[发明专利]一种仿生机器鱼的集群水声遥测遥控系统及其方法

说明书

一种仿生机器鱼的集群水声遥测遥控系统及其方法，涉及水声遥测遥控技术领域。系统由主控节点、被监控节点和遥测遥控终端组成，采用主从工作方式；主控节点为主机，只包含1个节点，被监控节点为从机，包含2个或2个以上的节点；主控节点和遥测遥控终端通过无线收发器进行信息交互，包括用户指令的下达和仿生机器鱼运行状态的转发；主控节点和被监控节点间采用全双工水声通信方式，以确保对仿生机器鱼的实时、鲁棒监控；主控节点随时向被监控节点发送信息，被监控节点通过竞争获得频带资源后向主控节点发送信息；主控节点和被监控节点通过同步时钟实现精确时钟同步。有助于提升多台仿生机器鱼的协同作业能力；适用于信道快速变化的水声环境。

技术领域

本发明涉及水声遥测遥控技术领域，尤其是涉及一种仿生机器鱼的集群水声遥测遥控系统及其方法。

背景技术

仿生机器鱼是一种小型水下机器人，其运动方式与其仿生的真鱼相似，具有造型逼真、高效安静和灵活方便等优点。若在仿生机器鱼上安装摄像头，温度、压力等各类传感器，可将其应用于鱼类生活习性观察、海洋生物资源勘探及水下环境监测等领域。另外，仿生机器鱼还可作为展品在海洋馆、科技馆及学校等场所使用，这些仿生机器鱼单只或成群在水箱中游动，以其逼真的外观、生动活泼的运动方式吸引众多游客的关注。然而，现有的仿生机器鱼大多为自主航行方式，人们无法对其有效监测和控制。显然，为提高仿生机器鱼的使用价值，如在海洋馆、科技馆等场所的展览效果，对其进行集群遥测遥控非常必要。

由于仿生机器鱼在水下工作，只有利用声波才能有效遥测遥控。近年来，利用声波进行水下通信，即水声通信得到快速发展，无线电通信中的各种先进技术大多被应用于水声通信，取得很好的海上试验效果，市场上涌现出各种不同调制方式、不同速率的水声Modem，如Link-Quest公司的UWM1000，UWM2000及UWM3000等系列水声Modem；Benthos公司的ATM-910，ATM-920及ATM-960等系列水声Modem。现有的这些水声Modem大多体积大、价格高和功耗大，不支持二次开发，因此难以将其直接用于仿生机器鱼的遥测遥控。

仿生机器鱼的集群水声遥测遥控涉及多条仿生机器鱼的监测和控制，需要研制一种高效的网络通信协议才能确保对机器鱼的有效监测和控制。由于水声信道中可用的频带资源十分有限，因此水声通信网络大多采用如ALOHA、CSMA和MACA等基于竞争的网络协议，这些协议不可避免的会发生冲突，严重情况下会大大降低网络容量，甚至有可能导致某两个节点间长时间无法相互通信。仿生机器鱼的集群水声遥测遥控系统中仿生机器鱼为被监控节点，而水面上的节点为主控节点，两者所处的地位不平等，因此采用基于竞争的网络协议效率较低，应针对特殊应用需求改进和完善。

发明内容

本发明的目的在于针对现在有技术存在的上述问题，提供多条仿生机器鱼在水下协同工作时，小型化、低功耗和嵌入式的一种仿生机器鱼的集群水声遥测遥控系统及其方法。

所述仿生机器鱼的集群水声遥测遥控系统由主控节点、被监控仿生机器鱼节点(简称被监控节点)和遥测遥控终端组成，采用主从工作方式；

所述主控节点为主机，只包含1个节点，而被监控节点为从机，包含2个或2个以上的节点；主控节点和遥测遥控终端通过无线收发器进行信息交互，用于用户指令的下达和仿生机器鱼运行状态的转发等；主控节点和被监控节点采用水声通信方法进行信息交互，水声通信及网络协议均在一块高性能DSP中实现；所述仿生机器鱼集群水声遥测遥控系统的主控节点和被监控节点间采用全双工水声通信方式，以确保对仿生机器鱼的实时、鲁棒监控；所述主控节点使用水声发射换能器的B₁子带向被监控节点传输信息，被监控节点使用水声发射换能器的B₂子带向主控节点传输信息，主控节点随时向被监控节点发送信息，被监控节点通过竞争获得频带资源后向主控节点发送信息；主控节点和被监控节点通过同步时钟实现精确时钟同步。