基于AUV的水下通信中继性能分析与轨迹规划
发布时间：2021-11-13 21:26
社会经济的发展,使得陆地上资源已渐渐无法满足人们的需要,更多的精力与目光转向了海洋。海洋作为地球面积的主体部分,拥有庞大而丰富的资源,同时世界局势的变化使得海上对抗变为各政府与国家之间角逐的主要方式,因此对水声传感网络的研究日渐火热。本文首先阐述了研究内容的背景与意义,介绍了水声传感网络基本结构并简要概括了其应用与挑战,指出水下无人巡航器（AUV,Autonomous Underwater Vehicle）引入水声传感网络后结合使用对网络性能的提升,同时给出国内外研究现状。之后,介绍了AUV系统组成、所拥有功能以及使用领域,指出其应用的多样性与灵活性。同时,给出最短路径搜索理论与凸优化技术简介,说明了其在轨迹规划中的应用。在完成基础理论阐述后,第三章分析了水声传感网络中AUV的中继性能,建立了AUV在水声网络中进行中继通信的系统模型与信道模型,利用理论分析得出了中继过程中断概率闭式表达式,并以此为基础推导出AUV相对于节点的最优化中继位置,同时给出了稳定位置下通信两阶段优化的信息传输速率比例,最后以仿真验证了AUV中继对水下通信性能的改善。随后,第四章中,在中继分析的基础上,进行了AU...
【文章来源】：华南理工大学广东省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：73 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
SNR与中断概率
及相应通信性能的具体分析，结合仿真验证，我们可以得到以下的结论：1、引入 AUV 进行中继通信可以有效的提升通信效率。在不同的情况下，我们继策略方案对比传统的通信方式都有着明显的性能改善，尤其在高速率的情况下效著。2、不同的信息发射功率比例情况下，最优的中继位置随着两个通信阶段的信息速率比例变化而变化。在两个阶段功率相同的情况下，处于水下节点 A 与水面浮标线中心的位置拥有最好的通信质量。3、按一定规律调节发射功率可以改善信息传输质量。4、在 AUV 位置及发射功率稳定的情况下，调整两阶段的信息传输速率会对中率产生影响。可以根据 AUV 位置确定两阶段信息传输速率比例，使得中断概率最优5、在不连续通信的情况下，我们可以根据 AUV 的位置判断是否需要对水下节 进行中继，当与两者距离超过一定界限时，放弃对节点进行中继。
图 4-3 距离能耗关系曲线在完成第一步的首个节点悬停点搜寻之后，对于第二个水下传感器节点，就以求出前一个悬停点为起点，结合下个目标节点的位置坐标，确定新的航向角θ，与上述相的过程，求出运动距离与对应的悬停点坐标，将悬停点作为初始化坐标继续搜寻，依类推，直到对所有的节点收集完毕，回到终点，即可规划出一条完整的 AUV 航行轨。这里因为考虑 AUV 的悬停能量，因此为了节省能耗以及简化模型，AUV 在悬停点需停留完整的时隙时间，只需收集完节点数据即可移动寻找下一个目标节点。同时放 AUV 的能量限制，假定 AUV 在确定周期内拥有充足能量可完成节点数据采集。因此，由上述分析可以，以优化降低数据采集总能量为目标的 AUV 轨迹规划主要骤如下：、 在目标区域内，对于已知坐标位置的 n 个水下节点，确定 AUV 出发点与终点坐标，利用合适的最短路径搜索算法，将节点顺序排序。
【参考文献】：
期刊论文
[1]自治水下机器人技术综述[J]. 余明刚,张旭,陈宗恒. 机电工程技术. 2017(08)
[2]稀疏水下传感网中AUV数据移动收集技术研究[J]. 蔡文郁,张美燕. 传感技术学报. 2016(10)
[3]智能水下机器人研究进展[J]. 庞硕,纠海峰. 科技导报. 2015(23)
[4]蓝鳍水下机器人公司及其Bluefin系列AUV[J]. 何希盈,蔡祥. 水雷战与舰船防护. 2014(03)
[5]ROV在海洋科学科考中的发展现状及应用[J]. 陈宗恒,盛堰,胡波. 科技创新与应用. 2014(21)
[6]自主水下航行器的研究现状与挑战[J]. 赵涛,刘明雍,周良荣. 火力与指挥控制. 2010(06)
[7]水声传感器网络及其在海洋监测中的应用研究[J]. 刘敏,惠力,杨立,杨书凯. 山东科学. 2010(02)
[8]普里姆（Prim）与迪杰斯特拉（Dijkstra）算法对比分析[J]. 杨智明. 保山师专学报. 2009(05)
[9]基于Prim算法的最小生成树优化研究[J]. 江波,张黎. 计算机工程与设计. 2009(13)
[10]深海路由勘察中深拖与AUV的技术对比[J]. 汤民强,毕永良. 海洋测绘. 2008(06)
博士论文
[1]基于凸优化理论的无线网络跨层资源分配研究[D]. 程鹏.浙江大学 2008
硕士论文
[1]萤火虫算法的研究与应用[D]. 高伟明.兰州大学 2013
[2]典型城市路网中最短路径算法研究及实现[D]. 王世明.山东大学 2012
本文编号：3493752
【文章来源】：华南理工大学广东省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：73 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
SNR与中断概率
及相应通信性能的具体分析，结合仿真验证，我们可以得到以下的结论：1、引入 AUV 进行中继通信可以有效的提升通信效率。在不同的情况下，我们继策略方案对比传统的通信方式都有着明显的性能改善，尤其在高速率的情况下效著。2、不同的信息发射功率比例情况下，最优的中继位置随着两个通信阶段的信息速率比例变化而变化。在两个阶段功率相同的情况下，处于水下节点 A 与水面浮标线中心的位置拥有最好的通信质量。3、按一定规律调节发射功率可以改善信息传输质量。4、在 AUV 位置及发射功率稳定的情况下，调整两阶段的信息传输速率会对中率产生影响。可以根据 AUV 位置确定两阶段信息传输速率比例，使得中断概率最优5、在不连续通信的情况下，我们可以根据 AUV 的位置判断是否需要对水下节 进行中继，当与两者距离超过一定界限时，放弃对节点进行中继。
图 4-3 距离能耗关系曲线在完成第一步的首个节点悬停点搜寻之后，对于第二个水下传感器节点，就以求出前一个悬停点为起点，结合下个目标节点的位置坐标，确定新的航向角θ，与上述相的过程，求出运动距离与对应的悬停点坐标，将悬停点作为初始化坐标继续搜寻，依类推，直到对所有的节点收集完毕，回到终点，即可规划出一条完整的 AUV 航行轨。这里因为考虑 AUV 的悬停能量，因此为了节省能耗以及简化模型，AUV 在悬停点需停留完整的时隙时间，只需收集完节点数据即可移动寻找下一个目标节点。同时放 AUV 的能量限制，假定 AUV 在确定周期内拥有充足能量可完成节点数据采集。因此，由上述分析可以，以优化降低数据采集总能量为目标的 AUV 轨迹规划主要骤如下：、 在目标区域内，对于已知坐标位置的 n 个水下节点，确定 AUV 出发点与终点坐标，利用合适的最短路径搜索算法，将节点顺序排序。
【参考文献】：
期刊论文
[1]自治水下机器人技术综述[J]. 余明刚,张旭,陈宗恒. 机电工程技术. 2017(08)
[2]稀疏水下传感网中AUV数据移动收集技术研究[J]. 蔡文郁,张美燕. 传感技术学报. 2016(10)
[3]智能水下机器人研究进展[J]. 庞硕,纠海峰. 科技导报. 2015(23)
[4]蓝鳍水下机器人公司及其Bluefin系列AUV[J]. 何希盈,蔡祥. 水雷战与舰船防护. 2014(03)
[5]ROV在海洋科学科考中的发展现状及应用[J]. 陈宗恒,盛堰,胡波. 科技创新与应用. 2014(21)
[6]自主水下航行器的研究现状与挑战[J]. 赵涛,刘明雍,周良荣. 火力与指挥控制. 2010(06)
[7]水声传感器网络及其在海洋监测中的应用研究[J]. 刘敏,惠力,杨立,杨书凯. 山东科学. 2010(02)
[8]普里姆（Prim）与迪杰斯特拉（Dijkstra）算法对比分析[J]. 杨智明. 保山师专学报. 2009(05)
[9]基于Prim算法的最小生成树优化研究[J]. 江波,张黎. 计算机工程与设计. 2009(13)
[10]深海路由勘察中深拖与AUV的技术对比[J]. 汤民强,毕永良. 海洋测绘. 2008(06)
博士论文
[1]基于凸优化理论的无线网络跨层资源分配研究[D]. 程鹏.浙江大学 2008
硕士论文
[1]萤火虫算法的研究与应用[D]. 高伟明.兰州大学 2013
[2]典型城市路网中最短路径算法研究及实现[D]. 王世明.山东大学 2012
本文编号：3493752
本文链接：https://www.wllwen.com/kejilunwen/wltx/3493752.html
