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一种面向受限水域应用的水声-WIFI双链路协同控制AUV

张檬 魏博文 金均昊 童峰 张福民

张檬, 魏博文, 金均昊, 等. 一种面向受限水域应用的水声-WIFI双链路协同控制AUV[J]. 水下无人系统学报, 2025, 33(1): 56-64 doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2024-0117
引用本文: 张檬, 魏博文, 金均昊, 等. 一种面向受限水域应用的水声-WIFI双链路协同控制AUV[J]. 水下无人系统学报, 2025, 33(1): 56-64 doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2024-0117
ZHANG Meng, WEI Bowen, JIN Junhao, TONG Feng, ZHANG Fumin. AUV with Underwater Acoustic-WIFI Link Cooperative Control for Confined Waters[J]. Journal of Unmanned Undersea Systems, 2025, 33(1): 56-64. doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2024-0117
Citation: ZHANG Meng, WEI Bowen, JIN Junhao, TONG Feng, ZHANG Fumin. AUV with Underwater Acoustic-WIFI Link Cooperative Control for Confined Waters[J]. Journal of Unmanned Undersea Systems, 2025, 33(1): 56-64. doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2024-0117

一种面向受限水域应用的水声-WIFI双链路协同控制AUV

doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2024-0117
基金项目: 国家重点研发计划项目资助(2018YFE0110000); 上海市科委“科技创新行动计划”项目资助(21DZ1205502); 厦门市海洋产业项目资助(22CZB012HJ13).
详细信息
    作者简介:

    张檬:张 檬(2000-), 女, 在读硕士, 主要研究方向为AUV移动水声通信

    通讯作者:

    童 峰(1973-), 男, 教授, 主要研究方向为水声通信与网络、声探测与感知及智能语音处理等.

  • 中图分类号: TJ630.34; U674

AUV with Underwater Acoustic-WIFI Link Cooperative Control for Confined Waters

  • 摘要: 自主水下航行器(AUV)水下控制链路一般采用水声通信链路。对于浅海岸滩、水库、湖泊、管渠及洞穴等水域地形复杂的受限水域, 复杂多径会对高速率水声通信性能造成严重影响, 而有限水域深度为无线链路的应用提供了可能性。面向此类应用, 文中设计了一种采用水声和WIFI双链路协同控制的小型AUV: SubseaBuddy-3, 其水声链路采用低速率扩频水声通信方式以保证强多径条件下的通信可靠性, 而高速率WIFI链路则可在浅水区工作, 或应用于布放前的功能调试测试, 以及回收阶段的控制和观测。通过水声链路、WIFI链路在不同工作深度、不同信息获取/回传状态进行协同, 可满足受限水域条件下可靠指控、水下图像实时/准实时回传的需求。同时, AUV配备惯性测量单元和深度传感器, 可进行姿态和深度控制。水池实验证实了双链路AUV的工作有效性。

     

  • 图  1  双链路协同AUV应用场景

    Figure  1.  Application scenario of dual-link AUV cooperation

    图  2  AUV总体设计框架

    Figure  2.  Overall design block diagram of the AUV

    图  3  SubseaBuddy-3 AUV及其主要组成模块

    Figure  3.  SubseaBuddy-3 AUV and its main components

    图  4  上位机操作界面

    Figure  4.  Operation interface of upper computer

    图  5  分布式运动控制原理图

    Figure  5.  Schematic diagram of distributed motion control

    图  6  WIFI模块

    Figure  6.  WIFI module

    图  7  水声通信模块

    Figure  7.  Underwater acoustic communication module

    图  8  通信系统框图

    Figure  8.  Block diagram of communication system

    图  9  AUV双链路协同工作控制框图

    Figure  9.  Control block diagram of AUV dual-link cooperation

    图  10  AUV双链路协同工作流程图

    Figure  10.  Flow chart of AUV dual-link collaboration

    图  11  水下数据传输框图

    Figure  11.  Block diagram of underwater data transmission

    图  12  泳池测试及湖试场景

    Figure  12.  Test scenes of pool and lake

    图  13  两场景水声信道响应

    Figure  13.  Underwater acoustic channel response of two scenes

    图  14  水声链路控制

    Figure  14.  Acoustic link control

    图  15  水声信号波形图

    Figure  15.  Diagram of acoustic signal waveform

    图  16  水声信号误比特率统计

    Figure  16.  Statistics of acoustic signal bit error rate

    图  17  水声信号信噪比-误比特率曲线

    Figure  17.  Curve of signal noise ratio-bit error rate of acoustic signal

    图  18  双链路协同回传的水下图像

    Figure  18.  Underwater images of dual-link cooperation return

    图  19  串口回传数据

    Figure  19.  Serial port backhaul data

    表  1  AUV基本规格

    Table  1.   Basic specifications of the AUV

    参数数值
    舱体长度/mm700
    舱体内径/mm220
    舱体壁厚/mm5
    质量/kg20
    最大下潜深度/m20
    下载: 导出CSV

    表  2  AUV水声链路通信指标

    Table  2.   Communication specifications of acoustic link of the AUV

    参数数值
    通信距离/km5
    采样率/kHz75
    信号中心频率/kHz25
    调制方式DSSS
    数据率/(bits/s)55.8
    下载: 导出CSV
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出版历程
  • 收稿日期:  2024-06-25
  • 修回日期:  2024-09-04
  • 录用日期:  2024-09-09
  • 网络出版日期:  2025-01-14

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