CN105824236B - 一种水下机器人的自适应组网通信方法 - Google Patents

一种水下机器人的自适应组网通信方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种水下机器人的自适应组网通信方法。根据AUV节点之间的相对距离，对于距离领航员AUV节点较远而距离其他跟随AUV较近的节点采用线性拓扑传输方式，而对于其他AUV节点采用一对多竞争拓扑传输方式。在线性拓扑传输过程中，领航员AUV和所有的跟随AUV通过广播与应答的方式实现时间同步，之后节点根据距离领航员AUV和数据传输的效果选择负责***节点的通信或休眠，这就降低了领航AUV的能量消耗，提高了整个AUV编队组网的生存时间。而一对多竞争的自适应通信方法包含了一种四路握手传输方法，该发明可以降低传输的丢包率并提高网络的吞吐量。

Description

一种水下机器人的自适应组网通信方法
技术领域
本发明属于水下机器人通信领域，尤其涉及一种水下机器人的自适应组网通信方法。
背景技术
自主式水下机器人(AUV)在军事上可广泛应用于水域侦查、中继通讯、区域探雷、智能攻击等。在民用方面，可用于海底生物资源探查，矿产资源采样，海底地形勘测，沉物打捞，地震地热活动监测，海洋环境监测等。
多AUV的协作可以提高工作效率，并在某个AUV发生故障时提供冗余。使用价格相对低廉，构造简单的多个小型AUV的合作来完成复杂的水下任务，比使用一个价格昂贵且携带多个传感器的大型AUV具有更好的性能。多水下机器人组网通信的主要目的是为水下机器人个体之间的信息交互、协调提供支持，并实现机器人内部不同功能模块之间的信息流通。
申请号为CN201510154636的中国专利文件(公开日：2015年9月9日)中公开的“一种用于水下机器人群协同控制的通信装置与方法”提供了一种用于水下机器人群协同控制的通信装置与方法。一种用于水下机器人协同控制通信装置与方法虽然与本专利属于同一技术领域，但它主要通过水生通信装置完成信号的检测、组包和编码，并通过协同控制方法解决通讯范围和带宽约束导致的跟踪性能下降问题。而本发明根据AUV节点之间的相对距离采取拓扑的信息传输方式，通过自适应MAC通信方法实现领航员AUV和所有的跟随AUV之间的数据传输和时间同步，这样该发明就降低了领航AUV的能量消耗，提高了整个AUV编队组网的生存时间和网络的吞吐量。
发明内容
本发明的目的是提供一种具有使用灵活，适应性强的水下机器人的自适应组网通信方法。
一种水下机器人的自适应组网通信方法，包括以下步骤，
步骤一：建立水下机器人组网的分层通信结构，结构包括物理层、数据链路层和网络层；
步骤二：在分层通信结构的基础上定义AUV节点之间通信的拓扑结构，G＝(V,ξ,A)为多个AUV节点组成的带权有向图,其中V＝{s1,s2,...,sn}是AUV的节点集,图的有向边集为A＝[aij]为有向图的带权邻接矩阵，aij≥0；每一条边(si,sj)对应AUV节点si和AUV节点sj在t时刻通信过程中的信道，即
步骤三：将水下机器人组网通信的拓扑结构分为线性传输拓扑结构和一对多竞争拓扑结构。
本发明一种水下机器人的自适应组网通信方法，还可以包括：
1、根据AUV节点之间的相对距离，选择线性传输拓扑结构和一对多竞争拓扑结构，对于距离领航员AUV节点较远而距离其他跟随AUV较近的节点采用线性拓扑传输方式，在线性拓扑传输过程中，领航员AUV和所有的跟随AUV通过广播与应答的方式实现时间同步，之后节点根据距离领航员AUV和数据传输的效果选择负责***节点的通信或休眠；而对于其他AUV节点采用一对多竞争拓扑传输方式，采用了一对多竞争的自适应通信方法。
2、线性传输拓扑结构的通信方法为：
(1)当一个领航员AUV与其他几个AUV跟随节点采用线性拓扑传输方式通信时，自适应组网通信方法中每个节点均包含一个“RTS”、“CTS”、“Data”和“ACK”，当信道竞争选择完毕后，领航员AUV和所有的跟随AUV通过广播与应答的方式实现时间同步，领航员AUV通过中间节点1向接收节点2发送消息；
(2)领航员AUV首先向接收节点1发送“RTS”消息，其数据包格式为{RTS,node_pos,node_speed，destination_node}，分别代表领航员AUV的数据发送请求、当前位置、速度和目的接收节点，当接收节点1收到“RTS”消息时，该AUV直接将该消息传递至接受节点2，并一直等待直至接收到目的AUV2返回的“CTS”或超时帧；当接收节点2收到“RTS”消息时，该节点被通知有即将到来的消息传输，目的AUV进入“Response adjustment”状态，同时向接收节点1传递“CTS”信息；当接收节点1收到接收节点2的“CTS”消息或超时帧时，向领航员AUV返回“CTS”消息，其数据包格式为{CTS1/overtime,node1_pos,node1_speed，CTS2/overtime,node2_pos,node2_speed}，分别代表接收节点1或2发出的“CTS”或超时消息，接收节点1或2的当前位置和速度；当超时发生时，领航员AUV重新根据其他AUV节点的位置信息选择目的AUV；
(3)当领航员AUV收到“CTS”消息，通过相应的信道经接收节点1向接收节点2发送数据，如果目的AUV1从领航员AUV接收到“Data”，进入“Response adjustment”状态，并将数据包转发至接收节点2；接收节点2接收数据完毕后，进入“ACK”状态，向接收节点1发送“ACK”数据包，否则即为数据传输超时；
(4)当“Response adjustment”状态完成，接收AUV2向接收AUV节点1发送“ACK”数据包，接收AUV节点1再将“ACK”数据包转发给领航员AUV节点；接收节点1所发送的“ACK”数据包格式为{ACK1/overtime,node1_pos,node1_speed，ACK2/overtime,node2_pos,node2_speed}，分别代表接收节点1或2发出的“ACK”或超时消息，接收节点1或2的当前位置和速度；在领航员AUV接收到“ACK”数据包后，将结束其数据传输过程，节点进入休眠状态。
3、一对多竞争拓扑结构的通信方法为：
领航员AUV携带它要发出的消息在预定的信道发出预接触数据包，如果几个AUV接收节点同时发出预接触数据包，信道对节点进行竞争和选择；信道竞争选择完毕后领航员AUV通过信道与目的AUV进行握手；自适应通信方法包含一个“RTS”、“CTS”、“Data”、“ACK”的四路握手方法，一个对其他等待AUV的阻止发送数据包，消息传输的延迟过程包含在“Response adjustment”时间内；在传输过程中，信道通过BTS阻止其他AUV节点的使用；
四路握手通信握手方法包含四个阶段：
第一阶段，当目的AUV接收到“RTS”帧时，该AUV被通知有即将到来的消息传输，目的AUV进入“Response adjustment”状态，以通过所选择的信道从领航员AUV接收数据包，同时向其他AUV节点发送“BTS”数据包以通知它们在这段时间进入“睡眠”状态；
第二阶段，领航员AUV发出“RTS”帧后，一直等待直至接收到目的AUV返回的“CTS”或超时帧，当超时发生时，领航员AUV就返回信道竞争和选择状态；
第三阶段，开始于领航员AUV接收“CTS”数据包；在这个阶段，领航员AUV通过相应的信道向目的AUV发送数据包，如果目的AUV从领航员AUV接收到“Data”，就进入“Responseadjustment”状态，数据包发送和接收完毕后，将进入“ACK”状态，否则即为数据传输超时；
第四阶段，“Response adjustment”状态完成，目的AUV发送“ACK”数据包；在领航员AUV接收到“ACK”数据包后，结束其数据传输过程；所发送的“BTS”数据包重置向发送，以唤醒其他AUV节点，重新进入信道需求状态。
有益效果：
本发明根据AUV节点之间的相对距离采取拓扑的信息传输方式，通过自适应MAC通信方法实现领航员AUV和所有的跟随AUV之间的数据传输和时间同步，本发明就降低了领航AUV的能量消耗，提高了整个AUV编队组网的生存时间和网络的吞吐量。
附图说明
图1是水下机器人组网通信的分层结构图；
图2是多水下机器人组网通信的拓扑结构图；
图3是线性拓扑传输的自适应组网通信方法；
图4是基于1对多竞争的自适应组网通信方法；
图5是基于线性拓扑的自适应组网通信仿真结果；图5(a)是东向-北向仿真结果图；图5(b)是延迟时间结果图；图5(c)是丢包率结果图；图5(d)是吞吐量结果图；
图6是基于一对多竞争的自适应组网通信仿真结果；图6(a)是东向-北向仿真结果图；图6(b)是延迟时间结果图；图6(c)是丢包率结果图；图6(d)是吞吐量结果图。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明做进一步详细说明。
本发明目的是提供一种水下机器人的自适应组网通信方法，可用于水下机器人组网在数据链路层的数据交换通过介质访问控制实现信道资源的合理分配，从而实现数据在相邻节点之间的链路无差错地传输。该发明具有使用灵活，适应性强等优点。
发明目的实现如下：
a、首先建立水下机器人组网的分层通信结构。结构包括物理层、数据链路层和网络层。其中，物理层是水声通信模块的底层、主要采用澳大利亚Innovation in DigitalSignal Processing and Processing公司开发的多信道水下通信***Aquacomm network水声通讯***，它使用扩展频谱在低能耗的情况下发出宽频信号。其数据链路层基于多载波码分多址(CDMA)技术传输策略实现并行扩频通信。主要是实现数据在相邻节点之间的链路无差错地传输。而由于水声信道存在较大时延，致使简单的RTS/CTS数据包交互机制并不适用于水下通信网络，而目前还没有一个适合的介质访问控制通信方法以实现信道资源的合理分配。网络层的任务是选择合适的路由信息，确定和分发源节点和目的节点之间的路由搜索与信息。
b、在通信***结构的基础上定义AUV节点之间通信的拓扑结构，设G＝(V,ξ,A)为多个AUV节点组成的带权有向图,其中V＝{s1,s2,...,sn}是AUV的节点集,图的有向边集为A＝[aij]为有向图的带权邻接矩阵，aij≥0。每一条边(si,sj)对应AUV节点si和AUV节点sj在t时刻通信过程中的信道，即
c、将水下机器人组网通信的拓扑结构分为线性传输拓扑结构和1对多竞争拓扑结构。所设计的自适应通信方法包含一个“RTS”、“CTS”、“Data”、“ACK”的四路握手方法，一个对其他等待AUV节点的阻止发送(Block To Send--BTS)数据包。而消息传输的延迟过程包含在“Response adjustment”时间内。在传输过程中，信道将通过BTS阻止其他AUV节点的使用。
d、对于线性拓扑传输结构：首先，当信道竞争选择完毕后，领航员AUV节点和所由的跟随AUV节点通过广播与应答的方式实现时间同步，领航员AUV节点将通过中间节点1向接收节点2发送消息。“RTS”帧将被一个AUV节点接一个AUV节点地依次发送到目的AUV，“CTS”帧将由目的AUV节点一个接一个地发送到广播AUV节点。
e、对于1对多竞争拓扑结构来说：当信道竞争选择完毕后，广播AUV节点将与某一目标AUV节点进行通信，此时其他AUV节点将被发送一个“BTS”(Block To Send)帧信息而进行休眠。
本发明提供的是一种水下机器人的自适应组网通信方法。在多AUV(AutonomousUnderwater Vehicle)之间分层的通信结构中，结合编队网络层的拓扑结构建立了数据链路层的自适应通信方法。根据AUV节点之间的相对距离，对于距离领航员AUV节点较远而距离其他跟随AUV较近的节点采用线性拓扑传输方式，而对于其他AUV节点采用一对多竞争拓扑传输方式。在线性拓扑传输过程中，领航员AUV和所有的跟随AUV通过广播与应答的方式实现时间同步，之后节点根据距离领航员AUV和数据传输的效果选择负责***节点的通信或休眠，这就降低了领航AUV的能量消耗，提高了整个AUV编队组网的生存时间。而一对多竞争的自适应通信方法包含了一种四路握手传输方法，该发明可以降低传输的丢包率并提高网络的吞吐量。
一种水下机器人的自适应组网通信方法，根据AUV节点之间的相对距离，将组网通信的基本形式分为线性拓扑传输和一对多竞争两种。对于距离领航员AUV节点较远而距离其他跟随AUV较近的节点采用线性拓扑传输方式，在线性拓扑传输过程中，领航员AUV和所有的跟随AUV通过广播与应答的方式实现时间同步，之后节点根据距离领航员AUV和数据传输的效果选择负责***节点的通信或休眠。而对于其他AUV节点采用一对多竞争拓扑传输方式，采用了一对多竞争的自适应通信方法。
领航员AUV和所有的跟随AUV通过广播与应答的方式实现时间同步，之后节点根据距离领航员AUV和数据传输的效果选择负责***节点的通信或休眠。
当一个领航员AUV与其他几个AUV跟随节点采用线性拓扑传输方式通信时，每个节点均包含一个“RTS”(Request To Send)、“CTS”(Clear To Send)、“Data”、“ACK”(Acknowledgment for receiving)。通信过程将分为四个阶段：首先，当信道竞争选择完毕后，领航员AUV和所有的跟随AUV通过广播与应答的方式实现时间同步，领航员AUV将通过中间节点1向接收节点2发送消息。其次，领航员AUV首先向接收节点1发送“RTS”消息，其数据包格式为{RTS,node_pos,node_speed，destination_node}，分别代表领航员AUV的数据发送请求，当前位置、速度和目的接收节点(这里假设接收节点为目的AUV2)。当接收节点1收到“RTS”消息时，该AUV直接将该消息传递至接受节点2，并一直等待直至接收到目的AUV2返回的“CTS”或超时帧。当接收节点2收到“RTS”消息时，该节点被通知有即将到来的消息传输，目的AUV进入“Response adjustment”状态，同时向接收节点1传递“CTS”信息。当接收节点1收到接收节点2的“CTS”消息或超时帧时，将向领航员AUV返回“CTS”消息，其数据包格式为{CTS1/overtime,node1_pos,node1_speed，CTS2/overtime,node2_pos,node2_speed}，分别代表接收节点1或2发出的“CTS”或超时消息，接收节点1或2的当前位置和速度。当超时发生时，领航员AUV将重新根据其他AUV节点的位置信息选择目的AUV。
再次，当领航员AUV收到“CTS”消息，将通过相应的信道经接收节点1向接收节点2发送数据，如果目的AUV1从领航员AUV接收到“Data”，它就进入“Response adjustment”状态，并将数据包转发至接收节点2。接收节点2接收数据完毕后，将进入“ACK”状态，向接收节点1发送“ACK”数据包，否则即为数据传输超时。
在第四阶段，一旦“Response adjustment”的状态完成，接收AUV2将向接收AUV节点1发送“ACK”数据包，接收AUV节点1再将“ACK”数据包转发给领航员AUV节点。接收节点1所发送的“ACK”数据包格式为{ACK1/overtime,node1_pos,node1_speed，ACK2/overtime,node2_pos,node2_speed}。分别代表接收节点1或2发出的“ACK”或超时消息，接收节点1或2的当前位置和速度。在领航员AUV接收到“ACK”数据包后，将结束其数据传输过程，节点进入休眠状态。
一对多竞争拓扑传输，自适应组网通信特征在于：首先，领航员AUV携带它要发出的消息在预定的信道发出预接触数据包，如果几个AUV接收节点同时发出预接触数据包，信道将对节点进行竞争和选择。信道竞争选择完毕后领航员AUV将通过信道与目的AUV进行握手。所设计的自适应组网通信方法包含一个“RTS”、“CTS”、“Data”、“ACK”的四路握手方法，一个对其他等待AUV的阻止发送(Block To Send--BTS)数据包。而消息传输的延迟过程包含在“Response adjustment”时间内。在传输过程中，信道将通过BTS阻止其他AUV节点的使用
四路握手传输方法包含四个阶段：在第一阶段，当目的AUV接收到“RTS”帧时，该AUV被通知有即将到来的消息传输。目的AUV进入“Response adjustment”状态，以通过所选择的信道从领航员AUV接收数据包。同时向其他AUV节点发送“BTS”数据包以通知它们在这段时间可以进入“睡眠”(sleep)状态，以避免在整个的数据传输过程中发生冲突。
在第二阶段中，领航员AUV发出“RTS”帧后，将一直等待直至接收到目的AUV返回的“CTS”或超时帧。当超时发生时，领航员AUV就返回信道竞争和选择状态。显然，在数据包和它的“Response adjustment”之间的传输延迟至少等于该数据包被发送/接收时间，以便于节点的响应可以一个个地被连续地处理。这样，所发送的“RTS”数据包和接收到的“CTS”数据包是具有相同最大单程传播延迟的两个动作，其传输的最大时间延迟分别为Tmax。如果我们定义一个控制帧和其后续帧之间的固定时间长度为“CML”，那么在领航员AUV发送“RTS”和收到目的AUV返回“CTS”之间的时间长度可以定义为CMLRTS，在目的AUV发送“CTS”和收到领航员AUV发送来的“Data”数据包之间的时间长度被称为“CMLCTS”。当目的AUV接收到“RTS”数据包后，它通过水声通讯***测量得到的距离信息来计算“CTS”数据包到达领航员AUV的时间，即一个“CML”的时间间隔。在“CML”的时间，信道将避免潜在通信干扰的冲突。一旦“Response adjustment”状态结束，领航员AUV将通过相应的信道向目的AUV发送数据包。总之，第二阶段使目的AUV与领航员AUV进行协商，一方面具有更大的灵活性，另一方面降低了由于信道冲突引起的传输失败。
第三阶段开始于领航员AUV接收“CTS”数据包。在这个阶段，领航员AUV将通过相应的信道向目的AUV发送数据包，如果目的AUV从领航员AUV接收到“Data”，它就进入“Response adjustment”状态，数据包发送和接收完毕后，将进入“ACK”状态，否则即为数据传输超时。
在第四阶段，一旦“Response adjustment”的状态完成，目的AUV将发送“ACK”数据包。在领航员AUV接收到“ACK”数据包后，将结束其数据传输过程。所发送的“BTS”数据包将重置向发送，以唤醒其他AUV节点，重新进入信道需求状态。
附图1为水下机器人组网通信的分层结构图。在分层结构中，物理层是水声通信模块的底层，主要采用澳大利亚Innovation in Digital Signal Processing andProcessing公司开发的多信道水下通信***Aquacomm network水声通讯***，它使用扩展频谱在低能耗的情况下发出宽频信号。主要负责接收数据链路层的数据并顺序传输。数据链路层的任务主要是实现数据在节点之间的链路无差错地传输。网络层的任务是选择合适的路由信息，确定和分发源节点和目的节点之间的路由搜索与信息。
附图2为多水下机器人组网通信的拓扑结构,主要根据水下机器人之间的距离建立,包括线性拓扑结构和1对多拓扑结构两种。
附图3为线性拓扑传输的自适应组网通信方法，当一个领航员AUV与其他几个AUV跟随节点采用线性拓扑传输方式通信时，所设计的自适应组网通信方法中每个节点均包含一个“RTS”(Request To Send)、“CTS”(Clear To Send)、“Data”、“ACK”(Acknowledgmentfor receiving)。通信过程将分为四个阶段：首先，当信道竞争选择完毕后，领航员AUV和所由的跟随AUV通过广播与应答的方式实现时间同步，领航员AUV将通过中间节点1向接收节点2发送消息。其次，领航员AUV首先向接收节点1发送“RTS”消息，其数据包格式为{RTS,node_pos,node_speed，destination_node}，分别代表领航员AUV的数据发送请求，当前位置、速度和目的接收节点(这里假设接收节点为目的AUV2)。当接收节点1收到“RTS”消息时，该AUV直接将该消息传递至接受节点2，并一直等待直至接收到目的AUV2返回的“CTS”或超时帧。当接收节点2收到“RTS”消息时，该节点被通知有即将到来的消息传输，目的AUV进入“Response adjustment”状态，同时向接收节点1传递“CTS”信息。当接收节点1收到接收节点2的“CTS”消息或超时帧时，将向领航员AUV返回“CTS”消息，其数据包格式为{CTS1/overtime,node1_pos,node1_speed，CTS2/overtime,node2_pos,node2_speed}，分别代表接收节点1或2发出的“CTS”或超时消息，接收节点1或2的当前位置和速度。当超时发生时，领航员AUV将重新根据其他AUV节点的位置信息选择目的AUV。
再次，当领航员AUV收到“CTS”消息，将通过相应的信道经接收节点1向接收节点2发送数据，如果目的AUV1从领航员AUV接收到“Data”，它就进入“Response adjustment”状态，并将数据包转发至接收节点2。接收节点2接收数据完毕后，将进入“ACK”状态，向接收节点1发送“ACK”数据包，否则即为数据传输超时。
在第四阶段，一旦“Response adjustment”的状态完成，接收AUV2将向接收AUV节点1发送“ACK”数据包，接收AUV节点1再将“ACK”数据包转发给领航员AUV节点。接收节点1所发送的“ACK”数据包格式为{ACK1/overtime,node1_pos,node1_speed，ACK2/overtime,node2_pos,node2_speed}。分别代表接收节点1或2发出的“ACK”或超时消息，接收节点1或2的当前位置和速度。在领航员AUV接收到“ACK”数据包后，将结束其数据传输过程，节点进入休眠状态。
附图4为基于1对多竞争的自适应组网通信方法。当一个领航员AUV节点同时和几个AUV接收节点通信时，将采用基于竞争的自适应实现数据传输。
首先，领航员AUV携带它要发出的消息在预定的信道发出预接触数据包，如果几个AUV接收节点同时发出预接触数据包，信道将对节点进行竞争和选择。信道竞争选择完毕后领航员AUV将通过信道与目的AUV进行握手。所设计的自适应通信方法包含一个“RTS”、“CTS”、“Data”、“ACK”的四路握手方法，一个对其他等待AUV的阻止发送(Block To Send--BTS)数据包。而消息传输的延迟过程包含在“Response adjustment”时间内。在传输过程中，信道将通过BTS阻止其他AUV节点的使用
四路握手通信握手方法包含四个阶段：在第一阶段，当目的AUV接收到“RTS”帧时，该AUV被通知有即将到来的消息传输。目的AUV进入“Response adjustment”状态，以通过所选择的信道从领航员AUV接收数据包。同时向其他AUV节点发送“BTS”数据包以通知它们在这段时间可以进入“睡眠”(sleep)状态，以避免在整个的数据传输过程中发生冲突。
在第二阶段中，领航员AUV发出“RTS”帧后，将一直等待直至接收到目的AUV返回的“CTS”或超时帧。当超时发生时，领航员AUV就返回信道竞争和选择状态。显然，在数据包和它的“Response adjustment”之间的传输延迟至少等于该数据包被发送/接收时间，以便于节点的响应可以一个个地被连续地处理。这样，所发送的“RTS”数据包和接收到的“CTS”数据包是具有相同最大单程传播延迟的两个动作，其传输的最大时间延迟分别为Tmax。如果我们定义一个控制帧和其后续帧之间的固定时间长度为“CML”，那么在领航员AUV发送“RTS”和收到目的AUV返回“CTS”之间的时间长度可以定义为CMLRTS，在目的AUV发送“CTS”和收到领航员AUV发送来的“Data”数据包之间的时间长度被称为“CMLCTS”。所以定义最长的数据传输方法为：
CMLRTS＝CMLCTS＝Tmax
当目的AUV接收到“RTS”数据包后，它通过水声通讯***测量得到的距离信息来计算“CTS”数据包到达领航员AUV的时间，即一个“CML”的时间间隔。在“CML”的时间，信道将避免潜在通信干扰的冲突。一旦“Response adjustment”状态结束，领航员AUV将通过相应的信道向目的AUV发送数据包。总之，第二阶段使目的AUV与领航员AUV进行协商，一方面具有更大的灵活性，另一方面降低了由于信道冲突引起的传输失败。
第三阶段开始于领航员AUV接收“CTS”数据包。在这个阶段，领航员AUV将通过相应的信道向目的AUV发送数据包，如果目的AUV从领航员AUV接收到“Data”，它就进入“Response adjustment”状态，数据包发送和接收完毕后，将进入“ACK”状态，否则即为数据传输超时。
在第四阶段，一旦“Response adjustment”的状态完成，目的AUV将发送“ACK”数据包。在领航员AUV接收到“ACK”数据包后，将结束其数据传输过程。所发送的“BTS”数据包将重置向发送，以唤醒其他AUV节点，重新进入信道需求状态。
附图5和附图6分别是多AUV采用基于线性拓扑和基于竞争的自适应组网编队航行的通讯情况。其中AUV1为领航员AUV，AUV2、AUV3和AUV4为跟随AUV。图5中由于AUV2、AUV3和AUV4距领航员AUV1的相对距离较远，而跟随AUV之间的距离较近，所以采取线性拓扑的通讯方式。从仿真结果上看，这种方式使得跟随AUV的丢包率和基本持平。由于通讯中每个AUV所携带的数据量不同，距离领航员AUV越远的AUV所需要的数据越少，而距离领航员AUV较近的不仅要完成自身的数据通讯，还要负责***的AUV通讯，所以单位时间的吞吐量是从内到外依次减少的。但AUV之间的通讯效率并没有随着距离的增加而显著降低，并且这种方法通过AUV之间的通讯，较大地降低了领航AUV的能量消耗，提高了整个AUV编队组网的生存时间。图6中由于跟随AUV相对领航员AUV1的距离相近，所以采用一对多竞争的自适应自适应通信方法，在通讯的过程中延迟时间，丢包率和单位时间吞吐量均比较接近，并且由于该方法根据数据包的收发情况采用竞争及时调整AUV之间的通讯，相比周期性休眠的方法更适合移动节点水声通讯这种大时延和丢包率比较高的情况。

Claims (3)

1.一种水下机器人的自适应组网通信方法，其特征在于：包括以下步骤，
步骤一：建立水下机器人组网的分层通信结构，结构包括物理层、数据链路层和网络层；
步骤二：在分层通信结构的基础上定义AUV节点之间通信的拓扑结构，G＝(V,ξ,A)为多个AUV节点组成的带权有向图,其中V＝{s1,s2,...,sn}是AUV的节点集,图的有向边集为A＝[aij]为有向图的带权邻接矩阵，aij≥0；每一条边(si,sj)对应AUV节点si和AUV节点sj在t时刻通信过程中的信道，即
步骤三：将水下机器人组网通信的拓扑结构分为线性传输拓扑结构和一对多竞争拓扑结构；
根据AUV节点之间的相对距离，选择线性传输拓扑结构和一对多竞争拓扑结构，对于距离领航员AUV节点较远而距离其他跟随AUV节点较近的节点采用线性拓扑传输方式，在线性拓扑传输方式中，领航员AUV和所有的跟随AUV节点通过广播与应答的方式实现时间同步，之后节点根据距离领航员AUV和数据传输的效果选择***节点的通信或休眠；而对于其他跟随AUV节点节点采用一对多竞争拓扑结构，采用了一对多竞争的自适应通信方法。
2.根据权利要求1所述的一种水下机器人的自适应组网通信方法，其特征在于：所述的线性传输拓扑结构的通信方法为：
(1)当一个领航员AUV与其他几个跟随AUV节点采用线性拓扑传输方式通信时，自适应组网通信方法中每个节点均包含一个“RTS”、“CTS”、“Data”和“ACK”，当信道竞争选择完毕后，领航员AUV和所有的跟随AUV节点通过广播与应答的方式实现时间同步，领航员AUV通过接收节点1向接收节点2发送消息；
(2)领航员AUV首先向接收节点1发送“RTS”消息，其数据包格式为{RTS,node_pos,node_speed，destination_node}，分别代表领航员AUV的数据发送请求、当前位置、速度和接收节点2，当接收节点1收到“RTS”消息时，该AUV直接将该消息传递至接收节点2，并一直等待直至接收到接收节点2返回的“CTS”或超时帧；当接收节点2收到“RTS”消息时，该节点被通知有即将到来的消息传输，接收节点2进入“Response adjustment”状态，同时向接收节点1传递“CTS”信息；当接收节点1收到接收节点2的“CTS”消息或超时帧时，向领航员AUV返回“CTS”消息，其数据包格式为{CTS1/overtime,node1_pos,node1_speed，CTS2/overtime,node2_pos,node2_speed}，分别代表接收节点1发出的“CTS”或超时消息，接收节点1的当前位置和接收节点1的速度；接收节点2发出的“CTS”或超时消息，接收节点2的当前位置和接收节点2的速度；当超时发生时，领航员AUV重新根据其他AUV节点的位置信息选择接收节点1；
(3)当领航员AUV收到“CTS”消息，通过相应的信道经接收节点1向接收节点2发送数据，如果接收节点1从领航员AUV接收到“Data”，进入“Response adjustment”状态，并将数据包转发至接收节点2；接收节点2接收数据完毕后，进入“ACK”状态，向接收节点1发送“ACK”数据包，否则即为数据传输超时；
(4)当“Response adjustment”状态完成，接收节点2向接收节点1发送“ACK”数据包，接收节点1再将“ACK”数据包转发给领航员AUV节点；接收节点1所发送的“ACK”数据包格式为{ACK1/overtime,node1_pos,node1_speed，ACK2/overtime,node2_pos,node2_speed}，分别代表接收节点1发出的“ACK”或超时消息，接收节点1的当前位置和接收节点1的速度；接收节点2发出的“ACK”或超时消息，接收节点2的当前位置和接收节点2的速度；在领航员AUV接收到“ACK”数据包后，将结束其数据传输过程，节点进入休眠状态。
3.根据权利要求1所述的一种水下机器人的自适应组网通信方法，其特征在于：所述的一对多竞争拓扑结构的通信方法为：
领航员AUV携带它要发出的消息在预定的信道发出预接触数据包，如果几个AUV接收节点同时发出预接触数据包，信道对节点进行竞争和选择；信道竞争选择完毕后领航员AUV通过信道与接收节点1进行握手；自适应通信方法包含一个“RTS”、“CTS”、“Data”、“ACK”的四路握手方法，一个对其他等待AUV的阻止发送(Block To Send--BTS)数据包，消息传输的延迟过程包含在“Response adjustment”时间内；在传输过程中，信道通过BTS阻止其他AUV节点的使用；
四路握手通信握手方法包含四个阶段：
第一阶段，当接收节点1接收到“RTS”帧时，该AUV被通知有即将到来的消息传输，接收节点1进入“Response adjustment”状态，以通过所选择的信道从领航员AUV接收数据包，同时向其他AUV节点发送“BTS”数据包以通知它们在这段时间进入“睡眠”状态；
第二阶段，领航员AUV发出“RTS”帧后，一直等待直至接收到接收节点1返回的“CTS”或超时帧，当超时发生时，领航员AUV就返回信道竞争和选择状态；
第三阶段，开始于领航员AUV接收“CTS”数据包；在这个阶段，领航员AUV通过相应的信道向接收节点1发送数据包，如果接收节点1从领航员AUV接收到“Data”，就进入“Responseadjustment”状态，数据包发送和接收完毕后，将进入“ACK”状态，否则即为数据传输超时；
第四阶段，“Response adjustment”状态完成，接收节点1发送“ACK”数据包；在领航员AUV接收到“ACK”数据包后，结束其数据传输过程；所发送的“BTS”数据包重置发送，以唤醒其他AUV节点，重新进入信道需求状态。
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