【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于水下仿生鱼群的通信，尤其涉及一种基于无线光通信的水下仿生鱼群通信方法及系统。
技术介绍
1、水下环境具有复杂性和多变性，包括海洋、湖泊和河流等。传统的水下机器人可能面临流体动力学、能源管理和导航等方面的挑战。仿生鱼研究旨在借鉴鱼类在水中高效游动和适应环境的能力，以提高水下机器人的性能和适应性。水下资源的勘探对于石油、天然气等行业至关重要。仿生鱼的研究可以帮助设计更有效的水下机器人，用于勘探和监测水下资源的分布和状态。在生态环境检测方面，对水下生态系统的监测对于环境保护和科学研究至关重要。仿生鱼机器人可以更自然地融入水下生态系统，进行长时间的监测，而不会过多干扰环境。
2、水下仿生鱼群相较单个鱼具有一系列优势，这些优势主要来源于群体行为和协同工作的特性。在协同任务执行方面，仿生鱼群可以通过协同工作来执行复杂的任务。群体中的个体可以分担任务，相互协作，从而提高整体效率。这对于水下环境中需要大规模协同作业的任务非常重要，如搜索救援、资源勘探等。同时鱼群体现出一种强大的适应性和鲁棒性。仿生鱼群在面对水下环境的变化、障碍物和复杂地形时，能够通过调整群体行为更好地适应和应对挑战，而不依赖于单个机器人的能力。在分布感知方面，仿生鱼群中的个体可以提供分布式感知，共同感知周围环境。这种分布式感知可以用于实时监测水下条件、检测目标、收集数据等，提供更全面的信息。同时鱼群中的个体可以共享资源，如能源、传感器信息等。这种资源共享可以使群体在执行任务时更加经济高效，延长整个群体的工作时间。在面对水下复杂环境时，仿生鱼群可以通过群
3、仿生鱼群之间的通信是执行仿生鱼任务的关键要素。水下仿生鱼群通信需要考虑水下环境的特殊性，包括信号传播的限制和水的吸收、散射等因素。水下无线光通信是一种利用光波进行通信的方式，适用于水下环境。在仿生鱼群之间的水下通信中，光通信可以被设计为一种有效的方式。
4、现有技术存在的问题及缺陷为：仿生鱼群之间的通信是实现群体协同行为和协作任务的关键要素。在水下环境中，光信号可能受到其他光源的干扰，包括来自然光自然光、其他水下光通信系统或光敏感生物的光源。这可能导致通信信号受到影响，影响群体协同性。如何建立水下鱼群的无线光通信网络是保证其高效协同性的关键。
技术实现思路
1、为克服相关技术中存在的问题，本专利技术公开实施例提供了一种基于无线光通信的水下仿生鱼群通信方法及系统。
2、所述技术方案如下：基于无线光通信的水下仿生鱼群通信方法，包括：
3、s1，具有通信功能的仿生鱼通过通信协议建立无线光通信网络的水下仿生鱼群层次结构，并将该结构划分为：领导层、协调层、感知层；
4、s2，建立领导层与协调层之间通信网络，所述协调层包括多个协调鱼，多个所述协调鱼两两之间建立协调层通信网络；
5、s3，建立协调层与感知层的通信网络，所述感知层划分为多个与所述协调层中每个协调鱼通信的子感知层，每个子感知层包括多个感知鱼，并建立感知层通信网络。
6、在步骤s1中，所述仿生鱼包含：进行无线光通信的激光器、探测器及控制模块；
7、所述探测器用于探测到单光子量级的信号，实现信号的接收；所述探测器为单光子探测器，所述探测器包括前向探测器和后向探测器；所述激光器包括前向激光器以及后向激光器，激光器用于发送经过调制后的信号，激光器的指向由控制模块控制，并进行二维方向转动；
8、所述仿生鱼还用于进行无线光通信的发送功能与接收，所述仿生鱼的前向激光器由控制模块完成仿生鱼前向的通信信息发送，后向激光器由控制模块完成后向的通信信息发送；前向探测器完成对来自仿生鱼前向通信信息的接收，后向探测器完成对来自仿生鱼后向通信信息的接收。
9、在步骤s1中，所述领导层用于协调整个水下仿生鱼群的通信，负责与协调层进行通信，并通过协调层与感知层进行通信；
10、所述协调层用于负责协调和管理光通信网络的数据传输，发送指令信息与感知鱼进行通信；当同层的某条协调鱼与上层网络失联时，通过调度同层的协调鱼与该失联鱼进行通信；
11、所述感知层通过光通信网络与协调鱼进行信息交流，当同层的某条感知鱼与上层网络失联时，通过调度同层的感知鱼与该失联鱼进行通信。
12、在步骤s1中，仿生鱼通过通信协议建立无线光通信网络的水下仿生鱼群层次结构，包括：发信端激光器进行扫描，在扫描过程中发送信息帧，收信端在接收到发信端信息后，对信息进行解析，提取信息帧中的不同信息位，解析完成后进行扫描并发送反馈信息，发信端在收到反馈信息后进行解析，则双方的位置信息都确定，建立起通信链路；
13、其中，通信协议中的信息结构包括：帧头为固定序列用于通信时的同步与信息序列开始的标定；优先级位用于指定指令的优先级，分为三级，领导鱼所发送信息优先级最高为1级，协调鱼所发送信息为2级，感知鱼所发送信息为3级，接收端通过接收到的优先级位来判断所接收信号来自于网络层中哪一层，接收端在接收到信息后进行解析提取优先级位，优先级位为1级则判定信息来自于领导层，优先级位为2级则判定信息来自于协调层，优先级位为3级则判定信息来自于感知层；
14、编号位用于区分同一网络层次的不同的仿生鱼，己方位置信息为己方的激光器指向，对方位置信息为对方的激光器指向，指令位为发送给对方的指令。
15、在步骤s2中，所述建立领导层与协调层之间通信网络，包括：领导层的领导鱼与协调层的协调鱼1进行通信连接，领导鱼激光器转动扫描的同时进行信息发送，发送的信息帧中指令位包含的指令为：
16、协调鱼1向领导鱼反馈位置信息，则当只有协调鱼1的前向探测器在接收到该指令时，前向激光器转动并进行反馈信息的发送，领导鱼的探测器接收到来自协调鱼1的反馈信息后，双方位置信息都已确定，完成领导鱼与协调鱼1的通信连接；
17、之后，领导层的领导鱼尝试与协调层的协调鱼2进行通信连接，领导鱼激光器转动的同时进行信息发送，发送的信息帧中指令位包含的指令为：协调鱼2向领导鱼反馈位置信息，则当只有协调鱼2的前向探测器在接收到该指令时，前向激光器转动并才会并进行反馈信息的发送，领导鱼的探测器接收到来自协调鱼2的反馈信息后，双方位置信息都已确定，完成领导鱼与协调鱼2的通信连接；
18、最后，领导层的领导鱼与协调层的协调鱼3进行通信连接，领导鱼激光器转动的同时进行信息发送，发送的信息帧中指令位包含的指令为：协调鱼3向领导鱼反馈位置信息，则当只有协调鱼3的前向探测器在接收到该指令时，前向激光器转动并才会并进行反馈信息的发送，领导鱼的探测器接收到来自协调鱼3的反馈信息后，双方位置信息都已确定，完成领导鱼与协调鱼3的通信连接；完成上述过程后，完成领导层本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种基于无线光通信的水下仿生鱼群通信方法，其特征在于，该方法包括：
2.根据权利要求1所述的基于无线光通信的水下仿生鱼群通信方法，其特征在于，在步骤S1中，所述仿生鱼包含：进行无线光通信的激光器、探测器及控制模块；
3.根据权利要求1所述的基于无线光通信的水下仿生鱼群通信方法，其特征在于，在步骤S1中，所述领导层用于协调整个水下仿生鱼群的通信，负责与协调层进行通信，并通过协调层与感知层进行通信；
4.根据权利要求1所述的基于无线光通信的水下仿生鱼群通信方法，其特征在于，在步骤S1中，仿生鱼通过通信协议建立无线光通信网络的水下仿生鱼群层次结构，包括：发信端激光器进行扫描，在扫描过程中发送信息帧，收信端在接收到发信端信息后，对信息进行解析，提取信息帧中的不同信息位，解析完成后进行扫描并发送反馈信息，发信端在收到反馈信息后进行解析，则双方的位置信息都确定，建立起通信链路；
5.根据权利要求1所述的基于无线光通信的水下仿生鱼群通信方法，其特征在于，在步骤S2中，所述建立领导层与协调层之间通信网络，包括：领导层的领导鱼与协调层的协调鱼1进
6.根据权利要求1所述的基于无线光通信的水下仿生鱼群通信方法，其特征在于，在步骤S2中，多个所述协调鱼两两之间建立协调层通信网络，包括：领导鱼发送指令给三条协调鱼，协调鱼1后向激光器转动扫描发送信息，发送的信息帧中指令位包含的指令为：协调鱼2向协调鱼1反馈位置信息，则当只有协调鱼2的前向探测器在接收到该指令时，前向激光器转动并才会并进行反馈信息的发送，协调鱼1的探测器接收到来自协调鱼2的反馈信息后，双方位置信息都已确定，完成协调鱼1与协调鱼2的通信连接；协调鱼1后向激光器转动扫描发送信息，发送的信息帧中指令位包含的指令为：协调鱼3向协调鱼1反馈位置信息，则当只有协调鱼3的前向探测器在接收到该指令时，前向激光器转动并进行反馈信息的发送，协调鱼1的探测器接收到来自协调鱼3的反馈信息后，双方位置信息都已确定，完成协调鱼1与协调鱼3的通信连接；协调鱼2后向激光器转动扫描发送信息，发送的信息帧中指令位包含的指令为：协调鱼3向协调鱼2反馈位置信息，则当只有协调鱼3的前向探测器在接收到该指令时，前向激光器转动并才会并进行反馈信息的发送，协调鱼2的探测器接收到来自协调鱼3的反馈信息后，双方位置信息都已确定，完成协调鱼2与协调鱼3的通信连接。
7.根据权利要求1所述的基于无线光通信的水下仿生鱼群通信方法，其特征在于，在步骤S3中，所述建立协调层与感知层的通信网络，包括：领导鱼发送信息给协调鱼1与其负责的感知层的3条感知鱼进行通信网络建立；协调层的协调鱼1尝试与感知层的感知鱼1进行通信连接，协调鱼1后向激光器转动扫描的同时进行信息发送，发送的信息帧中指令位包含的指令为:感知鱼1向协调鱼1反馈位置信息，则当只有感知鱼1的前向探测器在接收到该指令时，前向激光器转动并才会并进行反馈信息的发送，协调鱼1的探测器接收到来自感知鱼1的反馈信息后，双方位置信息都已确定，完成协调鱼1与感知鱼1的通信连接；与感知鱼2、感知鱼3同样完成上述过程后，协调鱼1向领导鱼1反馈信息，领导鱼确认通过协调鱼1与感知鱼1、感知鱼2、感知鱼3进行通信；同样过程，协调鱼2与感知鱼4、感知鱼5、感知鱼6建立通信链路，并反馈领导鱼；协调鱼3与感知鱼7、感知鱼8、感知鱼9建立通信链路，并反馈领导鱼；至此，领导层与协调层、感知层建立起通信链路。
8.根据权利要求1所述的基于无线光通信的水下仿生鱼群通信方法，其特征在于，在步骤S3中，建立感知层通信网络，包括：领导鱼发送指令给三条协调鱼，协调鱼返送指令给三条感知鱼；感知鱼1后向激光器转动扫描发送信息，发送的信息帧中指令位包含的指令为:感知鱼2向感知鱼1反馈位置信息，则当只有感知鱼2的前向探测器在接收到该指令时，前向激光器转动并才会并进行反馈信息的发送，感知鱼1的探测器接收到来自感知鱼2的反馈信息后，双方位置信息都已确定，完成感知鱼1与感知鱼2的通信连接；感知鱼1后向激光器转动扫描发送信息，发送的信息帧中指令位包含的指令为:感知鱼3向感知鱼1反馈位置信息，则当只有感知鱼3的前向探测器在接收到该指令时，前向激光器转动并才会并进行反馈信息的发送，感知鱼1的探测器接收到来自感知鱼3的反馈信息后，双方位置信息都已确定，完成感知鱼1与感知鱼3的通信连接；
9.根据权利要求8所述的基于无线光通信的水下仿生鱼群通信方法，其特征在于，领导鱼尝试与协调鱼2进行通信，根据上述建立网络结构，领导鱼直接与协调鱼2进行通信，通信时同样发送所述信息帧结构，指令...
【技术特征摘要】
1.一种基于无线光通信的水下仿生鱼群通信方法，其特征在于，该方法包括：
2.根据权利要求1所述的基于无线光通信的水下仿生鱼群通信方法，其特征在于，在步骤s1中，所述仿生鱼包含：进行无线光通信的激光器、探测器及控制模块；
3.根据权利要求1所述的基于无线光通信的水下仿生鱼群通信方法，其特征在于，在步骤s1中，所述领导层用于协调整个水下仿生鱼群的通信，负责与协调层进行通信，并通过协调层与感知层进行通信；
4.根据权利要求1所述的基于无线光通信的水下仿生鱼群通信方法，其特征在于，在步骤s1中，仿生鱼通过通信协议建立无线光通信网络的水下仿生鱼群层次结构，包括：发信端激光器进行扫描，在扫描过程中发送信息帧，收信端在接收到发信端信息后，对信息进行解析，提取信息帧中的不同信息位，解析完成后进行扫描并发送反馈信息，发信端在收到反馈信息后进行解析，则双方的位置信息都确定，建立起通信链路；
5.根据权利要求1所述的基于无线光通信的水下仿生鱼群通信方法，其特征在于，在步骤s2中，所述建立领导层与协调层之间通信网络，包括：领导层的领导鱼与协调层的协调鱼1进行通信连接，领导鱼激光器转动扫描的同时进行信息发送，发送的信息帧中指令位包含的指令为：
6.根据权利要求1所述的基于无线光通信的水下仿生鱼群通信方法，其特征在于，在步骤s2中，多个所述协调鱼两两之间建立协调层通信网络，包括：领导鱼发送指令给三条协调鱼，协调鱼1后向激光器转动扫描发送信息，发送的信息帧中指令位包含的指令为：协调鱼2向协调鱼1反馈位置信息，则当只有协调鱼2的前向探测器在接收到该指令时，前向激光器转动并才会并进行反馈信息的发送，协调鱼1的探测器接收到来自协调鱼2的反馈信息后，双方位置信息都已确定，完成协调鱼1与协调鱼2的通信连接；协调鱼1后向激光器转动扫描发送信息，发送的信息帧中指令位包含的指令为：协调鱼3向协调鱼1反馈位置信息，则当只有协调鱼3的前向探测器在接收到该指令时，前向激光器转动并进行反馈信息的发送，协调鱼1的探测器接收到来自协调鱼3的反馈信息后，双方位置信息都已确定，完成协调鱼1与协调鱼3的通信连接；协调鱼2后向激光器转动扫描发送信息，发送的信息帧中指令位包含的指令为：协调鱼3向协调鱼2反馈位置信息，则当只有协调鱼3的前向探测器在接收到该指令时，前向激光器转动并才会并进行反馈信息的发送，协调鱼2的探测器接收到来自协调鱼3的反馈信息后，双方位置信息都已确定，完成协调鱼2与协调鱼3的通信连接。
7.根据权利要求1所述的基于无线光通信的水下仿生鱼群通信方法，其特征在于，在步骤s3中，所述建立协调层与感知层的通信网络，包括：领导鱼发送信息...
【专利技术属性】
技术研发人员：李文东，王纪安，苏玮，陈瑞峰，王敦，张子龙，马丽珍，顾永建，
申请(专利权)人：中国海洋大学，
类型：发明
国别省市：
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