[发明专利]水下多机器人编队的无线光通信邻居发现系统及方法

说明书

水下多机器人编队的无线光通信邻居发现系统，包括光源LED，光源按经纬向排布在半球表面；半球顶部安装全向接收器，构成节点结构；每个节点都可独立发送消息；水下多机器人编队的无线光通信邻居发现方法，步骤为：选择K个节点持有令牌；持有令牌的节点发送请求信息帧；邻居节点接收到请求信息帧后，发送应答信息帧；令牌持有节点发送完请求信息帧后开启定时器T₁，判断应达信息；邻居节点发送完应答信息帧后开启定时器T₂，并判断确认信息；若未收到应答信息，发现结束；若收到应答信息，发送确认信息帧；令牌持有节点邻居发现结束后，令牌传送给邻居节点；邻居发现完成；传输范围较长、数据速率较高、抗干扰性能强、能耗低。

技术领域

本发明属于水下无线光通信技术领域，具体涉及水下多机器人编队的无线光通信邻居发现系统及方法。

背景技术

水下信息传输、侦察和监测是探索海洋、掌握海域信息最基本的手段，稳定和良好的通信网络技术对于水下机器人之间的协作至关重要。现有的通信方式包括水声通信、无线电通信和无线光通信等。声波在水里有着诸多的限制，如强衰减、高能耗和大体积，并不适合水下机器人间通信。无线电通信方式主要采用甚低频通信，该方法须使用很长的拖曳天线，且通信速率慢，不能实时通信。

在1963年，Duntley等人研究发现水下通信也存在类似于大气中的窗口，450nm～550nm波段蓝绿光在水下衰减比其他波段光衰减小很多。近年来，无线光通信凭借通信设备体积小、相对较高的数据传输速率、较长的传播范围、能耗低和抗干扰能力强等特点得到了越来越多的研究。多个机器人在水下协作执行任务时处于相对动态的过程，但是还要保证和其他节点的正常通信，这个问题首先要解决的是多节点邻居发现。

发明内容

为克服上述现有技术的不足，本发明的目的是提供水下多机器人编队的无线光通信邻居发现系统及方法，保证多节点邻居的快速稳定的发现；具有传输范围较长、数据速率较高、抗干扰性能强和能耗低的优点；能够快速成功地发现周围水下机器人的特点。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：水下多机器人编队的无线光通信邻居发现系统，包括有光源，其特征在于，光源采用波段为530nm、发散角为30度、发射信号功率为1W的蓝绿光LED，将其按照经纬向均匀排布在半球表面；半球表面的顶部安装全向接收器，构成双工半球形LED节点结构；在该节点结构中，每一个节点都可以独立发送消息；蓝绿光LED有方向性，因而只有位于LED正对区域内的节点才能接收到消息；

水下多机器人编队的无线光通信邻居发现方法，水下环境中必须要快速稳定的实现邻居发现，多节点水下无线光通信网络中的邻居发现方法主要是利用令牌和随机退避这两种机制来尽可能地减少信道冲突并最大化利用信道，包括以下步骤：

步骤1，提前在所有节点中随机选择K个节点持有令牌，之后维持令牌个数不变；为保证所有节点都要发起邻居发现过程，则令牌的传递过程按照深度优先遍历DFS算法进行，判断节点为叶子节点的条件为该节点持有令牌时未发现任何新的未知邻居节点，或所有新的邻居节点已发起过邻居发现过程，即已经持有过令牌；

步骤2，持有令牌的节点在提前规定的时间范围A内随机选择一个时隙发送请求信息帧，发送方式仍采用行列交替扫描的方式进行发送，既可以实现全向发送的目的，而且每个方向都有独立的编码；为了确保请求信息到达所有邻居节点，在发送完成后，在时间范围A 内随机选择时隙重新发送请求信息帧，共发送L次；

步骤3，当邻居节点接收到请求信息帧后，在退避时间范围V内随机选择一个时隙发送应答信息帧，发送方式与发送请求信息帧的方向相同，每个方向的应答信息帧都带有自身的方向编码；若已对该节点的请求信息进行过应答，则忽略该请求信息，不发送应答信息，以降低信道冲突概率；