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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): 1-9 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): 1-9 doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2024-0117
Zhang Meng, Wei Bowen, Jin Junhao, Tong Feng, Zhang Fumin. An underwater WIFI-acoustic dual link cooperative control AUV for confined water applications[J]. Journal of Unmanned Undersea Systems. doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2024-0117
Citation: Zhang Meng, Wei Bowen, Jin Junhao, Tong Feng, Zhang Fumin. An underwater WIFI-acoustic dual link cooperative control AUV for confined water applications[J]. Journal of Unmanned Undersea Systems. 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项目资助(22CZB012HJ13).
详细信息
    作者简介:

    张檬:张 檬(2000-), 女, 在读研究生, 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、智能语音处理等.

  • 中图分类号: P75, TB56

An underwater WIFI-acoustic dual link cooperative control AUV for confined water applications

  • 摘要: 近年来, 自主水下航行器(AUV)在环境监测、资源勘探、水下救援、管道巡检和水下施工等多样化海洋任务中的应用日益广泛, 其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 (水下助手-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(IMU)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 collaboration

    图  2  AUV总体设计框架

    Figure  2.  Overall design block diagram of AUV

    图  3  SubseaBuddy-3 AUV及主要组成模块

    Figure  3.  SubseaBuddy-3 AUV and its main components

    图  4  上位机操作界面

    Figure  4.  Upper computer operation interface

    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 collaboration

    图  10  AUV双链路协同工作流程图

    Figure  10.  Workflow diagram 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.  Pool test and lake test scene

    图  13  两场景水声信道响应

    Figure  13.  Two-scene underwater acoustic channel response

    图  14  水声链路控制

    Figure  14.  Underwater acoustic link control

    图  15  水声信号波形图

    Figure  15.  Diagram of Underwater acoustic signal waveform

    图  16  水声信号误比特率统计

    Figure  16.  Underwater acoustic signal bit error rate statistics

    图  17  水声信号信噪比-误比特率曲线

    Figure  17.  Underwater acoustic signal bit error rate statistics

    图  18  双链路协同回传的水下图像

    Figure  18.  Dual link collaborative return of underwater images

    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 AUV

    参数数值
    舱体长度/mm700
    舱体内径/mm220
    舱体壁厚/mm5
    重量/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 AUV underwater acoustic link

    AUV通信相关参数参数值
    通信距离/km5
    采样率/kHz75
    信号中心频率/kHz25
    调制方式DSSS
    数据率/bps55.8
    下载: 导出CSV
  • [1] BROWN H. C, LAWRENCE M. S, SLOAT J. V, et al. Toward longitudinal reef health monitoring in the florida keys national marine sanctuary using iver AUVs[C]//OCEANS 2019 MTS/IEEE SEATTLE. Seattle: IEEE, 2019, 1-7.
    [2] GALLIMORE E, TERRILLl E, HESS R, et al. Integration and evaluation of a next-generation chirp-style sidescan sonar on the REMUS 100[C]//IEEE/OES Autonomous Underwater Vehicle Workshop. Piscataway: IEEE, 2018, 1-6.
    [3] KUKULYA A, PLUEDDEMANN A, AUSTIN T, et al. Under-ice operations with a REMUS-100 AUV in the Arctic[C]//IEEE/OES Autonomous Underwater Vehicles. Piscataway: IEEE, 2010, 1-8.
    [4] UNDERWOODd A, MUEPHY C. Design of a micro-AUV for autonomy development and multi-vehicle systems[C]//OCEANS 2017 - Aberdeen. Aberdeen: OCEANS, 2017, 1-6.
    [5] RANDENI P. S. A. T, RYPKEMA N. R, FISCHELL E. M, et al. Implementation of a hydrodynamic model-based navigation system for a low-cost AUV fleet[C]//IEEE/OES Autonomous Underwater Vehicle Workshop. Piscataway: IEEE, 2018, 1-6.
    [6] DUECKER D. A, BAUSCHMANN N, HANSENn T, et al. HippoCampusX – A Hydrobatic Open-source Micro AUV for Confined Environments[C]//2020 IEEE/OES Autonomous Underwater Vehicles Symposium (AUV). NL, Canada: IEEE, 2020, 1-6.
    [7] RENNER C, HEITMANN J, STEINMETZ F, et al. Inexpensive, lowpower communication and localization for underwater sensor networks and µAUVs[J]. Association for Computing Machinery, 2020, 16(2): 1550-4859.
    [8] BAEYENS W, GAO Y, et al. In situ measurements of micronutrient dynamics in open seawater show that complex dissociation rates may limit diatom growth[J]. Scientific reports, 2018, 8(1): 16125. doi: 10.1038/s41598-018-34465-w
    [9] CYR F, TEDETTI M, BESSON F, et al. A glider-compatible optical sensor for the detection of polycyclic aromatic hydrocarbons in the marine environment[J]. Technology report, 2019, 6: 1-15.
    [10] BEGUERY L, LOSSENT J, TRICARICO R, et al. Mapping underwater noise, detection of ships and cetaceans using a SeaExplorer glider at a basin level: Feedback from the first 1000 km-long acoustic exploration of the Western French Mediterranean Sea[J]. The Journal of the Acoustical Society of America, 2018, 144(3): 1807.
    [11] FOMMERVAULT O. D, BESSON F, BEGUERY L, et al. Seaexplorer underwater glider: A New Tool to Measure depth-resolved water currents profiles[C]//OCEANS 2019 - Marseille. Marseille: OCEANS, 2019, 1-6.
    [12] WENG Y, CHUN S, SRKIMORI Y, et al. Acousto-optic cooperative pointing, acquisition and tracking method for undersea laser communication[C]//OCEANS 2023. Limerick, Ireland: QCEANS, 2023, 1-4.
    [13] TAO Q, ZHOU Y, TONG F, et al. evaluating acoustic communication performance of micro AUV in confined space[C]//2018 OCEANS-MTS/IEEE Kobe Techno-Oceans(OTO). Kobe: IEEE, 2018, 1-6.
    [14] 沈亚鹏. 受限水域KCS集装箱船岸壁效应数值研究[D]. 浙江: 浙江海洋大学, 2022.
    [15] 曾一凡, 李晖. 扩频通信原理[M], 北京: 机械工业出版社, 2005.
    [16] 荆帅. 水下机器人动力装置设计与运动控制研究[D]. 沈阳: 沈阳工业大学, 2022.
    [17] TP-LINK. TL-XDN8180 1.0 产品介绍[EB/OL], (2024-01-09)[2024-01-09]. https://resource.tp-link.com.cn/pc/docCenter/showDoc?id=1649854043758582.
    [18] 童峰, 周跃海, 陈东升等. 异构无人潜水器水声通信技术发展综述[J]. 哈尔滨工程大学学报, 2023, 44(11): 1963-1976.
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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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