本文摘要：摘要：针对水下机器人集群通信平台在实际运用中，存在多普勒效应、易受水质和障碍物等影响产生误码的问题，提出一种基于弱电鱼感知机理的水下仿生电场通信系统。该系统根据仿生电流场通信原理，通过两对发射接收电极传递信号，设计了一套基于幅移键控原理的现场可编程
摘要：针对水下机器人集群通信平台在实际运用中，存在多普勒效应、易受水质和障碍物等影响产生误码的问题，提出一种基于弱电鱼感知机理的水下仿生电场通信系统。该系统根据仿生电流场通信原理，通过两对发射接收电极传递信号，设计了一套基于幅移键控原理的现场可编程门阵列(FPGA)数模混合电路。首先，为实现平台低功耗及小型化，模拟电路通过合理选型并进行画板制版，具体的发射电路包含幅移键控调制电路以及半桥驱动放大电路，采用低零漂高精度仪表运放提取接受电极两端电势差;其次，为了提高水下机器人集群通信距离实时变化时通信系统的稳定性，通过FPGA增益控制数字电路控制可编程放大器实现自适应倍数放大;然后，采用FPGA模数转换数字驱动电路驱动模数转换芯片将模拟信号转换为数字信号;最后，通过整流滤波数字电路整流后设计幅移键控非相干解调数字电路输出二进制数据流后由串口电路传输至树莓派中进行数据处理。仿真分析了不同尺寸不同形状障碍物对水下电场通信影响，并进行水下通信实验，结果表明：在淡水中电导率为487μS/cm条件下，所提出的水下电场通信系统可实现通信距离为2.4m时误码率为0%，且水下电场通信收发电极平行时，通信性能最佳。
关键词：水下机器人;水下通信;数字通信系统;现场可编程门阵列
近年来，海洋机器人集群成为新型海洋装备的发展趋势与新型作战模式[1]，并在海洋资源探测、海上救援以及水下考古等方面有着巨大应用前景[2]。推动水下机器人集群协同作业的关键技术主要在于解决水下机器人集群节点间快速稳定通信技术难题。对比于传统的陆地上的集群通信方式[3-4]，水下通信条件更加严苛，陆地上的无线电磁波等无线通信方式在水下衰减较为严重，故无线电磁波水下基本不可能实现。
目前，水下无线通信方式主要分为，水下声场通信，水下光通信以及水下电场通信[5-6]。其中，水下声通信是利用声波在水里传播实现通信[7-8]。但还存在着传输速率低、带竞有限;容易受水质、水温、水压和水下噪声的影响形成多路径干扰信号和盲区等缺陷;水下光通信包括水下可见光通信、水下不可见光通信，以往研究表明由于这种技术受水下环境干扰严重，使得水下光通信技术在一定程度上受到制约[9-10]。
近年来多个国内外团队利用电场本身所具有的高效通信能力，开始研究将水下仿生电场探测系统应用于水下多节点通信之中。1971年，Schultz在发表的文章中详细介绍了水下电场通信的基本原理，并且将水下电场通信原理应用于潜水员，制作了一个水下通信装置[11];2007年，来自新加坡信息通讯研究所的Joe等人采用水下电场原理进行了水下近场数字通信设备的研究，提出一种新型的电极板布局结构，能够最大化提高水下电场通信的通信距离。
2009年，海军工程大学谭涛等人基于FSK调制解调方案，采用AT89S52等芯片进行了潜水员水下近距离电场通信电路的研制，初步设计实现了一种近距离水下语音传输电路[13]。2010年，西北工业大学李斌等人在理论分析的基础上，设计了一套基于数字信号处理器(DSP)的水下电场通信系统，实现了1m以内水下电场通信[14];近年来，北京大学谢广明课题组设计实现了一款水下电场通信系统，并将该系统搭载于小型仿箱鲀机器鱼上，通过水下实验研究了影响水下电场通信因素，无误码条件下接收电极间距为1.5m时，通信距离可达到2.3m[15-19]。
哈尔滨工程大学薛伟课题组设计了一套基于电场通信技术的水下数字信号传输系统，可以在海洋环境中实现，通信频率为31Hz的水下通信，当发射功率20W功率时，实现约30m远距离语音通信[20-21]。根据上述国内外研究可以发现，目前水下电场通信已经实现了中远距离的通信，大多数水下电流场通信设备尺寸较为庞大、功耗较大、大都为超低频通信并且不能动态适应通信距离、实时调整系统的通信距离。
而水下机器人集群通信系统，由于群集要求，对通信设备尺寸以及功耗有所要求，并且需要根据距离不同实时调整通信系统的放大倍数、自适应调整通信距离。故本文将开展一种低功耗、轻量型的水下电场通信系统的设计与研制，为实现水下机器人智能集群协同作业奠定基础。
1水下电流场通信的可行性分析
1.1基于电偶极子的水下电场通信原理
在自然界中，Gymnotid和Mormyrid这两种鱼类具备电感知能力，它们依靠这种能力进行信息的交流以及目标的定位探测，这种鱼类被称为弱电鱼[22-23]。其中对于信息的交流，弱电鱼通过自身的电器官放电(EOD)产生具有特定频率与波形的电信号，而另一弱电鱼可通过自身的电感受器官接收电信号，并通过神经系统进行识别该信号特征，这一过程称为电场通信[24]。
与其他传统水下通信方式相比，尽管电场通信距离较近，但电场通信稳定性更高，不易受环境干扰。据目前学者对弱电鱼智能感知的机理研究，人们发现了基于电偶极子的水下电场通信模型。
水下电场通信是基于水下信道通过电流或者电场进行信号的传输。究其本质其实是一种电磁波传输。众所周知，电磁波在传输过程中，会产生传导电流与位移电流。而要实现水下电场通信，则需减小或者消除位移电流的影响，据目前国内外研究可知，当电磁波的频率较低时，传导电流占主要成分，位移电流可以忽略不计，这样的电流场可称为准静态电场。由于分析交变电偶极子的性能仍然过于复杂，需要进一步简化分析，限制系统工作在近场区域。据学者研究，如果工作区域半径R满足以下不等式，则近场假设成立[25]。
1.2水下电流场通信原理
与模拟通信相比，数字通信具有较高的抗噪声能力，易于集成到微控制器中。因此，本论文采用数字通信方法对水下群集机器人进行电流场通信。通常，要使数字信号在有限带宽的信道中传输，就必须用数字信号对载波进行调制与解调。目前，使用较为广泛的调制方法主要为二进制幅移键控(2ASK)、二进制频移键控(2FSK)以及二进制相移键控(2PSK)。
本论文设计的电场通信频率为12kHz，在对通信速率要求并不很高的情况下，主要考虑的还是技术的可实现性问题，所以选用一种技术实现相对简单的调制方式，决定选用2ASK调制方式。在2ASK调制中，载波的幅度只有两种变化状态，即利用数字信息0或1的基带矩形脉冲去键控一个连续的载波，使载波时断时续输出。有载波输出时表示发送1，无载波输出时表示发送0。振幅键控信号的解调主要有包络检波法和同步检测法两种方法，后者又被称为相干解调法。在大信噪比条件下，为了得到给定的误码率，相干解调法所要求的信噪比与包络检波法相近。
换句话说，在大信噪比条件下，这两种检测方法的抗噪声性能相差并不多。但包络解调工程实践起来较为简便，故本研究内容采用包络解调。包络解调主要由整流、低通滤波器、判决输出以及位定时脉冲模块组成，其中低通滤波器主要起包络作用，通过位定时脉冲进行码元同步进而判决输出。
2电流场通信系统设计
为了实现小型化、可集成化、低功耗水下电场通信系统，设计一款模数融合的电流场通信系统。首先，单片机UART输出一路基带信号和一路PWM载波信号，通过ASK调制、功率放大电路将信号输入至水中的一对发射电极，信号在水下信道中通过电流场进行传播。集群机器人2通过一对接收电极接收信号，并通过差分放大、模数转换电路输入至FPGA芯片中进行数字整型滤波、解调、以及放大电路的自动增益控制，并由UART输出至树莓派中进行处理。
2.1电流场通信系统底板电路设计
为了实现水下机器人集群通信，进行了水下电场通信模拟电路的设计。首先，发射电路主要由基带信号载波信号发生电路、2ASK调制电路以及信号放大电路组成。其中，载波信号与基带信号由MCU产生，基于上一节理论推导可知，为满足近场通信条件，载波频率为12kHz，为了实现信号的调制，基带信号采用串口600波特率传输速率。
2.2电流场通信系统数字逻辑电路设计
为了实现水下电场通信，关键在于信号的调制解调，本文采用2AKS数字解调方法。数字逻辑电路主要包括时钟分频模块(ip_pll)、模数转换驱动(ads8411)、整流滤波(commutator)、2ASK解调(AskDemod)、PGA增益控制(PGA_CONTRL)以及串口传输(uart_top)数字电路。
其中，模数转换驱动电路将模拟电路中接收到的调制信号AD_Db[15:0]转换为数字量Ad_DATA[15:0]，之后PGA增益控制(PGA_CONTRL)模块通过提取ADS8411模数转换波形电压值，而后采用一系列数字比较器进行电压比较分类，进而根据不同电压值控制PGA_A0、PGA_A1、PGA_A2和PGA_A3输出电平对PGA进行倍数控制，使得最终接收到的电信号幅值达到数字电路可解码范围，以实现对水下电场通信的微弱信号进行自适应放大控制。
FPGA数字电路的电压区间与自适应控制倍数。其中 数字调制信号通过commutator对带有噪音的调制信号进行归一化处理得到commutator_out[7:0]。
由上一节可知本文采用包络解调算法对调制信号进行解调。非相干解调数字电路AskDemod如图10所示，主要由低通滤波器模块(ip_fir)、符号判决门限模块(Gate)和锁相环位同步模块(BitSync)组成。低通滤波器对调制信号进行包络处理，得到基带信号fir_data[13:0]。接着为了最大可能无差错地在接收端还原出原始数据还需要对其进行符号定时及判决输出，其中符号判决门限模块基于256个采样周期的基带信号fir_data[13:0]求均值获得最佳的判决门限mean[13:0]。
通过比较基带信号与门限关系得到判决输出信号cmpout;锁相环位同步模块需要产生与输入数据频率一致的位同步时钟信号Sync，保证每一位数据判决一次，同时需要选择信噪比最大的时刻对基带波形进行判决，以提高判决的正确性，输出基带二进制码流dataout。最后由uart_top串口传输电路的UART_TX端口输出至树莓派中。整个数字电路采用50MH系统时钟sys_clk，由分频电路产生clk1用于数字电路主要采样频率50kHz，clk2解调电路位同步驱动时钟200kHz。
3实验验证及分析
3.1水下电场通信仿真建模分析
目前国内外的水下电流场模型都是基于电流进行建模，而目前大多数水下电场通信设备都是基于电压的形式进行传播，受水质及电极间距影响，发射电极之间的电流是不定的。本文基于电压对水下电场通信进行仿真建模分析。
为了分析障碍物类型对水下电场通信影响，本文分别开展了不同尺寸的正方体和球型障碍物环境下，测量距发射电极5m处电场强度变化，其中尺寸分别代表正方体边长以及球型障碍物的直径。通过表可以看出，随着障碍物尺寸的增加，测点的电场强度在不断下降，并且通过球型障碍物后的电场强度比正方体的要高。
本实验主要评估不同的PGA放大倍数对水下电场通信误码率的影响，由于受本水池长度的影响，完成了2.5m之内的通信试验，设置最大放大倍数为40倍。在同一PGA放大倍数条件下，随着距离的升高，水下电场通信信号衰减增大，接收极板感应到的电动势减小，水下电场通信误码率在某一距离下从0%突变至100%，本文设计的水下电场通信采用了commutator整流滤波模块，低于所设阈值输出为零，因此当接收电路接收电压低于阈值时，将不会被解码，因此到达一定距离后，误码率急剧上升。
这一临界值随着PGA放大倍数的增大而增大，这是由于PGA倍数越大电路识别微弱信号的灵敏度越高。 其次，由于水下机器人集群通信时，各个个体之间并不是严格平行的，发射接收电极之间的角度对水下电场通信影响较大，故本文开展了如下实验，该实验装置和水下电场通信距离实验一样，实验条件为，通信距离1.5m，本实验研究当接收电极固定，发射电极改变不同角度对通信性能的影响，定义虚线为发射电极与接收电极中线成0°位置，依次将发射电极逆时针旋转每隔5°做一组实验，测通信误码率。
当夹角为0°~10°、155°~180°时，通信误码率为100%，15°为7.88%、20°为0.46%、140°为0.25%、145°为0.72%、150°为1.1%，其他角度误码率为0%，由试验结果可知，当接发电极平行时(90°)通信效率最高。相互垂直时(0°、180°)误码率达到100%。
根据电场通信理论可知，感应电动势为一对发射电极产生的电场在一对接收电极处产生电势差，当两对电极平行时，所产生的电势差为最大值;当两对电极垂直时，所产生的电势差最小。接收极板与发射极板由平行(夹角90°)趋于垂直(夹角0°、180°)过程中，接收极板两电极之间的电势差逐渐减小，直至夹角20°、150°时，此时电动势为电路可识别最微弱电压，故当夹角为20°~150°时，误码率基本维持在零点，不会产生误码。该结果与理论分析基本一致。
4结论
本文主要围绕解决水下机器人集群通信系统大型化、高功耗、通信距离受限等问题，开展了如何建立水下电偶极子通信模型、如何更好地实现水下电场通信调制解调进行了研究，设计了一套基于水下电流场理论的低功耗数模混合集群通信系统，并开展了水下电场通信系统小型化制版实现。
为了验证该系统的通信性能和可行性，本文开展了水下电场通信极限距离的测定实验，得出在2.4m内本文水下电场通信系统的可行性且误码率为零的结论，验证了收发电极之间的通信角度对水下电场通信性能的影响，当发射极板与接收极板中垂线夹角为0°~10°、155°~180°时，通信误码率为100%，15°为7.88%、20°为0.46%、140°为0.25%、145°为0.72%、150°为1.1%，其他角度误码率为0%。论证了水下电场通信理论接发电极角度对通信性能的影响，两极板平行时通信性能最佳，两极板垂直时误码率100%。
参考文献:
[1]QINChuan,DUJun,WANGJingjing,etal.AhierarchicalinformationacquisitionsystemforAUVassistedinternetofunderwaterthings[J].IEEEAccess,2020,8:176089-176100.
[2]丁文俊,宋保维,毛昭勇,等.海洋动能发电装置在水下探测航行器的安装位置对发电性能的影响[J].西安交通大学学报,2016,50(1):108-114.DINGWenjun,SONGBaowei,MAOZhaoyong,etal.Influenceofinstallationpositionofoceankineticenergyconverteronthepowergeneratingperformanceinunderwaterdetectionvehicles[J].JournalofXi'anJiaotongUniversity,2016,50(1):108-114.
[3]张秋月,张林让,谷亚彬,等.恒包络OFDM雷达通信一体化信号设计[J].西安交通大学学报,2019,53(6):77-84.ZHANGQiuyue,ZHANGLinrang,GUYabin,etal.SignaldesignofcommunicationintegrationforradarswithconstantenvelopeOFDM[J].JournalofXi'anJiaotongUniversity,2019,53(6):77-84.
[4]杨洋,张瑞智,张杰,等.植入式医疗装置的无线通信和能量收集电路[J].西安交通大学学报,2018,52(7):160-166.
作者：续丹1,2,3，余雷1，胡桥1,2,3,冯兴龙1,陆涛1
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