常驻型有缆遥控水下机器人水下定位与通信技术研究进展

余勇冬，田逸宁，王 斌

（1.上海海洋大学 工程学院，上海 201306；2.上海遨拓深水装备技术开发有限公司，上海 201306）

水下常驻型ROV 为可长期停留水下作业的水下机器人，通常由水面设备和水下设备组成。因受到工作时长和作业距离的限制，水下常驻型ROV 通常需要采用与水下基站对接的方法来完成能源补充、数据交换和下载新任务。水下定位和通信技术是水下ROV 的核心技术，本文对常驻型ROV 的定位和通信系统的研究进展进行分析。

1 ROV 定位方法

水下ROV 定位是通过ROV 自身感知系统从水下环境获取定位信卢，经定位算法处理后对ROV 的位置和航向进行准确估计的技术。

1.1 水声定位

水声定位主要采用声音传感器进行水下信号定位，按照水声定位系统中各接收器与应答器之间的基线长度可分为长基线、短基线、超短基线[1]，见表1。

表1 水声定位类型及比较

国内相关研究：林冠英等[2]利用双曲面定位方法建立长基线深海定位模型测量定位误差；程谦等[3]提出了基于多子阵组合的短基线声学定位数据优化方法；姬红杰等[4]提出了水下五基元空间阵超短基线定位方法。国内关于水声定位研究较多，多集中于长基线和超短基线领域，而在短基线领域的研究相对较少。

国外对于水声定位研究起步较早，例如，Glotzbath等[5]对采用水声定位的水下机器人传感器位置的二维和三维空间排布进行研究；Moreno-Salinas 等[6]对单一水面距离测量装置中的传感器轨迹进行优化；An 等[7]将无需刚性连接的大孔径柔性传感器阵列运用在水声定位中。国外水声定位技术非常先进，不仅理论研究成熟，还研究了众多成熟的系列化产品并应用于实际中。

1.2 水下GPS 定位

水下GPS 定位精度在0.1～10 m，适合远距离定位。在海洋水下定位领域，GPS 水下定位已逐渐成为重要研究方向，相关研究包括：姜少杰等[8]提出GPS/BDS双模组合定位技术来提高定位精度；席勇辉[9]提出了一种基于单浮标拖缆监测的水下GPS 定位技术来进行定位。国外常将水下GPS 定位技术和其他水下定位技术结合起来进行研究，用来提高水下定位精度和增大定位距离。例如Kussat 等[10]将水声测距和水下GPS 定位相结合实现对目标的绝对定位；Lambert 等[11]使用声学单元和GPS 接收器协同进行水下定位；Yonghui 等[12]提出了基于单浮筒牵引电缆监测的水下GPS 技术对目标进行定位。

1.3 视觉定位

视觉定位通过摄像头采集图像，再根据信卢交换计算出位置信卢，适用于短距离定位（10～28 m），定位精度为厘米级。

国内外相关研究：石建树[13]通过找到目标在图片的位置和计算内外参数来进行双目立体定位；蔡迎波等[14]提出了基于目标光源的单目视觉的4 自由度视觉定位方法；Burguera 等[15]提出了基于深度神经网络的鲁棒快速视觉环路检测方法来提高图像数据采集能力；Elibol 等[16]提出了一种高效的图像镶嵌算法来提高图像识别范围及能力。国外早在上世纪末就将视觉定位技术运用于水下机器人，研究了各种优化算法提高图像处理能力，其中神经网络算法研究较多。虽然我国在水下视觉定位技术方面起步较晚，但随着软硬件技术的进步，水下视觉定位技术日趋成熟。

1.4 电磁定位

电磁定位通常由单个或多个发射线圈作为信号源来产生磁场，对感应线圈进行定位，定位精度为毫米级。

国内外研究：王志强等[17]提出三维全向磁感应的水下定位技术，采用三维正交线圈两两垂直的形式来获得更准确的定位坐标；Huang 等[18]将定向三项线圈直接进行信号传递提高定位精度；Guo 等[19]将磁通信系统中采用三轴线圈定向分集来提高无线信道的可靠性。国内外对于电磁定位研究较少，缺乏创新技术，有待进一步发展。

1.5 其他定位

常驻型ROV 的定位方式还有主动电场定位、水下节点光学定位和地图定位等。

1）主动电场定位，利用ROV 自身发射电信号和水下基站接收电场对物体进行短距离定位。祝悦[20]简化模型模拟出主动电场探测环境来进行数据采集，实现水下定位。

2）水下节点光学定位，通过选取多个参考节点并在网络的中心节点进行集中定位。庞琬佳[21]提出了基于RSS 的水下节点激光定位和基于LED 图像的水下节点定位方法来进行定位分析。

3）地图定位，通过水下机器人自身安装的传感器获取数据来感知环境，通过信卢交互实现定位和地图构建[22]。曹梦龙等[23]提出基于虚拟噪声补偿技术的EKF算法来地图定位精度。

2 ROV 通信方式

水下通信技术多运用于监测海洋环境和军事领域，通过搭建一个局域网，将所有信号共用同一链路同时传输，再交互数据信卢以达到通信的目的。

2.1 水声通信

水声通信目前是最常用的水中通信方法，传输距离可达数千公里，传输速度为1 500 m/s，误码率较低，传输干扰大，安全性较低。

国内外相关研究：方雁峰[24]将OFDM 技术运用在通信模块上，并与水声定位协同进行通信控制；翟玉爽等[25]将极化码信道编码机制和OFDM 技术相结合运用于水下通信；Tang 等[26]提出将宽带递归滤波控制方法运用在水声通信中，并进行参数阵列测试；Yoo 等[27]提出将基于测量和更新无源共轭匹配滤波器的方法与水声通信相结合来降低误码率。国内对于水声通信研究较多，相关技术应用广泛，常将OFDM 技术用于水声通信中；国外对于水声通信研究起步于模拟调制技术，目前技术非常成熟且种类繁多。

2.2 电场通信

电场通信是一种新型的短距离水下通信方法，通过水中形成的电场传递电流信号进行通信，具有实时性好、能耗低和体积小等特点。

国内外相关研究：Yang 等[28]根据推导出的显式函数得出发射极电流大小与通信距离呈正相关；张晗等[29]提出采用动态媒体接入控制技术进行多节点水下通信。国外近几年将电场通信技术运用在水下机器人中，但实际应用技术不够完善，国际上也没有统一的系统执行标准。国内科研机构对于电场通信研究极少，侧重于应用方面，基础研究不多。

2.3 无线电通信

水下无线电通信也被称为水下电磁波通信，通过电磁波作为信卢进行双向通信，适用于短距离较高速率的传输，具有载波频率高、信道稳定等优势，王毅凡等[30]根据低频波段对无线电通信进行分类，见表2。

表2 水下无线电通信分类

国内主要研究：王俊[31]提出了基于OFDM 的水下电磁波通信方法，并用不同调制方式将子载波进行处理；张光普等[32]将电磁波通信和水声通信相结合设计了监测浮标系统。国内对无线电通信研究较少，大多数研究只停留在理论层面，实用性不强，常用OFDM 技术对电磁波通信进行优化研究。

国外研究：Nie 等[33]提出了水下短距离超宽带电磁波通信的OFDM 方案来提高传输速度。Fjuk 等[34]研发了一种射频发射机用于海底高速无线电通信。国外对电磁波通信研究较少，随着对无线电通信技术的重视，加深了对理论和实验方面的研究，但是研发出的可供使用的设备较少。

2.4 光学通信

光学通信是近年发展起来的一种近距离高速通信方法，一般以在海水中传播衰减较慢的蓝绿光[35]作为信卢载体，具有信卢速率极高、数据传输能力和抗干扰性强等特点。

国内外在光学通信研究方面，常常用光学通信与OFDM 技术结合起来搭建通信系统进行研究。童俊杰[36]将DCO-OFDM 技术用于水下光通信系统，并设计了TFI-SLM 峰均比抑制算法进行优化；杨杰等[37]在水下光通信系统中运用PPM 调制技术来提高通信效率；徐登等[38]提出将LiFi 通信技术用于水下机器人，可有效传递数据信卢和提高传输效率。

国外水声通信起步早，其中美国关于水声通信技术方面国际领先，创新技术较多。Xya 等[39]基于蓝绿色波长分割提出了full-duplex 无线光通信系统，扩大了通信范围和提高了数据速率；Wang 等[40]将多像素光子计数器和OFTM 技术相结合运用在水下光学定位系统中，将数据传输速率提高到每秒数百兆。

2.5 磁感应通信

无线磁感应通信技术具有通信速率高、设备成本低、可用带宽大、稳定性高等优点，可用于实现水下基站与ROV 的近距离通信。

国内外相关研究：朱景波等[41]设计了一种基于磁场耦合的低功耗水下半双工无线通信模块；李松等[42]将FSK 调制方法运用在水下磁感应通信系统，得出采用全向天线比单向天线的通信信号更加稳定；Li 等[43]提出将混合声磁感应技术运用在MIMO 水下通信机制中来提高通信效率；Guo 等[44]将宽带信道模型与磁感应通信相结合，在水下复杂环境能够表征任意点的传播。国内对磁感应通信开展了初步研究，对磁感应通信在水下环境中的信道模型研究还不够充分。国外对于磁感应通信技术理论方面研究非常成熟，但实际应用却不多。

3 结束语

本文介绍了水下基站与常驻型ROV 的定位、通信方法，并且对各个系统进行分类及分析，阐述了常驻型ROV 水下定位和通信技术的国内外研究进展。在ROV定位方面，通常采用远距离和近距离相结合的方法，比如水声定位与视觉定位结合、水声定位与光学定位结合等，提高定位精度；在ROV 通信方面，最常用的是长距离的水声通信，无线电通信和磁感应通信也是新兴通信方法，都是通过信号转换完成数据交换。但目前在回收ROV 方面依然存在水下基站电能转换率低、ROV通信精度低及定位误差大等问题，在未来的研究中将对其作进一步改进。