[發(fā)明專利]一種水下機器人的自適應組網(wǎng)通信方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201610130731.7
• 申請日: 2016-03-08
• 公開（公告）號: CN105824236B
• 公開（公告）日: 2017-10-03
• 發(fā)明（設計）人: 黃海;張國成;李岳明;席紅艷;萬磊;龐永杰
• 申請（專利權）人: 哈爾濱工程大學
• 主分類號: G05B13/04
• 分類號: G05B13/04
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

1.一種水下機器人的自適應組網(wǎng)通信方法，其特征在于：包括以下步驟，

步驟一：建立水下機器人組網(wǎng)的分層通信結構，結構包括物理層、數(shù)據(jù)鏈路層和網(wǎng)絡層；

步驟二：在分層通信結構的基礎上定義AUV節(jié)點之間通信的拓撲結構，G＝(V,ξ,A)為多個AUV節(jié)點組成的帶權有向圖,其中V＝{s₁,s₂,...,s_n}是AUV的節(jié)點集,圖的有向邊集為A＝[a_ij]為有向圖的帶權鄰接矩陣，a_ij≥0；每一條邊(s_i,s_j)對應AUV節(jié)點s_i和AUV節(jié)點s_j在t時刻通信過程中的信道，即

步驟三：將水下機器人組網(wǎng)通信的拓撲結構分為線性傳輸拓撲結構和一對多競爭拓撲結構；

根據(jù)AUV節(jié)點之間的相對距離，選擇線性傳輸拓撲結構和一對多競爭拓撲結構，對于距離領航員AUV節(jié)點較遠而距離其他跟隨AUV節(jié)點較近的節(jié)點采用線性拓撲傳輸方式，在線性拓撲傳輸方式中，領航員AUV和所有的跟隨AUV節(jié)點通過廣播與應答的方式實現(xiàn)時間同步，之后節(jié)點根據(jù)距離領航員AUV和數(shù)據(jù)傳輸?shù)男Чx擇外圍節(jié)點的通信或休眠；而對于其他跟隨AUV節(jié)點節(jié)點采用一對多競爭拓撲結構，采用了一對多競爭的自適應通信方法。

2.根據(jù)權利要求1所述的一種水下機器人的自適應組網(wǎng)通信方法，其特征在于：所述的線性傳輸拓撲結構的通信方法為：

(1)當一個領航員AUV與其他幾個跟隨AUV節(jié)點采用線性拓撲傳輸方式通信時，自適應組網(wǎng)通信方法中每個節(jié)點均包含一個“RTS”、“CTS”、“Data”和“ACK”，當信道競爭選擇完畢后，領航員AUV和所有的跟隨AUV節(jié)點通過廣播與應答的方式實現(xiàn)時間同步，領航員AUV通過接收節(jié)點1向接收節(jié)點2發(fā)送消息；

(2)領航員AUV首先向接收節(jié)點1發(fā)送“RTS”消息，其數(shù)據(jù)包格式為{RTS,node_pos,node_speed，destination_node}，分別代表領航員AUV的數(shù)據(jù)發(fā)送請求、當前位置、速度和接收節(jié)點2，當接收節(jié)點1收到“RTS”消息時，該AUV直接將該消息傳遞至接收節(jié)點2，并一直等待直至接收到接收節(jié)點2返回的“CTS”或超時幀；當接收節(jié)點2收到“RTS”消息時，該節(jié)點被通知有即將到來的消息傳輸，接收節(jié)點2進入“Response adjustment”狀態(tài)，同時向接收節(jié)點1傳遞“CTS”信息；當接收節(jié)點1收到接收節(jié)點2的“CTS”消息或超時幀時，向領航員AUV返回“CTS”消息，其數(shù)據(jù)包格式為{CTS1/overtime,node1_pos,node1_speed，CTS2/overtime,node2_pos,node2_speed}，分別代表接收節(jié)點1發(fā)出的“CTS”或超時消息，接收節(jié)點1的當前位置和接收節(jié)點1的速度；接收節(jié)點2發(fā)出的“CTS”或超時消息，接收節(jié)點2的當前位置和接收節(jié)點2的速度；當超時發(fā)生時，領航員AUV重新根據(jù)其他AUV節(jié)點的位置信息選擇接收節(jié)點1；

(3)當領航員AUV收到“CTS”消息，通過相應的信道經(jīng)接收節(jié)點1向接收節(jié)點2發(fā)送數(shù)據(jù)，如果接收節(jié)點1從領航員AUV接收到“Data”，進入“Response adjustment”狀態(tài)，并將數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)發(fā)至接收節(jié)點2；接收節(jié)點2接收數(shù)據(jù)完畢后，進入“ACK”狀態(tài)，向接收節(jié)點1發(fā)送“ACK”數(shù)據(jù)包，否則即為數(shù)據(jù)傳輸超時；

(4)當“Response adjustment”狀態(tài)完成，接收節(jié)點2向接收節(jié)點1發(fā)送“ACK”數(shù)據(jù)包，接收節(jié)點1再將“ACK”數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)發(fā)給領航員AUV節(jié)點；接收節(jié)點1所發(fā)送的“ACK”數(shù)據(jù)包格式為{ACK1/overtime,node1_pos,node1_speed，ACK2/overtime,node2_pos,node2_speed}，分別代表接收節(jié)點1發(fā)出的“ACK”或超時消息，接收節(jié)點1的當前位置和接收節(jié)點1的速度；接收節(jié)點2發(fā)出的“ACK”或超時消息，接收節(jié)點2的當前位置和接收節(jié)點2的速度；在領航員AUV接收到“ACK”數(shù)據(jù)包后，將結束其數(shù)據(jù)傳輸過程，節(jié)點進入休眠狀態(tài)。

3.根據(jù)權利要求1所述的一種水下機器人的自適應組網(wǎng)通信方法，其特征在于：所述的一對多競爭拓撲結構的通信方法為：

領航員AUV攜帶它要發(fā)出的消息在預定的信道發(fā)出預接觸數(shù)據(jù)包，如果幾個AUV接收節(jié)點同時發(fā)出預接觸數(shù)據(jù)包，信道對節(jié)點進行競爭和選擇；信道競爭選擇完畢后領航員AUV通過信道與接收節(jié)點1進行握手；自適應通信方法包含一個“RTS”、“CTS”、“Data”、“ACK”的四路握手方法，一個對其他等待AUV的阻止發(fā)送(Block To Send--BTS)數(shù)據(jù)包，消息傳輸?shù)难舆t過程包含在“Response adjustment”時間內(nèi)；在傳輸過程中，信道通過BTS阻止其他AUV節(jié)點的使用；

四路握手通信握手方法包含四個階段：

第一階段，當接收節(jié)點1接收到“RTS”幀時，該AUV被通知有即將到來的消息傳輸，接收節(jié)點1進入“Response adjustment”狀態(tài)，以通過所選擇的信道從領航員AUV接收數(shù)據(jù)包，同時向其他AUV節(jié)點發(fā)送“BTS”數(shù)據(jù)包以通知它們在這段時間進入“睡眠”狀態(tài)；

第二階段，領航員AUV發(fā)出“RTS”幀后，一直等待直至接收到接收節(jié)點1返回的“CTS”或超時幀，當超時發(fā)生時，領航員AUV就返回信道競爭和選擇狀態(tài)；

第三階段，開始于領航員AUV接收“CTS”數(shù)據(jù)包；在這個階段，領航員AUV通過相應的信道向接收節(jié)點1發(fā)送數(shù)據(jù)包，如果接收節(jié)點1從領航員AUV接收到“Data”，就進入“Response adjustment”狀態(tài)，數(shù)據(jù)包發(fā)送和接收完畢后，將進入“ACK”狀態(tài)，否則即為數(shù)據(jù)傳輸超時；

第四階段，“Response adjustment”狀態(tài)完成，接收節(jié)點1發(fā)送“ACK”數(shù)據(jù)包；在領航員AUV接收到“ACK”數(shù)據(jù)包后，結束其數(shù)據(jù)傳輸過程；所發(fā)送的“BTS”數(shù)據(jù)包重置發(fā)送，以喚醒其他AUV節(jié)點，重新進入信道需求狀態(tài)。