余勇冬，田逸寧，王 斌

（1.上海海洋大學(xué) 工程學(xué)院，上海 201306；2.上海遨拓深水裝備技術(shù)開發(fā)有限公司，上海 201306）

水下常駐型ROV 為可長期停留水下作業(yè)的水下機(jī)器人，通常由水面設(shè)備和水下設(shè)備組成。因受到工作時長和作業(yè)距離的限制，水下常駐型ROV 通常需要采用與水下基站對接的方法來完成能源補(bǔ)充、數(shù)據(jù)交換和下載新任務(wù)。水下定位和通信技術(shù)是水下ROV 的核心技術(shù)，本文對常駐型ROV 的定位和通信系統(tǒng)的研究進(jìn)展進(jìn)行分析。

1 ROV 定位方法

水下ROV 定位是通過ROV 自身感知系統(tǒng)從水下環(huán)境獲取定位信盧，經(jīng)定位算法處理后對ROV 的位置和航向進(jìn)行準(zhǔn)確估計的技術(shù)。

1.1 水聲定位

水聲定位主要采用聲音傳感器進(jìn)行水下信號定位，按照水聲定位系統(tǒng)中各接收器與應(yīng)答器之間的基線長度可分為長基線、短基線、超短基線[1]，見表1。

表1 水聲定位類型及比較

國內(nèi)相關(guān)研究：林冠英等[2]利用雙曲面定位方法建立長基線深海定位模型測量定位誤差；程謙等[3]提出了基于多子陣組合的短基線聲學(xué)定位數(shù)據(jù)優(yōu)化方法；姬紅杰等[4]提出了水下五基元空間陣超短基線定位方法。國內(nèi)關(guān)于水聲定位研究較多，多集中于長基線和超短基線領(lǐng)域，而在短基線領(lǐng)域的研究相對較少。

國外對于水聲定位研究起步較早，例如，Glotzbath等[5]對采用水聲定位的水下機(jī)器人傳感器位置的二維和三維空間排布進(jìn)行研究；Moreno-Salinas 等[6]對單一水面距離測量裝置中的傳感器軌跡進(jìn)行優(yōu)化；An 等[7]將無需剛性連接的大孔徑柔性傳感器陣列運用在水聲定位中。國外水聲定位技術(shù)非常先進(jìn)，不僅理論研究成熟，還研究了眾多成熟的系列化產(chǎn)品并應(yīng)用于實際中。

1.2 水下GPS 定位

水下GPS 定位精度在0.1～10 m，適合遠(yuǎn)距離定位。在海洋水下定位領(lǐng)域，GPS 水下定位已逐漸成為重要研究方向，相關(guān)研究包括：姜少杰等[8]提出GPS/BDS雙模組合定位技術(shù)來提高定位精度；席勇輝[9]提出了一種基于單浮標(biāo)拖纜監(jiān)測的水下GPS 定位技術(shù)來進(jìn)行定位。國外常將水下GPS 定位技術(shù)和其他水下定位技術(shù)結(jié)合起來進(jìn)行研究，用來提高水下定位精度和增大定位距離。例如Kussat 等[10]將水聲測距和水下GPS 定位相結(jié)合實現(xiàn)對目標(biāo)的絕對定位；Lambert 等[11]使用聲學(xué)單元和GPS 接收器協(xié)同進(jìn)行水下定位；Yonghui 等[12]提出了基于單浮筒牽引電纜監(jiān)測的水下GPS 技術(shù)對目標(biāo)進(jìn)行定位。

1.3 視覺定位

視覺定位通過攝像頭采集圖像，再根據(jù)信盧交換計算出位置信盧，適用于短距離定位（10～28 m），定位精度為厘米級。

國內(nèi)外相關(guān)研究：石建樹[13]通過找到目標(biāo)在圖片的位置和計算內(nèi)外參數(shù)來進(jìn)行雙目立體定位；蔡迎波等[14]提出了基于目標(biāo)光源的單目視覺的4 自由度視覺定位方法；Burguera 等[15]提出了基于深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的魯棒快速視覺環(huán)路檢測方法來提高圖像數(shù)據(jù)采集能力；Elibol 等[16]提出了一種高效的圖像鑲嵌算法來提高圖像識別范圍及能力。國外早在上世紀(jì)末就將視覺定位技術(shù)運用于水下機(jī)器人，研究了各種優(yōu)化算法提高圖像處理能力，其中神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法研究較多。雖然我國在水下視覺定位技術(shù)方面起步較晚，但隨著軟硬件技術(shù)的進(jìn)步，水下視覺定位技術(shù)日趨成熟。

1.4 電磁定位

電磁定位通常由單個或多個發(fā)射線圈作為信號源來產(chǎn)生磁場，對感應(yīng)線圈進(jìn)行定位，定位精度為毫米級。

國內(nèi)外研究：王志強(qiáng)等[17]提出三維全向磁感應(yīng)的水下定位技術(shù)，采用三維正交線圈兩兩垂直的形式來獲得更準(zhǔn)確的定位坐標(biāo)；Huang 等[18]將定向三項線圈直接進(jìn)行信號傳遞提高定位精度；Guo 等[19]將磁通信系統(tǒng)中采用三軸線圈定向分集來提高無線信道的可靠性。國內(nèi)外對于電磁定位研究較少，缺乏創(chuàng)新技術(shù)，有待進(jìn)一步發(fā)展。

1.5 其他定位

常駐型ROV 的定位方式還有主動電場定位、水下節(jié)點光學(xué)定位和地圖定位等。

1）主動電場定位，利用ROV 自身發(fā)射電信號和水下基站接收電場對物體進(jìn)行短距離定位。祝悅[20]簡化模型模擬出主動電場探測環(huán)境來進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，實現(xiàn)水下定位。

2）水下節(jié)點光學(xué)定位，通過選取多個參考節(jié)點并在網(wǎng)絡(luò)的中心節(jié)點進(jìn)行集中定位。龐琬佳[21]提出了基于RSS 的水下節(jié)點激光定位和基于LED 圖像的水下節(jié)點定位方法來進(jìn)行定位分析。

3）地圖定位，通過水下機(jī)器人自身安裝的傳感器獲取數(shù)據(jù)來感知環(huán)境，通過信盧交互實現(xiàn)定位和地圖構(gòu)建[22]。曹夢龍等[23]提出基于虛擬噪聲補(bǔ)償技術(shù)的EKF算法來地圖定位精度。

2 ROV 通信方式

水下通信技術(shù)多運用于監(jiān)測海洋環(huán)境和軍事領(lǐng)域，通過搭建一個局域網(wǎng)，將所有信號共用同一鏈路同時傳輸，再交互數(shù)據(jù)信盧以達(dá)到通信的目的。

2.1 水聲通信

水聲通信目前是最常用的水中通信方法，傳輸距離可達(dá)數(shù)千公里，傳輸速度為1 500 m/s，誤碼率較低，傳輸干擾大，安全性較低。

國內(nèi)外相關(guān)研究：方雁峰[24]將OFDM 技術(shù)運用在通信模塊上，并與水聲定位協(xié)同進(jìn)行通信控制；翟玉爽等[25]將極化碼信道編碼機(jī)制和OFDM 技術(shù)相結(jié)合運用于水下通信；Tang 等[26]提出將寬帶遞歸濾波控制方法運用在水聲通信中，并進(jìn)行參數(shù)陣列測試；Yoo 等[27]提出將基于測量和更新無源共軛匹配濾波器的方法與水聲通信相結(jié)合來降低誤碼率。國內(nèi)對于水聲通信研究較多，相關(guān)技術(shù)應(yīng)用廣泛，常將OFDM 技術(shù)用于水聲通信中；國外對于水聲通信研究起步于模擬調(diào)制技術(shù)，目前技術(shù)非常成熟且種類繁多。

2.2 電場通信

電場通信是一種新型的短距離水下通信方法，通過水中形成的電場傳遞電流信號進(jìn)行通信，具有實時性好、能耗低和體積小等特點。

國內(nèi)外相關(guān)研究：Yang 等[28]根據(jù)推導(dǎo)出的顯式函數(shù)得出發(fā)射極電流大小與通信距離呈正相關(guān)；張晗等[29]提出采用動態(tài)媒體接入控制技術(shù)進(jìn)行多節(jié)點水下通信。國外近幾年將電場通信技術(shù)運用在水下機(jī)器人中，但實際應(yīng)用技術(shù)不夠完善，國際上也沒有統(tǒng)一的系統(tǒng)執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)。國內(nèi)科研機(jī)構(gòu)對于電場通信研究極少，側(cè)重于應(yīng)用方面，基礎(chǔ)研究不多。

2.3 無線電通信

水下無線電通信也被稱為水下電磁波通信，通過電磁波作為信盧進(jìn)行雙向通信，適用于短距離較高速率的傳輸，具有載波頻率高、信道穩(wěn)定等優(yōu)勢，王毅凡等[30]根據(jù)低頻波段對無線電通信進(jìn)行分類，見表2。

表2 水下無線電通信分類

國內(nèi)主要研究：王俊[31]提出了基于OFDM 的水下電磁波通信方法，并用不同調(diào)制方式將子載波進(jìn)行處理；張光普等[32]將電磁波通信和水聲通信相結(jié)合設(shè)計了監(jiān)測浮標(biāo)系統(tǒng)。國內(nèi)對無線電通信研究較少，大多數(shù)研究只停留在理論層面，實用性不強(qiáng)，常用OFDM 技術(shù)對電磁波通信進(jìn)行優(yōu)化研究。

國外研究：Nie 等[33]提出了水下短距離超寬帶電磁波通信的OFDM 方案來提高傳輸速度。Fjuk 等[34]研發(fā)了一種射頻發(fā)射機(jī)用于海底高速無線電通信。國外對電磁波通信研究較少，隨著對無線電通信技術(shù)的重視，加深了對理論和實驗方面的研究，但是研發(fā)出的可供使用的設(shè)備較少。

2.4 光學(xué)通信

光學(xué)通信是近年發(fā)展起來的一種近距離高速通信方法，一般以在海水中傳播衰減較慢的藍(lán)綠光[35]作為信盧載體，具有信盧速率極高、數(shù)據(jù)傳輸能力和抗干擾性強(qiáng)等特點。

國內(nèi)外在光學(xué)通信研究方面，常常用光學(xué)通信與OFDM 技術(shù)結(jié)合起來搭建通信系統(tǒng)進(jìn)行研究。童俊杰[36]將DCO-OFDM 技術(shù)用于水下光通信系統(tǒng)，并設(shè)計了TFI-SLM 峰均比抑制算法進(jìn)行優(yōu)化；楊杰等[37]在水下光通信系統(tǒng)中運用PPM 調(diào)制技術(shù)來提高通信效率；徐登等[38]提出將LiFi 通信技術(shù)用于水下機(jī)器人，可有效傳遞數(shù)據(jù)信盧和提高傳輸效率。

國外水聲通信起步早，其中美國關(guān)于水聲通信技術(shù)方面國際領(lǐng)先，創(chuàng)新技術(shù)較多。Xya 等[39]基于藍(lán)綠色波長分割提出了full-duplex 無線光通信系統(tǒng)，擴(kuò)大了通信范圍和提高了數(shù)據(jù)速率；Wang 等[40]將多像素光子計數(shù)器和OFTM 技術(shù)相結(jié)合運用在水下光學(xué)定位系統(tǒng)中，將數(shù)據(jù)傳輸速率提高到每秒數(shù)百兆。

2.5 磁感應(yīng)通信

無線磁感應(yīng)通信技術(shù)具有通信速率高、設(shè)備成本低、可用帶寬大、穩(wěn)定性高等優(yōu)點，可用于實現(xiàn)水下基站與ROV 的近距離通信。

國內(nèi)外相關(guān)研究：朱景波等[41]設(shè)計了一種基于磁場耦合的低功耗水下半雙工無線通信模塊；李松等[42]將FSK 調(diào)制方法運用在水下磁感應(yīng)通信系統(tǒng)，得出采用全向天線比單向天線的通信信號更加穩(wěn)定；Li 等[43]提出將混合聲磁感應(yīng)技術(shù)運用在MIMO 水下通信機(jī)制中來提高通信效率；Guo 等[44]將寬帶信道模型與磁感應(yīng)通信相結(jié)合，在水下復(fù)雜環(huán)境能夠表征任意點的傳播。國內(nèi)對磁感應(yīng)通信開展了初步研究，對磁感應(yīng)通信在水下環(huán)境中的信道模型研究還不夠充分。國外對于磁感應(yīng)通信技術(shù)理論方面研究非常成熟，但實際應(yīng)用卻不多。

3 結(jié)束語

本文介紹了水下基站與常駐型ROV 的定位、通信方法，并且對各個系統(tǒng)進(jìn)行分類及分析，闡述了常駐型ROV 水下定位和通信技術(shù)的國內(nèi)外研究進(jìn)展。在ROV定位方面，通常采用遠(yuǎn)距離和近距離相結(jié)合的方法，比如水聲定位與視覺定位結(jié)合、水聲定位與光學(xué)定位結(jié)合等，提高定位精度；在ROV 通信方面，最常用的是長距離的水聲通信，無線電通信和磁感應(yīng)通信也是新興通信方法，都是通過信號轉(zhuǎn)換完成數(shù)據(jù)交換。但目前在回收ROV 方面依然存在水下基站電能轉(zhuǎn)換率低、ROV通信精度低及定位誤差大等問題，在未來的研究中將對其作進(jìn)一步改進(jìn)。