多水下机器人编队通信研究

４８卷第４期（总第１７９期）　２００７年ｌ２月　中　国　造　船　

ＳＨＩＰＢＵＩＪＪＤＩＮＧ（）Ｆ　ＣＨＩＮＡ　Ｖｏ１．４８　ＮＯ．４（Ｓｅｒｉａｌ　Ｎｏ．１　７９）　

Ｄｅｃ．２００７　

文章编号：１０００—４８８２（２ＯＯ７）０４—００７７—０８　

多水下机器人编队通信研究　孟宪松，　刘建华，　张铭钧　（哈尔滨工程大学机电工程学院，黑龙江　哈尔滨　１５０００１）　

摘　要　针对多水下机器人编队控制中的水下无线通信问题，提出了一种基于调度的水下无线环状媒介访问控　制协议，克服了由于多跳带来的隐藏终端和暴露终端的问题，保证了系统通信的公平接入和周期性控制，同时　通过采用数据包捎带技术，在数据包中携带令牌信息，减少额外发送令牌控制包等方法来提高系统吞吐量。　ＮＳ仿真软件上的仿真实验分析了新协议的性能，通过与类似ＡＩ　ＯＨＡ的基于竞争协议的对比实验确定新协　议的使用范围，验证了上述媒介访问控制协议的有效性和可行性。　

关　键　词：船舶、舰船工程；多水下机器人编队；水下无线声呐通信；媒介访问控制协议；水下无线令牌环　协议　中图分类号：Ｕ６７５．７９　文献标识码：Ａ　

１　引　言　编队问题研究是多水下机器人合作与协调的主要研究内容之一，编队系统通信是多水下机器人编　队的关键技术。对于自主式水下机器人（Ａｕｔｏｎｏｍｏｕｓ　Ｕｎｄｅｒｗａｔｅｒ　Ｖｅｈｉｃｌｅ，缩写ＡＵＶ）系统无法实现有　线通信，只能基于无线通信的方式实现信息交换。相关研究表明水下无线通信主要采用声通信的方式，　因此本文基于水声通信来讨论多水下机器人编队通信问题。　水声通信具有传播时间延迟大、多径传播和噪声等问题，存在比较高的误码率。对于多水下机器人　编队通信系统而言，需要将多水下机器人编队通信作为水下通信网络来研究。目前比较著名的水下实验　网络项目有ＳｅａＷｅｂ计划、ＦＲＯＮＴ计划、ＭＡＳＴ计划等口　Ｊ。通过建立水下通信实验网络来研究水下　通信系统，研究重点在于设计基于分层理论的水声通信系统各模块ｌ４　Ｊ。鉴于通信网络研究中媒介访问　控制（Ｍｅｄｉｕｍ　Ａｃｃｅｓｓ　Ｃｏｎｔｒｏｌ，缩写ＭＡＣ）层的设计对整个系统的性能影响最大，结合水下多机器人编　队系统的结构的通信特点，本文针对多水下机器　编队通信问题，提出一种ＭＡＣ层无线环状网络新协　议，用ＮＳ仿真软件上的仿真实验分析了新协议的性能，通过与类似ＡＬＯＨＡ的基于竞争协议的对比实　验决定了新协议的使用范围，验证了本文协议的有效性和可行性。　

２多水下机器人编队控制机制　多机器人编队控制一般分为：分布式、集中式、混合式三种。多水下机器人编队通信网络结构分为：　有基础设施结构和无基础设施结构（ＡＤ　ＨＯＣ），分别对应集中控制和分布式控制结构。出于安全性和可　靠性的考虑，目前的研究趋向于采用分布式控制结构　，因此对应的网络结构采用无基础设施结构。　多水下机器人编队通信网络具有ＡＤ　ＨＯＣ网络的特点，同时满足多水下机器人编队要求，如：对等　

收稿日期：２００６　０８　３１　基金项目：黑龙江省杰出青年科学基金（２００５Ｆ０３０６０５）　

维普资讯 http://www.cqvip.com 中　国　造　船　学术论文　性、周期性和链路带宽受限等。对等性是指每个机器人都有相同的发送信息的机会；周期性是指由于编　队控制采用节拍控制从而要求编队中的机器人在一定的时间内完成所有通信。因此对于多水下机器人　编队通信网络而言，需要对对等性、周期性和链路带宽受限作特别考虑。从影响网络性能方面来看，　ＭＡｃ层的作用最大，因此本文主要研究多水下机器人编队通信网络的ＭＡｃ层。　从ＭＡＣ层协议来看，基于调度协议可以避免多个机器人同时发送消息产生的冲突，基于竞争协议　通过竞争使用共享的信道来提高发送信息的快速性。由于多水下机器人编队通信需要采用节拍控制，这　就需要考虑水下通信网络的周期性问题和各水下机器人的对等性，因此作者在多水下机器人编队通信　网络中采用基于调度的协议。Ｒ．Ｋ．ＣＲＥＢＥＲ，Ｊ．Ａ．ＲＩＣＥ等对握手控制做了很多工作＿７］，但采用握　手机制会导致大量的额外数据包，在水下通信时间延迟很大的情况下，在水下通信中不适合采用基于竞　争的载波监听。为提高效率，本文没有采用握手机制，替代的采用令牌环的控制方式，同时采用了在数据　包中稍带令牌的技术，这样可以有效地减少无效数据包的产生，从而提高系统的吞吐率。目前陆地通信　网络中使用的基于调度的媒介访问方式中比较多的有时分多址（ＴＤＭＡ）、频分多址（ＦＤＭＡ）和码分多　址（ｃＤＭＡ）三种方式，由于水声通信存在不稳定的时间延迟导致时问统一困难，使得ＴＤＭＡ不适合水　下通信网络。同样的由于水声通信的带宽有限，ＦＤＭＡ也不适合，ＣＤＭＡ技术在水下通信比较合适，但　是目前由于技术上的问题还无法采用。针对多水下机器人编队通信问题，本文提出了一种在共享信道的　基础上基于调度的水下无线令牌环协议（Ｕｎｄｅｒｗａｔｅｒ　Ｗｉｒｅｌｅｓｓ　Ｔｏｋｅｎ　Ｒｉｎｇ　Ｐｒｏｔｏｃｏｌ，缩写ＵＷＴＲＰ）。　

３水下无线令牌环协议　水下无线令牌环协议是通过令牌的传递来控制通信网络中各个机器人发送信息的时机，避免信号　的冲突，提高信道带宽的利用率。　本文提出的系统结构如图１所示，在网络层和数据链路　层之问增加管理信息库，通过建立共享的跨层管理信息库可　以提高高层的信息量和信息更新速度。　信息库的基本信息如图２所示，建立管理信息库在ＭＡＣ　层可以用于管理令牌的发送次序，在网络层可以更好地计算　路由信息。信息库具体应该包含多少项信息，需要根据具体的　令牌管理方法来确定，不同的令牌传递方法需要的具体信息　也就不同。令牌的发送次序规则根据编队控制结构有如下几　种：　图１系统结构图　

①根据上层需要控制令牌发送，如当前持有令牌的机器人需要某一个机器人立即发送数据则可以　将令牌发送给该机器人；　②根据对各个机器人的编号或者根据各个机器人在编队中的位置来控制各个机器人的发送次序，　即令牌的传递顺序；　③根据整体时延最小的要求计算令牌的传递顺序。　水下无线令牌环协议主要包括两个过程：建立环或加入环及维护环。ＭＡＣ层协议状态转换图如图　３所示，在其状态转换图中主要包含以下几个状态：启动、监听、待邀请加入、待邀请发送阶段、持有令　牌。令牌环的数据包格式如图４所示，本协议为了减少发送数据包的次数，采用了随数据包发送令牌的　控制方式。图４中ＦＣ：帧的控制字段，ＲＴＮ：令牌的序号，每传递一轮，令牌序号就加一，可以采用有限　序号个数而序号循环使用来减少序号占用的位数，ＤＲ：令牌传递的下一机器人ＩＤ。　３．１环的建立或加入　

维普资讯 http://www.cqvip.com 媚卷第ｌ期（总第１　７９期）　孟宪松，等：多水下机器人编队通信研究　ＩＤ　连接　发送数据　加入环　坐标　０　１　１　１　蔓’　１　１　０　１　ｌ　２　０　０　１　Ｉ　●●●　

１　１　０　１　图２信息管理库结构　

４令牌环的数据包格式　

待邀请发送阶段　

收　到　发　送　邀　请　

发送成功　

兰兰　塾糟　

图３　ＭＡＣ层协议状态转换图　机器人在开机后立即进入启动状态，完成系统的初始化、变量和参数的设定，对每个机器人按照它　们在任务中的角色进行编号，也可让机器人采用随机的方式进行自动协商，以完成编号，编号ＩＤ号码　为０一（，ｚ—１）的非负整数，，ｚ为参与编队的机器人的个数，完成后进入到监听状态同时设定定时器时　问Ｔ１＊ＩＩ），Ｔ１为发送系统中最大传播时问与发送自己信息传输时问之和，每个机器人都发送自己的信　息，如坐标、最大运动速度、能量等信息用于其它机器人来评估与这个机器人连接的可靠性。　进入监听状态后机器人定时广播发送自己的信息，对于第一个发送的机器人默认为它具有令牌，而　其它的机器人没有令牌，同时也没有加入到环中来，如果机器人在定时器超时以前收到数据，则可根据　收到的信息分为两种情况处理：　（１）收到的信息为机器人各自发送自己信息并邀请加入环的信号，这时根据收到信号的源机器人　ＩＤ来判断是否发送自己的信息，同时邀请别的机器人加入环，判断的标准为接收到的信号的源ＩＤ如果　为本机（ＩＤ～１），则本机立即发送自己的信息并且邀请其它机器人加入环，同时进入到待邀请发送状　态，否则修改自己的定时器的时间为（ＩＤ１一ＩＤ２）＊Ｔ１，这里ＩＤ１为机器人自己的编号，ＩＤ２为发送信号　的机器人的ＩＤ，同时修改本机中记录最后发送信号的机器人ＩＤ的值。但是当超过２＊Ｔ１时间没有机器　人发送自己的信号的时候或者如果发起环建立的机器人知道参与编号的机器人的个数的时候而且现在　每个机器人都已发送信息的时候，发起建立环的机器人就开始发送令牌，开始启动环的维护。　（２）如果收到的信号为现有环中的节点发送的数据，则机器人就转入待邀请状态，等待环中节点发　邀请，它才能够发送信号，提出申请加入环。　进入待邀请加入状态的机器人一直处于监听状态，如果有机器人发出信号邀请其他未入环的机器　人加入，则本机器人会在等待一个随机的时间后发送一个包含自己的信息的数据包，采用等待一个随机　时间是为了减少多个机器人在同一个时间发送自己信息的概率，同时申请加入环，随机时间的计算以发　送的数据包发送时问的整数倍计算，最大不超过一个最长的传输延迟时间。如果发送后收到发起邀请加　入机器人的回应批准数据包，同时允许本机器人加入，则转入待邀请发送状态，否则状态不变，继续等　待。　３．２环的维护　在最后一个机器人发送完自己信息或超过２＊Ｔ１时间没有机器人发送自己的信息，则发起环建立　的机器人认为所有可以加入的机器人都已加入，立即发送令牌。同时如果有数据要发送则附带发送自己　的数据，数据的最大长度可以根据需要来设定。具体的设定在多水下机器人编队中必须考虑到编队机器　人的每个周期的通信数据量以及编队的机器人的控制节拍。在由发起建立环的机器人发送令牌以后，环　就成立了，以后的过程就是对令牌的处理及对环的维护。　机器人进入待邀请发送状态后就一直等待令牌的到来，如果超过环上节点个数乘以每个节点的最　

薰　

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