領航員AUV發(fā)送來的"Data"數據包之間的時間長度被稱為"CMLcTS"。所W定義最長的數據傳 輸方法為：
[0060] CMLrts = CMLCTS = Tmax
[0061] 當目的AUV接收到"RTS"數據包后，它通過水聲通訊系統(tǒng)測量得到的距離信息來計 算乂TS"數據包到達領航員AUV的時間，即一個"CML"的時間間隔。在"CML"的時間，信道將避 免潛在通信干擾的沖突。一旦"Response adjustment"狀態(tài)結束，領航員AUV將通過相應的 信道向目的AUV發(fā)送數據包?？傊诙A段使目的AUV與領航員AUV進行協商，一方面具有 更大的靈活性，另一方面降低了由于信道沖突引起的傳輸失敗。
[0062] 第Ξ階段開始于領航員AUV接收乂 TS"數據包。在運個階段，領航員AUV將通過相應 的信道向目的AUV發(fā)送數據包，如果目的AUV從領航員AUV接收到"Data",它就進入 "Response ad justment"狀態(tài)，數據包發(fā)送和接收完畢后，將進入"ACK"狀態(tài)，否則即為數據 傳輸超時。
[0063] 在第四階段，一旦"Response adjustment"的狀態(tài)完成，目的AUV將發(fā)送"ACK"數據 包。在領航員AUV接收到"Acr數據包后，將結束其數據傳輸過程。所發(fā)送的"BTS"數據包將 重置向發(fā)送，W喚醒其他AUV節(jié)點，重新進入信道需求狀態(tài)。
[0064] 附圖5和附圖6分別是多AUV采用基于線性拓撲和基于競爭的自適應組網編隊航行 的通訊情況。其中AUV1為領航員AUV，AUV2、AUV3和AUV4為跟隨AUV。圖5中由于AUV2、AUV3和 AUV4距領航員AUVl的相對距離較遠，而跟隨AUV之間的距離較近，所W采取線性拓撲的通訊 方式。從仿真結果上看，運種方式使得跟隨AUV的丟包率和基本持平。由于通訊中每個AUV所 攜帶的數據量不同，距離領航員AUV越遠的AUV所需要的數據越少，而距離領航員AUV較近的 不僅要完成自身的數據通訊，還要負責外圍的AUV通訊，所W單位時間的吞吐量是從內到外 依次減少的。但AUV之間的通訊效率并沒有隨著距離的增加而顯著降低，并且運種方法通過 AUV之間的通訊，較大地降低了領航AUV的能量消耗，提高了整個AUV編隊組網的生存時間。 圖6中由于跟隨AUV相對領航員AUV1的距離相近，所W采用一對多競爭的自適應自適應通信 方法，在通訊的過程中延遲時間，丟包率和單位時間吞吐量均比較接近，并且由于該方法根 據數據包的收發(fā)情況采用競爭及時調整AUV之間的通訊，相比周期性休眠的方法更適合移 動節(jié)點水聲通訊運種大時延和丟包率比較高的情況。
【主權項】
1. 一種水下機器人的自適應組網通信方法，其特征在于:包括以下步驟， 步驟一：建立水下機器人組網的分層通信結構，結構包括物理層、數據鏈路層和網絡 層； 步驟二:在分層通信結構的基礎上定義AUV節(jié)點之間通信的拓撲結構，G =( V，ξ，A)為多 個AUV節(jié)點組成的帶權有向圖，其中V={S1，S2, . . .，sn}是AUV的節(jié)點集，圖的有向邊集為，A=[aij]為有向圖的帶權鄰接矩陣，aij2 0;每一條邊（Si，Sj)對應AUV節(jié)點Si和 AUV節(jié)點Sj在t時刻通信過程中的信道，步驟三:將水下機器人組網通信的拓撲結構分為線性傳輸拓撲結構和一對多競爭拓撲 結構。2. 根據權利要求1所述的一種水下機器人的自適應組網通信方法，其特征在于：根據 AUV節(jié)點之間的相對距離，選擇線性傳輸拓撲結構和一對多競爭拓撲結構，對于距離領航員 AUV節(jié)點較遠而距離其他跟隨AUV較近的節(jié)點采用線性拓撲傳輸方式，在線性拓撲傳輸過程 中，領航員AUV和所有的跟隨AUV通過廣播與應答的方式實現時間同步，之后節(jié)點根據距離 領航員AUV和數據傳輸的效果選擇負責外圍節(jié)點的通信或休眠;而對于其他AUV節(jié)點采用一 對多競爭拓撲傳輸方式，米用了一對多競爭的自適應通信方法。3. 根據權利要求1所述的一種水下機器人的自適應組網通信方法，其特征在于:所述的 線性傳輸拓撲結構的通信方法為： (1) 當一個領航員AUV與其他幾個AUV跟隨節(jié)點采用線性拓撲傳輸方式通信時，自適應 組網通信方法中每個節(jié)點均包含一個"RTS"、"CTS"、"Data"和"ACK"，當信道競爭選擇完畢 后，領航員AUV和所有的跟隨AUV通過廣播與應答的方式實現時間同步，領航員AUV通過中間 節(jié)點1向接收節(jié)點2發(fā)送消息； (2) 領航員AUV首先向接收節(jié)點1發(fā)送"RTS"消息，其數據包格式為{RTS，n〇de_p〇S， node_speed，destination_node}，分別代表領航員AUV的數據發(fā)送請求、當前位置、速度和 目的接收節(jié)點，當接收節(jié)點1收到"RTS"消息時，該AUV直接將該消息傳遞至接受節(jié)點2，并一 直等待直至接收到目的AUV2返回的"CTS"或超時幀；當接收節(jié)點2收到"RTS"消息時，該節(jié)點 被通知有即將到來的消息傳輸，目的AUV進入"Response adjustment"狀態(tài)，同時向接收節(jié) 點1傳遞"CTS"信息；當接收節(jié)點1收到接收節(jié)點2的"CTS"消息或超時幀時，向領航員AUV返 回"〇^"消息，其數據包格式為{〇^1/〇￥61'1：；[1116，110(161_。08，110(161_8。66(1，(^32/〇￥61'1：；[1116， node2_pos，node2_speed}，分別代表接收節(jié)點1或2發(fā)出的"CTS"或超時消息，接收節(jié)點1或2 的當前位置和速度；當超時發(fā)生時，領航員AUV重新根據其他AUV節(jié)點的位置信息選擇目的 AUV； ⑶當領航員AUV收到"CTS"消息，通過相應的信道經接收節(jié)點1向接收節(jié)點2發(fā)送數據， 如果目的AUV1從領航員AUV接收到"Data"，進入"Response adjustment"狀態(tài)，并將數據包 轉發(fā)至接收節(jié)點2;接收節(jié)點2接收數據完畢后，進入"ACK"狀態(tài)，向接收節(jié)點1發(fā)送"ACK"數 據包，否則即為數據傳輸超時； (4)當"Response ad justment"狀態(tài)完成，接收AUV2向接收AUV節(jié)點1發(fā)送"ACK"數據包， 接收AUV節(jié)點1再將"ACK"數據包轉發(fā)給領航員AUV節(jié)點;接收節(jié)點1所發(fā)送的"ACK"數據包格 式為{ACK1/overtime, node l_pos, node l_speed，ACK2/over time，node 2_pos，node 2_ speed}，分別代表接收節(jié)點1或2發(fā)出的"ACK"或超時消息，接收節(jié)點1或2的當前位置和速 度;在領航員AUV接收到"ACK"數據包后，將結束其數據傳輸過程，節(jié)點進入休眠狀態(tài)。4.根據權利要求1所述的一種水下機器人的自適應組網通信方法，其特征在于:所述的 一對多競爭拓撲結構的通信方法為： 領航員AUV攜帶它要發(fā)出的消息在預定的信道發(fā)出預接觸數據包，如果幾個AUV接收節(jié) 點同時發(fā)出預接觸數據包，信道對節(jié)點進行競爭和選擇;信道競爭選擇完畢后領航員AUV通 過信道與目的AUV進行握手；自適應通信方法包含一個"RTS"、"CTS"、"Data"、"ACK"的四路 握手方法，一個對其他等待AUV的阻止發(fā)送數據包，消息傳輸的延遲過程包含在"Response adjustment"時間內；在傳輸過程中，信道通過BTS阻止其他AUV節(jié)點的使用； 四路握手通信握手方法包含四個階段： 第一階段，當目的AUV接收到"RTS"幀時，該AUV被通知有即將到來的消息傳輸，目的AUV 進入"Response adjustment"狀態(tài)，以通過所選擇的信道從領航員AUV接收數據包，同時向 其他AUV節(jié)點發(fā)送"BTS"數據包以通知它們在這段時間進入"睡眠"狀態(tài)； 第二階段，領航員AUV發(fā)出"RTS"幀后，一直等待直至接收到目的AUV返回的"CTS"或超 時幀，當超時發(fā)生時，領航員AUV就返回信道競爭和選擇狀態(tài)； 第三階段，開始于領航員AUV接收"CTS"數據包;在這個階段，領航員AUV通過相應的信 道向目的AUV發(fā)送數據包，如果目的AUV從領航員AUV接收到"Data"，就進入"Response ad jus tment"狀態(tài)，數據包發(fā)送和接收完畢后，將進入"ACK"狀態(tài)，否則即為數據傳輸超時； 第四階段，"Response adjustment"狀態(tài)完成，目的AUV發(fā)送"ACK"數據包；在領航員AUV 接收到"ACK"數據包后，結束其數據傳輸過程;所發(fā)送的"BTS"數據包重置向發(fā)送，以喚醒其 他AUV節(jié)點，重新進入信道需求狀態(tài)。
【文檔編號】G05B13/04GK105824236SQ201610130731
【公開日】2016年8月3日
【申請日】2016年3月8日
【發(fā)明人】黃海, 張國成, 李岳明, 席紅艷, 萬磊, 龐永杰
【申請人】哈爾濱工程大學