技術領域

本發(fā)明涉及一種移動無線傳感器網絡分布式目標跟蹤方法，主要采用分布式算法使各個移動節(jié)點自主計算各自的移動路徑來實現(xiàn)目標跟蹤，屬于無線傳感網、目標跟蹤、分布式計算交叉技術應用領域。

背景技術：

無線傳感器網絡是由大量靜止或移動的傳感器節(jié)點以自組織和多跳的方式構成的無線網絡，其目的是協(xié)作地感知、采集、處理和傳輸網絡覆蓋地理區(qū)域內感知對象的信息并報告給用戶。大量的傳感器節(jié)點將探測到的數(shù)據(jù)通過匯聚節(jié)點發(fā)送給用戶。移動無線傳感器網絡是在靜態(tài)無線傳感器網絡的基礎上加入移動節(jié)點后擴展而來的一種新的傳感器網絡形式。由于移動節(jié)點可以在網絡中自由地運動，這樣的特點給網絡的結構組織以及任務分配帶來了挑戰(zhàn)。

目標跟蹤是無線傳感器網絡最重要的研究和應用領域之一。與傳統(tǒng)的傳感器網絡相比，基于無線傳感網的目標跟蹤系統(tǒng)具有如下特點：傳感器節(jié)點小，可以近距離或者直接布置于需要監(jiān)視的環(huán)境中，不易被監(jiān)視目標發(fā)現(xiàn)；無線傳感器網絡可快速部署，自行完成網絡的組織與配置，根據(jù)指定的監(jiān)視任務進行組網和分工，更加靈活可靠地執(zhí)行目標跟蹤任務；在一些不能人工配置監(jiān)控設備的區(qū)域，如受污染的區(qū)域、面積廣闊的森林、敵方控制的戰(zhàn)場等地點，不可能使用傳統(tǒng)的目標跟蹤設備和方法，無線傳感器網絡是最好的選擇。以上特點使得無線傳感器網絡非常適合應用于復雜環(huán)境和特殊場合中的目標跟蹤。

在目標跟蹤過程中，移動無線傳感器網絡相對于靜態(tài)無線傳感器網絡最大的區(qū)別是網絡中的移動節(jié)點能夠隨目標的移動而移動，始終保持目標對網絡可見。已有的目標跟蹤算法大多是針對靜態(tài)網絡設計的，不能很好地適應移動網絡中的目標跟蹤應用。本發(fā)明在綜合考慮動態(tài)網絡連通性、分布式計算的前提下，提出一種能夠提高目標跟蹤精確度，同時保證網絡連通性的移動無線傳感網分布式目標跟蹤方法。

技術實現(xiàn)要素：

技術問題：目標跟蹤是無線傳感器網絡的主要應用，傳統(tǒng)的目標跟蹤方法主要是針對靜態(tài)無線傳感器網絡而設計的，移動無線傳感網的節(jié)點移動性、拓撲結構動態(tài)變化等特點給目標跟蹤帶來了挑戰(zhàn)，尤其是如何引導移動節(jié)點隨目標的運動而移動，同時又讓移動節(jié)點進行動態(tài)自組織，以保證網絡的連通性，是目前移動傳感網目標跟蹤領域的問題之一。本發(fā)明提供一種移動無線傳感器網絡分布式目標跟蹤方法，解決上述問題，提高了目標跟蹤的精確程度，同時又保證網絡的動態(tài)連通性。

技術方案：本發(fā)明提出一種移動無線傳感器網絡分布式目標跟蹤方法，在移動無線傳感器網絡對目標的進行跟蹤過程中，各個移動節(jié)點根據(jù)目標的運動情況分布式地計算各自的移動路徑，使自己更加接近目標的實際位置。

本發(fā)明所述無線傳感網是由部署在監(jiān)測區(qū)域內、跟蹤目標的傳感器節(jié)點通過無線通信形成一個多跳的自組織網絡系統(tǒng)，傳感器節(jié)點協(xié)作地感知、采集、處理網絡覆蓋區(qū)域內目標對象的信息，通過匯聚節(jié)點將數(shù)據(jù)信息發(fā)送給用戶，用戶得到監(jiān)測區(qū)域的目標對象實時信息。

本發(fā)明所述移動無線傳感器網絡分布式目標跟蹤方法需要各個傳感器節(jié)點間進行通信，匯聚節(jié)點僅僅負責完成廣播啟動消息與記錄目標跟蹤結果。其他步驟如建立鄰接節(jié)點表、預測目標位置、向目標位置移動等均由各個傳感器節(jié)點自行按周期分輪次執(zhí)行。

本發(fā)明所述移動無線傳感網分布式目標跟蹤方法包括以下步驟：

1）匯聚節(jié)點廣播節(jié)點位置采集消息，網絡中的靜態(tài)節(jié)點向鄰近的其他靜態(tài)節(jié)點發(fā)送自身的固定位置坐標，當靜態(tài)節(jié)點接收到相鄰節(jié)點發(fā)來的位置信息時就將它記錄到自己的鄰接節(jié)點列表中；

2）靜態(tài)節(jié)點構建移動節(jié)點列表并估測目標位置

21）匯聚節(jié)點向網絡中所有節(jié)點廣播本輪目標跟蹤過程開始的消息，各個傳感器節(jié)點收到此消息后立即開始執(zhí)行下面的目標跟蹤步驟；

22）各個移動節(jié)點向鄰近的靜態(tài)節(jié)點廣播自己的當前位置信息，接到此信息的靜態(tài)節(jié)點構建一張鄰域內移動節(jié)點列表，將所有鄰近自己的移動節(jié)點記錄在這張表中；

23）靜態(tài)節(jié)點在自身的探測范圍內感知目標是否存在，如果目標在探測范圍內，則靜態(tài)節(jié)點進一步獲取目標的具體位置，根據(jù)移動節(jié)點列表，靜態(tài)節(jié)點將自己探測到的目標數(shù)據(jù)發(fā)送給表中的所有移動節(jié)點；

3）移動節(jié)點對鄰近的靜態(tài)節(jié)點發(fā)來的目標估測位置取平均值，節(jié)點將計算結果作為自身對目標當前位置的估測值，在二維平面坐標系中，移動節(jié)點根據(jù)如下所述的公式計算目標的估測位置坐標：

Xa=x1+x2+···+xNNYa=y1+y2+···+yNN]]>

其中，N為向本移動節(jié)點發(fā)送目標位置信息的靜態(tài)節(jié)點數(shù)量；(x1,y1)，(x2,y2)，……，(xN,yN)為這些靜態(tài)節(jié)點估測到的目標位置的坐標；(Xa,Ya)是移動節(jié)點根據(jù)所收到的信息計算出的目標預測位置；

4）移動節(jié)點依據(jù)目標位置估測結果向目標當前所處的實際位置移動，各個移動節(jié)點按照以下公式來計算運動方向和速度：

di=(Xa-xi)2+(Ya-yi)2]]>

vi=diTmif(vmax≥diTm)vmaxif(vmax<diTm)]]>

ωi=arctan(Ya-yiXa-xi)]]>

其中，(xi,yi)是移動節(jié)點i目前所在的位置坐標；(Xa,Ya)是目標估測位置的坐標；Tm是移動節(jié)點的運動時間長度；di是移動節(jié)點i與目標估測位置的距離；vi與ωi是節(jié)點的速度與運動方向角度；vmax是移動節(jié)點所能達到的最大移動速度；

5）移動節(jié)點精確定位目標位置

51）移動節(jié)點感知目標所在的位置，對原來記錄的估測坐標(Xa,Ya)做出修正，移動節(jié)點通過下式計算得出精確的目標位置坐標：

Xt=Xa*N+xm1+xm2+···+xmMN+MYt=Ya*N+ym1+ym2+···+ymMN+M]]>

其中，N為能夠探測到目標的靜態(tài)節(jié)點的總數(shù)量；M為移動節(jié)點的數(shù)量；(xm1,ym1)，(xm2,ym2)，……，(xmM,ymM)分別是各個移動節(jié)點感知到的目標位置坐標；

52）移動節(jié)點向匯聚節(jié)點發(fā)回自己探測到的目標位置信息后，匯聚節(jié)點記錄下目標的精確位置坐標(Xt,Yt)，之后網絡返回步驟2）繼續(xù)進行下一輪的目標跟蹤。

有益效果：本發(fā)明提出了一種移動無線傳感器網絡分布式目標跟蹤方法，該方法基于網絡對目標位置的分布式計算與預測，使移動節(jié)點不斷接近目標的真實位置，提高了目標跟蹤的精確度。具體來說，本發(fā)明所述的改進方法具有如下的有益效果：

（1）本發(fā)明所述的移動無線傳感網分布式目標跟蹤方法，通過各個移動節(jié)點不斷尋找并接近跟蹤目標的實際位置，能夠有效提高移動傳感器網絡目標跟蹤精確度。

（2）所述移動節(jié)點運動路徑決策方法綜合考慮了移動無線傳感網目標跟蹤中靜態(tài)節(jié)點與動態(tài)節(jié)點的協(xié)作配合，直接有效地指導網絡進行合理的數(shù)據(jù)采集、交換與處理，保障了網絡的動態(tài)連通性。

（3）所述分布式目標位置估測方法提高了網絡的目標跟蹤效率，縮短了移動無線傳感器網絡的目標跟蹤周期，加快了網絡的目標跟蹤執(zhí)行過程。

附圖說明

圖1、應用實例流程圖。

圖2、靜態(tài)節(jié)點間通信示意圖。

圖3、移動節(jié)點表構建示意圖。

圖4、估測目標位置過程示意圖。

圖5、移動節(jié)點運動過程示意圖。

圖6、精確定位目標位置示意圖。

具體實施方式

在具體實施中，本發(fā)明采用以下步驟進行分布式目標跟蹤：

步驟1：靜態(tài)節(jié)點構建靜態(tài)鄰接節(jié)點列表

匯聚節(jié)點廣播節(jié)點位置采集消息，網絡中的靜態(tài)節(jié)點向鄰近的其他靜態(tài)節(jié)點發(fā)送自身的固定位置坐標，當靜態(tài)節(jié)點接收到相鄰節(jié)點發(fā)來的位置信息時就將它記錄到自己的鄰接節(jié)點列表中。

步驟2：靜態(tài)節(jié)點構建移動節(jié)點列表并估測目標位置

步驟2.1：匯聚節(jié)點通知各個傳感器節(jié)點開始本輪跟蹤過程

匯聚節(jié)點向網絡中所有節(jié)點廣播本輪目標跟蹤過程開始的消息，各個傳感器節(jié)點收到此消息后立即開始執(zhí)行下面的目標跟蹤步驟。

步驟2.2：靜態(tài)節(jié)點構建移動節(jié)點表

各個移動節(jié)點向鄰近的靜態(tài)節(jié)點廣播自己的當前位置信息，接到此信息的靜態(tài)節(jié)點構建一張鄰域內移動節(jié)點列表，將所有鄰近自己的移動節(jié)點記錄在這張表中。

步驟2.3：靜態(tài)節(jié)點估測目標位置

靜態(tài)節(jié)點在自身的探測范圍內感知目標是否存在。如果目標在探測范圍內，則靜態(tài)節(jié)點進一步獲取目標的具體位置。根據(jù)移動節(jié)點列表，靜態(tài)節(jié)點將自己探測到的目標數(shù)據(jù)發(fā)送給表中的所有移動節(jié)點。

步驟3：移動節(jié)點計算目標估測位置的平均值

移動節(jié)點對鄰近的靜態(tài)節(jié)點發(fā)來的目標估測位置取平均值，節(jié)點將計算結果作為自身對目標當前位置的估測值。

在二維平面坐標系中，移動節(jié)點根據(jù)如下所述的公式計算目標的估測位置坐標：

Xa=x1+x2+···+xNNYa=y1+y2+···+yNN]]>

其中，N為向本移動節(jié)點發(fā)送目標位置信息的靜態(tài)節(jié)點數(shù)量；(x1,y1)，(x2,y2)，……，(xN,yN)為這些靜態(tài)節(jié)點估測到的目標位置的坐標；(Xa,Ya)是移動節(jié)點根據(jù)所收到的信息計算出的目標預測位置。

步驟4：移動節(jié)點向目標位置運動

移動節(jié)點依據(jù)目標位置估測結果向目標當前所處的實際位置移動。

各個移動節(jié)點按照以下公式來計算運動方向和速度：

di=(Xa-xi)2+(Ya-yi)2]]>

vi=diTmif(vmax≥diTm)vmaxif(vmax<diTm)]]>

ωi=arctan(Ya-yiXa-xi)]]>

其中，(xi,yi)是移動節(jié)點i目前所在的位置坐標；(Xa,Ya)是目標估測位置的坐標；Tm是移動節(jié)點的運動時間長度；di是移動節(jié)點i與目標估測位置的距離；vi與ωi是節(jié)點的速度與運動方向角度；vmax是移動節(jié)點所能達到的最大移動速度。

步驟5：移動節(jié)點精確定位目標位置

步驟5.1：移動節(jié)點精確定位目標

移動節(jié)點感知目標所在的位置，對原來記錄的估測坐標(Xa,Ya)做出修正。

移動節(jié)點通過下式可以計算得出精確的目標位置坐標：

Xt=Xa*N+xm1+xm2+···+xmMN+MYt=Ya*N+ym1+ym2+···+ymMN+M]]>

其中，N為能夠探測到目標的靜態(tài)節(jié)點的總數(shù)量；M為移動節(jié)點的數(shù)量；(xm1,ym1)，(xm2,ym2)，……，(xmM,ymM)分別是各個移動節(jié)點感知到的目標位置坐標。

步驟5.2：匯聚節(jié)點記錄目標位置

移動節(jié)點向匯聚節(jié)點發(fā)回自己探測到的目標位置信息后，匯聚節(jié)點記錄下目標的精確位置坐標(Xt,Yt)，之后網絡返回步驟2繼續(xù)進行下一輪的目標跟蹤。

在具體實施中，網絡中的所有節(jié)點都均勻分布在目標活動區(qū)域內，如圖2中所示，執(zhí)行目標跟蹤的移動無線傳感器網絡滿足以下條件：

（1）所有靜態(tài)節(jié)點均勻分布在目標活動區(qū)域中，并且其位置都是固定的。

（2）所有移動節(jié)點都能以一定的速度在網絡覆蓋的范圍內自由運動。

（3）網絡中的每個節(jié)點都能感知自己當前的位置坐標。

（4）匯聚節(jié)點的通信覆蓋范圍足夠大，可以與網絡中的其它節(jié)點直接進行通信。

（5）傳感器節(jié)點能夠根據(jù)接收信號強度及方向來測算與目標之間的距離和方向關系。

（6）移動節(jié)點自身的位置距離目標的實際位置越接近，其探測到的目標位置信息就越精確。

（7）每個節(jié)點都能獨立地監(jiān)測周圍區(qū)域，并且能夠在不依賴匯聚節(jié)點指揮的條件下以分布式方式與鄰接節(jié)點展開數(shù)據(jù)交換與跟蹤協(xié)作。

下面給出本發(fā)明的一個具體應用實例，本實例的工作流程如圖1所示：

第一階段：靜態(tài)節(jié)點間通信

匯聚節(jié)點廣播節(jié)點位置采集消息。每個靜態(tài)節(jié)點向鄰近的靜態(tài)節(jié)點發(fā)送自身位置坐標。當靜態(tài)節(jié)點接收到相鄰節(jié)點發(fā)來的信息時就將它記錄到自己的鄰接節(jié)點列表中。如圖2所示，靜態(tài)節(jié)點S1、S2、S3、S4分別與鄰近的其他靜態(tài)節(jié)點交換自己的位置信息。

第二階段：靜態(tài)節(jié)點構建移動節(jié)點列表

如圖3所示，移動節(jié)點M1、M2、M3分別向靠近自己的靜態(tài)節(jié)點廣播自己的位置信息。根據(jù)接收到的信息，靜態(tài)節(jié)點S1～S4各自構建一張自身鄰域內的移動節(jié)點列表。

第三階段：靜態(tài)節(jié)點估測目標位置

各靜態(tài)節(jié)點在自身的探測范圍內感知目標是否存在。如果目標在探測范圍內，則進一步獲取目標位置的詳細信息。根據(jù)移動節(jié)點列表，靜態(tài)節(jié)點將自己探測到的目標數(shù)據(jù)發(fā)送給鄰域中的所有移動節(jié)點。

如圖4所示，靜態(tài)節(jié)點S1向移動節(jié)點M1、M2發(fā)送目標位置信息。節(jié)點S2向M2、M3發(fā)送信息，節(jié)點S3向M3發(fā)送信息，節(jié)點S4向M1發(fā)送信息。

第四階段：移動節(jié)點向目標位置運動

移動節(jié)點收到了鄰域內所有靜態(tài)節(jié)點對目標的估測位置后，節(jié)點向目標位置移動。如圖5中所示，移動節(jié)點M1、M2、M3分別按照由公式vi=diTmif(vmax≥diTm)vmaxif(vmax<diTm)]]>和所計算出的速度與方向朝著目標位置運動。

第五階段：移動節(jié)點精確定位目標位置

如圖6所示，移動節(jié)點M1、M2、M3感知目標所在的位置，并對原有的估測坐標值做出修正。匯聚節(jié)點通過以下公式計算出目標當前的位置坐標：

Xt=Xa*N+xm1+xm2+···+xmMN+MYt=Ya*N+ym1+ym2+···+ymMN+M]]>

公式中，N為能夠探測到目標的靜態(tài)節(jié)點的數(shù)量；M為移動節(jié)點的數(shù)量；(xm1,ym1)，(xm2,ym2)，……，(xmM,ymM)分別是各個移動節(jié)點感知到的目標位置坐標。最終匯聚節(jié)點記錄目標的精確位置坐標(Xt,Yt)，之后網絡返回階段二繼續(xù)進行目標跟蹤。