基于动力学特性水声传感网随机游走容错机制

水下传感器节点能量有限、复杂海洋环境影响网络性能下降等因素,制约了水声传感器网络在海洋资源开发、海洋监测等方面的应用推广。为解决水声传感器网络的数据传输负载不均衡、容错能力低等问题,刻画水声传感器网络传播动力学特性,分析复杂海洋环境中传感器节点失效原因,建立了簇结构网络演化模型,提出了一种随机游走容错机制,以提高水声传感器网络容错性和延长其生命周期。仿真实验验证了该模型的合理性和有效性,实验结果表明该机制能揭示水下传感器网络中存在的普遍动力学特性和规律。     

水声传感器网络仿真框架UASNSF的设计

仿真是目前水声传感器网络的主要研究手段,在总结现有水声通信网络仿真工作的基础上,提出了水声传感器网络仿真框架UASNSF,并对其体系结构、组成模型、应用场景等几方面进行了描述,最后通过一个典型的水声传感器网络仿真应用,对该框架的实用性进行了验证.仿真结果证明,该仿真框架兼顾了模型准确性和仿真效率,可以方便地实现对水声传感器网络系统的全面模拟,为水声传感器网络的研究与设计提供了较好的实验平台.     

三维网络拓扑结构的水声传感器网络MAC协议

水声传感器网络Underwater Acoustic Sensor Network(UWASN)由于其广阔的应用前景,近年来逐渐被人们关注。然而由于水下环境的限制性,水声传感器网络具有其一些独特性。例如,与二维的陆地传感器网络不同,水声传感器网络是三维的。如今,现有的介质访问控制Medium Access Control(MAC)协议大多是针对二维无线传感网络,很少有基于三维水声传感器网络的 MAC 协议。针对水下三维网络,提出了基于三维网络拓扑结构的水声传感器网络 MAC 协议。该协议将网络中的节点生成树结构,并利用子节点与父节点之间的关系,通过动态节点算法实现三维动态的水声传感器网络。此外,详细分析了节点间的碰撞并有效解决各种碰撞,从而大大提高了信道利用率。通过仿真软件对比不同协议在同一网络拓扑中的实验结果,证实文中协议能够有效节约大量能源。     

水下移动无线传感器网络拓扑

水下移动无线传感器网络是当今世界各国的研究热点之一. 水下复杂环境以及传感器节点移动特性使得水 下移动无线传感器网络拓扑具备了动态演化性, 同时, 水声通信也对水下移动无线传感器网络的可靠性产生了一定 影响. 首先归纳分析水下移动无线传感器网络国内外的研究现状及进展, 并剖析了水声通信对水下移动无线传感器 网络拓扑的影响; 然后凝炼出3 个科学问题, 重点论述了拓扑生成、拓扑愈合及拓扑优化; 最后对未来研究方向进行 了展望, 以期为该领域的深入研究提供清晰的思路.

     

一种干扰条件下的水底监测层网络体系结构

三维水声传感器网络可分为水面、水中、水底三层进行监测。为了提升干扰条件下水声传感器网络的整体性能,针对水底监测区域的节点部署设计了分层水声传感器网络体系结构,假定在水下监测区域内分布的传感器和集电极分别运行在不同的层,通过实验分析了节点间距不同的情况下,信噪比与最优工作频率的关系,仿真验证了集电极层与传感器层可采用不同最优工作频率通信的合理性和可行性,能够确保网络正常运行并有效避免交叉干扰。     

水下传感器网络安全研究

水下传感器网络是一种新型的水下网络系统.文中分析研究了水下传感器网络面临的安全威胁、攻击和安全问题,结合水下环境和水下传感器网络特点,分析了严重威胁水下传感器网络的攻击.由于水下传感器网络和水声信道的特性,水下传感器网络易受各种恶意的攻击,特别是低成本的拒绝服务攻击会严重破坏网络的服务.现有的陆地传感器网络的安全策略不能直接移植应用到水下传感器网络,并且这些安全策略都是针对某一协议层,由于分层策略的缺点和限制,分层的安全策略不能有效防护混合攻击和跨层攻击,水下传感器网络应采用跨层安全体系结构.     

三维水声传感器网络中高效路由协议的研究

近年来,三维水声传感器网络在学术界和工业界引起了极大的关注.在被监测海域部署三维水声传感器网络,可以解决二维水声传感器网络节点无法充分观测的问题.为了实现三维水声传感器网络在新环境中的水下监测,需要解决一系列的问题.其中,由于监测区域环境的限制以及水声传感器节点的特殊性,需要设计高效的路由协议来保证数据包在各节点之间正确转发.首先提出一种基本地理位置路由协议.在此基础上,设计一种自适应路由协议,以较好地适应三维水声传感器网络中部分节点失效的情况.通过仿真实验发现,自适应路由协议可以在数据包传送率、端到端延时和网络吞吐量指标上达到平衡,而基本地理位置路由协议在端到端延时指标上可获得更好的性能.     

水声信道容延容断网络系统设计与实现

水声通信传感器网络是实现海洋环境监测的重要手段,但由于水声信道存在长时延、易中断特性,为传感器网络的设计和应用带来巨大挑战。设计了一个容延容断网络系统用于实现监测节点间的通信及组网功能。针对监测数据的不定时传输需求,设计的同步方式可准确实现数据帧检测;针对水声信道特点,对网络体系各层级进行设计与实现以适用于水下环境。实验结果表明,系统在1 km处误码率低于[10-3]并能够实现网络自组织,可应用于实际水下监测环境中。     

Aqua-Sim水声信道仿真平台扩展研究

水声信道计算机仿真平台作为海洋网络研究的关键部分已受到广泛关注。由于水声信道具有复杂多变的特性,水声信道的普适性计算机仿真平台研究具有一定难度。本文针对现有水声信道仿真研究存在的问题,对Aqua-Sim水声信道仿真平台进行改进。将海水温度、盐度、纬度和深度等海域环境特征作为仿真平台水下声速和背景噪声计算参数,在仿真实验搭建过程中通过动态参数接口灵活搭建符合实验要求的仿真环境。仿真实验表明,改进后的Aqua-Sim平台仿真效果更加逼近实际海水信道环境。     

基于先验概率模型的混合水下传感器网络部署

针对水下传感器网络,结合水声通信和光通信两种通信方式的优点,设计了新的水下传感器网络结构。根据水下目标分布的先验概率模型,提出了混合水下传感器网络部署算法,实现了水下数据的高速传输和水下目标区域的高效覆盖。仿真结果表明,算法能够较好地减少网络部署的节点数目、缩短数据传输延时,减少能量损耗,延长网络寿命。     

能量高效的水声传感器网络多跳非均匀分簇算法

针对现有水声传感器网络(UW-ASN)分簇路由算法存在的能耗不均衡问题,提出了一种能量高效的多跳非均匀分簇(EEMUC)路由算法。通过节点到基站的物理距离建立网络非均匀分层模型,各层区域内的节点根据综合属性值选择簇头,靠近基站的簇的规模小于远离基站的簇。簇间采用多跳路由方式传送数据,从而均衡了簇头的能耗。实验结果表明,所提算法在簇头数目和节点的剩余能量等性能方面优于低能耗自适应分簇路由(LEACH)和能量高效的非均匀分簇(EEUC)算法,从而提高了水声传感器网络的能量效率,并延长了网络的生命周期。     

基于单目视觉的水下机器人悬停定位技术与实现

以7000m载人潜水器的水下悬停为应用背景，以单目CCD摄像机为传感器，提出了基于模型的单目视觉定位和基于特征的视觉伺服两种水下机器人视觉悬停技术方案，分别适用于已知模型的观察目标和未知模型的观察目标两种情况．以自行研制的水下机器人控制系统实验平台为实验载体，利用前视摄像机和水下人工目标，建立了水下演示实验验证系统，并在室内实验水池中，分别实现了两种悬停方法的水下演示实验．演示实验表明：在两种视觉悬停方法的闭环控制下，水下机器人能够抵抗恒定水流干扰和人工位置扰动，很好地实现水下悬停作业．     

基于LabVIEW/Matlab的AUV半实物仿真系统设计

为解决大型自主式水下航行器（Autonomous Underwater Vehicle,AUV）实际实验环境搭建的困难,以及AUV控制系统各单元功能测试的需要,设计了一套新的Windows平台下基于LabVIEW/Matlab的AUV半实物仿真系统。该仿真系统基于三维空间的水动力模型,来实时计算AUV的位置和姿态等信息;同时,模仿Phins、GAPS、定高高度计、避障声呐等传感器,和AUV甲板、主控以及运动控制单元进行串行和以太网络通信,实现了AUV的运动仿真,同时也为制定运动控制策略提供相关依据。大量实验表明,该系统模型较合理,软件设计可行,具有灵活的扩展性和伸缩性,在AUV控制系统测试实验中成功应用。     

基于数字海图的自主水下机器人路径规划研究

为了解决远程自主水下机器人（LAUV）路径规划问题，提出一种基于数字海图的路径规划算法．该算法对传统人工势场法进行了有效改进，克服了传统人工势场法固有的缺点和不足，可以用于LAUV离线和在线路径规划．其有效性已在半物理实时仿真平台上得到了验证．     

In‐water visual ship hull inspection using a hover‐capable underwater vehicle with stereo vision

Underwater visual inspection is an important task for checking the structural integrity and biofouling of the ship hull surface to improve the operational safety and efficiency of ships and floating vessels. This paper describes the development of an autonomous in‐water visual inspection system and its application to visual hull inspection of a full‐scale ship. The developed system includes a hardware vehicle platform and software algorithms for autonomous operation of the vehicle. The algorithms for vehicle autonomy consist of the guidance, navigation, and control algorithms for real‐time and onboard operation of the vehicle around the hull surface. The environmental perception of the developed system is mainly based on optical camera images, and various computer vision and optimization algorithms are used for vision‐based navigation and visual mapping. In particular, a stereo camera is installed on the underwater vehicle to estimate instantaneous surface normal vectors, which enables high‐precision navigation and robust visual mapping, not only on flat areas but also over moderately curved hull surface areas. The development process of the vehicle platform and the implemented algorithms are described. The results of the field experiment with a full‐scale ship in a real sea environment are presented to demonstrate the feasibility and practical performance of the developed system.     

水声对抗仿真试验数据库的设计

仿真试验是仿真活动中的一个重要环节，而数据库技术是复杂仿真系统进行仿真试验的关键技术。本文在分析了数据库访问技术的基础上，对水声对抗仿真系统的仿真试验数据库的设计进行了详细描述，并给出了数据库访问的实现方法。     

基于以太网与CAN网络的UUV实验平台设计与实现

介绍了以太网—CAN网络实验平台的构建思路及设计实现方法;利用以太网终端计算机对无人水下航行器(Unmanned Underwater Vehicle,UUV)的航行深度进行远程遥控;文中主要介绍了网关的软件设计方法,节点接收滤波器和消息标识符的设置及其在多点通信中的应用;该系统目前完成了4个节点的模拟通信并能够保存所有的实验数据,实验结果显示该实验平台有较好的实时性和稳定性,为航行器深度控制系统性能分析提供参考。     

基于水下网络的多UUV协同作战效能评估

水下网络中心战的核心是实现水下多武器的资源共享、协同探测和协同攻击;文中以多UUV(Unmanned Underwater Vehi-cle)协同作战为例进行分析,来定量的评估水下多武器协同作战效能;建立基于水下网络的多UUV协同作战模型,运用层次分析法(AHP)确定水下网络中心战中多UUV协同作战效能评价体系中各指标的权重,使用模糊综合评价方法对各模糊指标进行评价;此实例为评估多武器协同作战效能提供了一种有效的论证方法。     

基于负载平衡的水声传感器网络生存期延长策略

网络生存期是衡量水声传感器网络的一个主要性能指标.采用多跳传输机制的水声传感器网络中,靠近基站的节点最先耗尽能量,导致网络生存期缩短,针对这一问题,提出了一种网络生存期延长策略.该策略将圆形的网络区域划分成n个环,使最内环每个节点负载最小,给出了最优传输距离,为了平衡负载,采用直跳和多跳混合传输的机制,优化网络生存期.仿真结果表明,网络生存期提高显著.     

水声信道的多模型模拟和试验

水声信道是一个时变的多径信道，且在不同的时间由于海面的状况不同而不同。为较好地实现水声通信．必须对各种水声信道进行较好地了解，研究出适合水下通信，尤其是水下实时通信的较为实际的模型，增加水下声通信的可靠性和水声实时通信的可懂率。该文在前期研究的基础上，将多模型方法应用于水下声信道的研究，并得出了相应的实验方法。