楊 薇

(廣州工程技術(shù)職業(yè)學(xué)院，廣東 廣州510075)

0 引 言

我國(guó)擁有豐富的海洋資源，海洋空間廣闊，隨著人口的增長(zhǎng)和科技的進(jìn)步，人類越來(lái)越意識(shí)到開(kāi)采和利用海洋的必要性。通過(guò)水下機(jī)器人進(jìn)行海底世界的探索成為世界各國(guó)爭(zhēng)相研究的熱點(diǎn)。水下機(jī)器人在進(jìn)行水下任務(wù)時(shí)，采集到的數(shù)據(jù)需要通過(guò)水聲通信傳遞給PC 機(jī)進(jìn)行分析，水聲通信具有傳輸速率快、誤碼率低的特點(diǎn)，并且能根據(jù)帶寬自適應(yīng)數(shù)據(jù)的密度。

本文通過(guò)調(diào)研水下機(jī)器人的發(fā)展歷程，提出了帶有履帶機(jī)器人的系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案，并對(duì)其車載模塊進(jìn)行設(shè)計(jì)及算法控制。然后通過(guò)對(duì)脈沖調(diào)制、差分脈沖調(diào)制進(jìn)行對(duì)比，提出利用改進(jìn)的DPPM 進(jìn)行水下通信，最后通過(guò)實(shí)驗(yàn)說(shuō)明此種方法提高了數(shù)據(jù)的傳輸速率，以白噪聲進(jìn)行實(shí)驗(yàn)仿真，說(shuō)明當(dāng)信號(hào)因?yàn)檠舆t為疊加時(shí)，系統(tǒng)抗干擾能力會(huì)先變強(qiáng)，然后隨著疊加數(shù)據(jù)的增多，抗干擾性減弱。

1 水下機(jī)器人系統(tǒng)

本文主要研究帶有履帶機(jī)器人的電氣系統(tǒng)組成。此系統(tǒng)主要包括PC 機(jī)和控制臺(tái)形成的上位機(jī)對(duì)下位機(jī)發(fā)布指令，下位機(jī)在接到指令后直接控制小車的運(yùn)行，用戶通過(guò)鼠標(biāo)、體感設(shè)備等給控制臺(tái)發(fā)布指令，同時(shí)控制臺(tái)將此指令傳遞給車載系統(tǒng)。用戶可以從電腦顯示器對(duì)采集得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行保存、展示以及回播等。系統(tǒng)組成如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)組成圖Fig.1 System components diagram

2 系統(tǒng)電機(jī)和PID 控制理論

1)電機(jī)控制

直流電機(jī)的轉(zhuǎn)速可以表示為:

式中:U 為電壓;I 為電流;R 為電阻;KΦ 為常量，表示速度。

電機(jī)線圈組兩端的電壓均值為:

式中:α 為占空比;Us為電壓最大值。

針對(duì)圖1 中的車載組成，給出電機(jī)、云臺(tái)電機(jī)的參數(shù)值，如表1 所示。

表1 電機(jī)各個(gè)參數(shù)值Tab.1 Parameters value of motor

可知:半徑21 mm 的運(yùn)動(dòng)主動(dòng)輪，編碼器得到的脈沖數(shù)是34 ×520 =17 680，能夠前進(jìn)的距離為2×π×21 =42π mm。

前進(jìn)的速度為:

實(shí)際的前進(jìn)速度為:

式中:N 為脈沖個(gè)數(shù);t 為脈沖輸出間隔。

云臺(tái)齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)360°可以得到691 × 30 × 5 個(gè)脈沖。

接受的控制臺(tái)命令后云臺(tái)轉(zhuǎn)速Vpms:

實(shí)際的前進(jìn)速度為:

2)PID 控制

PID 控制的圖示如圖2 所示［1－2］。初值與實(shí)際輸出之間的誤差為e(t)，PID 控制的輸入為e(t)，輸出為u(t)。

圖2 PID 控制圖Fig.2 PID control charts

在采樣過(guò)程中，T 為周期;k 為采樣次數(shù)，則式(9)可表示為:

分別用積分、微分、離散等運(yùn)算表示上式時(shí)，可以表示為:

PID 控制的程度由因子Kp決定，Kp越大，說(shuō)明控制的程度越強(qiáng)，但是當(dāng)此值超過(guò)閾值時(shí)系統(tǒng)會(huì)產(chǎn)生震蕩，影響系統(tǒng)的穩(wěn)定。積分運(yùn)算的輸入是e(t)的累計(jì)值，作用是消除靜態(tài)誤差，但是影響了系統(tǒng)的反應(yīng)速度，微分運(yùn)算好處是能夠使偏差的變動(dòng)得以控制，同時(shí)增大KD能夠使積分損失掉的響應(yīng)重新找回，同時(shí)使系統(tǒng)處于穩(wěn)定狀態(tài)。

3 采用改進(jìn)的DPPM 進(jìn)行水下通信

隨著互聯(lián)網(wǎng)的普及和4G 網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展，水下通信對(duì)于海洋資源的開(kāi)發(fā)越來(lái)越重要。水下通信［3］往往受到頻率多變、干擾過(guò)多、噪聲強(qiáng)的影響，水下通信的方式、信號(hào)處理等都逐步發(fā)展，從模擬信號(hào)發(fā)展到數(shù)字信號(hào)，通信方式由非相干轉(zhuǎn)變?yōu)橄喔?。本文采用脈沖調(diào)制的方式進(jìn)行水下通信。

在數(shù)據(jù)發(fā)送端L 位的連續(xù)二進(jìn)制數(shù)據(jù)與脈沖調(diào)制的m 個(gè)時(shí)隙相對(duì)應(yīng)，如圖3 所示。

圖3 脈沖調(diào)制數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)Fig.3 Pulse modulation data structure

由m 個(gè)時(shí)隙組成一個(gè)脈沖單元，寬度為T/m。脈沖的位置與L 位二進(jìn)制中的數(shù)對(duì)應(yīng)。

若一個(gè)脈沖單元含有m 個(gè)時(shí)隙，則一幀傳輸log2m 位數(shù)據(jù)，q × t 為每幀的靜息間隔，可得傳輸速率為:

平均功率P 與功率最大值PM的關(guān)系為:

脈沖調(diào)制方式和正弦波調(diào)制方式相比，功率降低，但是抗干擾能力強(qiáng)。

針對(duì)脈沖調(diào)制功率低的問(wèn)題，采用差分脈沖進(jìn)行改進(jìn)，脈沖數(shù)據(jù)組成如圖4 所示。

圖4 差分脈沖調(diào)制數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)Fig.4 Differential pulse modulation data structure

若從1 開(kāi)始到m 數(shù)據(jù)出現(xiàn)概率相同，q × t 為每幀的靜息間隔，可得傳輸速率為:

雖說(shuō)速率提高，可是固定的時(shí)隙，所需要傳遞的數(shù)據(jù)越大，需要的時(shí)長(zhǎng)就越大，此時(shí)傳輸速率又會(huì)降下來(lái)，為此，可以采用時(shí)隙不同的差分脈沖信號(hào)來(lái)提高傳輸速率。數(shù)據(jù)單元中第1 個(gè)時(shí)隙還是t長(zhǎng)度，以后每個(gè)時(shí)隙都減少t′，t′≤t，這樣就克服了差分脈沖傳輸大數(shù)據(jù)時(shí)速率下降的問(wèn)題。t′的取值取決于接收點(diǎn)的最小時(shí)間片段，在k= t′/t 時(shí)傳輸速率為:

通信時(shí)，發(fā)送信息與接受信息的時(shí)間參考點(diǎn)必須保持一致，這樣才能不會(huì)造成系統(tǒng)的紊亂。通常采用以下3 種方式進(jìn)行控制同步性［4］:

1)統(tǒng)一的時(shí)間體系;

2)同步信號(hào)獨(dú)立性;

3)提取信號(hào)自身的定是信息。

本文采用時(shí)頻分相結(jié)合的方式，利用寬度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于脈沖寬度的方波作為同步序列，通過(guò)閾值和頻率來(lái)判斷是同步幀還是數(shù)據(jù)幀。

根據(jù)文獻(xiàn)［5］提出的最大似然值同步檢測(cè)方法，即將上節(jié)的信號(hào)進(jìn)行采樣且緩存，從而確定同步信號(hào)的起始位置，如圖5 所示。

圖5 原理圖Fig.5 Schematic

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

本文通過(guò)采用改進(jìn)的DPPM 進(jìn)行水下通信，取第1 個(gè)時(shí)間間隔為1 ms，自此以后每個(gè)間隔為其1/10。m=16，q ×t=5ms，k=1/10 則帶入式(15)可知v=592.6bps。而采用相同間隔的通信方式，令t=1，則對(duì)于式(15)在時(shí)，可知不等間距通信的速率大于二進(jìn)制的，所以采用此種方式可以提高通信速率。

實(shí)驗(yàn)時(shí)將白噪聲加到通信電路中，白噪聲通過(guò)ARM 處理器的激勵(lì)放大器得到，輾轉(zhuǎn)公式為:

圖6 白噪聲的波形圖Fig.6 Waveform diagram of white noise

圖7 白噪聲的頻譜圖Fig.7 Spectrum of white noise

繼而得到白噪聲振幅和脈沖信號(hào)振幅對(duì)于檢測(cè)是都接收到信號(hào)的影響。

表2 噪聲、混合信號(hào)、誤碼率之間的關(guān)系Tab.2 Relations of noise，mixed－signal and the error rate

由表2 可知，延遲信號(hào)與原信號(hào)疊加后增加誤碼率，此種方式雖然提高了傳輸速率，但是抗對(duì)方干擾能力有待提高。

5 結(jié) 語(yǔ)

本文通過(guò)調(diào)研水下機(jī)器人的發(fā)展歷程，提出了帶有履帶的機(jī)器人系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案，并對(duì)其車載模塊進(jìn)行設(shè)計(jì)以及算法控制。然后通過(guò)對(duì)脈沖調(diào)制、差分脈沖調(diào)制進(jìn)行對(duì)比，提出利用改進(jìn)的DPPM 進(jìn)行水下通信，最后通過(guò)實(shí)驗(yàn)說(shuō)明此種方法提高了數(shù)據(jù)的傳輸速率，以白噪聲進(jìn)行實(shí)驗(yàn)仿真，說(shuō)明當(dāng)信號(hào)因?yàn)檠舆t為疊加時(shí)，系統(tǒng)抗干擾能力會(huì)先變強(qiáng)，然后隨著疊加數(shù)據(jù)的增多，抗干擾性減弱。

［1］王曉明．電動(dòng)機(jī)的單片機(jī)控制［M］．北京航空航天大學(xué)出版社，2002．

［2］吳小平，馮正平，朱繼懋．模糊PID 策略在AUV 控制中的應(yīng)用［J］．艦船科學(xué)技術(shù)，2007，29(1):95 －98．WU Xiao-ping，F(xiàn)ENG Zheng-ping，ZHU Ji-mao．Application on AUV control based on fuzzy PID strategy［J］．Ship Science and Technology，2007，29(1):95 －98．

［3］WOODWARD B，SARI H．Digital underwater acoustic voice communications［J］．Oeeanic Engineering，1996，21(2):181 －192．

［4］蔡惠智，劉云濤，蔡慧，等．水聲通信及其研究進(jìn)展［J］．物理，2006，35(12):1038 －1042．CAI Hui-zhi，LIU Yun-tao，CAI hui，et al．Advances in underwater acoustic communication［J］．Physics，2006，35(12):1038 －1042．

［5］鄒傳云，敖發(fā)良，張德現(xiàn)．全數(shù)字光PPM 接收機(jī)的最佳幀節(jié)同步［J］．電子學(xué)報(bào)，1999，27(7):31 －34．ZOU Chuan-yun，AO Fa-liang，ZHANG De-xian．Best frame synchronization of digital optical PPM receiver［J］．Chinese Journal of Electronics，1999，27(7):31 －34．