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　　工學(xué)院謝廣明課題組研制出新型水下通信系統(tǒng)

　　近期，工學(xué)院謝廣明">謝廣明教授領(lǐng)導(dǎo)的課題組研制出一種新型的水下電場(chǎng)通信系統(tǒng)，為目前水下機(jī)器人通信提供了一種新思路，相關(guān)論文發(fā)表于仿生科學(xué)領(lǐng)域國(guó)際頂級(jí)期刊 Bioinspiration & Biomimetics。

　　由于水環(huán)境的特殊性，水下通信不像陸地上那樣方便自如，其一定程度上限制了水下機(jī)器人大規(guī)模應(yīng)用。傳統(tǒng)水聲通信是使用最為廣泛的一種通信方法。但因其功耗高、體積大、速率慢，容易受到水體運(yùn)動(dòng)及周圍障礙物的影響，尤其是在有限或地形復(fù)雜的水域通信時(shí)，信道多徑效應(yīng)明顯，通信質(zhì)量較差，已經(jīng)很難滿足日益增長(zhǎng)的水下通信需求。

　　謝廣明">謝廣明教授領(lǐng)導(dǎo)的團(tuán)隊(duì)是國(guó)內(nèi)較早展開(kāi)水下仿生機(jī)器人相關(guān)研究的人員，強(qiáng)調(diào)模仿學(xué)習(xí)自然界生物特征和功能，在若干方向取得了創(chuàng)新性結(jié)果。為解決水下機(jī)器人的穩(wěn)定通信，為日后水下機(jī)器人群體的大規(guī)模應(yīng)用，謝廣明">謝廣明團(tuán)隊(duì)從自然界魚(yú)類的一種特殊行為中獲得靈感，開(kāi)發(fā)出了通信穩(wěn)定、功耗低且對(duì)水環(huán)境要求極低的水下電場(chǎng)通信系統(tǒng)，并在機(jī)器人上進(jìn)行了系統(tǒng)深入的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。

　　謝廣明">謝廣明教授及合作者經(jīng)過(guò)研究發(fā)現(xiàn)，自然界有些魚(yú)類如南美電鰻亞目(Gymnotiformes) 魚(yú)和非洲管嘴魚(yú)科(Mormyridae) 魚(yú)，可以主動(dòng)發(fā)射和感知電場(chǎng)實(shí)現(xiàn)水下通信。其工作原理為電魚(yú)通過(guò)自身特有的發(fā)電器官發(fā)射電場(chǎng)信號(hào)并且釋放到周圍水域，由于水是良導(dǎo)體，該電場(chǎng)信號(hào)會(huì)以類電偶極子場(chǎng)的方式進(jìn)行傳播，附近的其他電魚(yú)可以感知第一條電魚(yú)發(fā)射的電場(chǎng)信號(hào)，并從中提取頻率、波形及信號(hào)時(shí)間間隔等有效信息，從而解讀出電場(chǎng)信號(hào)中蘊(yùn)含的信息，實(shí)現(xiàn)個(gè)體間的水下通信。從電魚(yú)通信中得到啟發(fā)，研究團(tuán)隊(duì)首先把電魚(yú)通信系統(tǒng)抽象建模為由一對(duì)發(fā)射電偶極子和一對(duì)接收電偶極子組成的簡(jiǎn)化系統(tǒng)，接著對(duì)該電場(chǎng)系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)值仿真，初步掌握了其傳播及分布特性，最后設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)出了一套新型的仿生電場(chǎng)通信系統(tǒng)。研究團(tuán)隊(duì)對(duì)該仿生電場(chǎng)系統(tǒng)進(jìn)行了深入系統(tǒng)地實(shí)驗(yàn)研究，分別對(duì)比了電場(chǎng)通信在靜水、水流流動(dòng)、有障礙物環(huán)境和自然水域中的通信性能，結(jié)果表明水中電場(chǎng)通信比水聲通信更為穩(wěn)定，水體運(yùn)動(dòng)、障礙物及水質(zhì)等復(fù)雜環(huán)境對(duì)電場(chǎng)通信影響都很小。目前發(fā)射功率僅為0.25W時(shí)即可實(shí)現(xiàn)水下3~5米的近距離電場(chǎng)通信，增加發(fā)射功率和電極間距可進(jìn)一步提高通信距離，未來(lái)具有較大應(yīng)用前景。該成果以長(zhǎng)文 (Regular Paper) 的形式發(fā)表于Bioinspiration & Biomimetics (W. Wang, J. Liu, G. Xie, L. Wen, and J. Zhang, “A Bio-inspired Electrocommunication System for Small Underwater Robots”, Bioinspiration & Biomimetics, 12, 036002, 2017.)。

　　論文的通訊作者為謝廣明">謝廣明教授，第一作者為謝廣明">謝廣明課題組的博士王偉(目前在美國(guó)麻省理工學(xué)院機(jī)器人研究所做博士后研究)。該工作得到了國(guó)家自然科學(xué)基金等項(xiàng)目的資助。項(xiàng)目合作者還包括德國(guó)漢堡大學(xué)的Jianwei Zhang教授，英國(guó)帝國(guó)理工大學(xué)的Jindong Liu教授以及北京航空航天大學(xué)的文力教授。

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