CN101448338B - 一种移动式三维空间无线测试网络系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及人工智能领域中的无线测试与感知技术领域，尤其涉及一种移动式三维空间无线测试网络系统。包括空中飞行节点群、地面移动节点群、移动数据处理网关和控制终端。各节点配备有传感器，用于特定位置的信息采集；各空中飞行节点和地面移动节点通过无线通讯自组织联结成一个三维空间测试网络；移动数据处理网关用于指令发送、收集和处理网络数据；控制终端用于人机交互控制网络。本发明系统不仅能够应用于固定地点的测试外，而且能应用于移动三维空间动态测试。系统具备重配置能力，能够实现三维空间内对静止目标进行信息测试和对移动目标进行跟踪测试。本系统成本低，扩充性好，其应用具有较强的灵活性，具有很高的实用价值。

Description

一种移动式三维空间无线测试网络系统

技术领域

本发明涉及人工智能领域中的无线测试与感知技术领域，尤其涉及一种应用于三维立体空间测试的移动无线测试系统。

背景技术

无线测试网络通常被用来野外不便布线的测试应用场合，在油井无线测试等工业领域中有着广泛的应用。

传统的无线测试网络系统的特征是传感器位置固定，为提高通讯距离，通常将天线固定于较高的杆状物体上进行通讯。传统的无线测试网络系统一般只能在二维平面内布署，若要在三维空间内进行测试，只能采用架高传感器的办法实现，且测试点的位置固定，因此不具备测试位置重配置能力和跟随测试对象测试的能力。此外，此类无线测试系统以GPRS或CDMA等基础网络进行通讯，使用成本高，且受基础通讯网络覆盖范围的限制，不能用于无基础通讯网络的特殊测试场合。

以有毒气体测试对象为例，该类测试对象具有随时间分布扩散、漂移、范围广、受气象条件影响大等特性。采用传统的无线测试网络系统满足不了动态跟踪测试的要求，适应不了测试对象漂移的特点；受地面支撑物体高度的限制，在三维测试空间内使用时，传统的无线测试网络系统的测试空间极为有限，根本满足不了测试对象大范围内散布的测试要求。

因此，为了满足三维立体空间对移动目标的跟踪测试要求和静止三维空间内大范围测试场的测试应用需求，必须采用具备三维空间测试能力的无线测试系统来解决。

发明内容

本发明的目的是为了克服已有的无线测试网络系统不能满足漂移对象测试的不足和使用基础设施进行通讯导致应用成本高的问题，提供一种新型的移动式三维空间无线测试网络系统。该系统不仅能适应固定地点三维空间内的传感时空场信息测试，而且能够满足对移动测试对象进行测试。

本发明的目的是通过下述技术方案实现的。

本发明的一种移动式三维空间无线测试网络系统，包括有：空中飞行节点群、地面移动节点群、移动数据处理网关和控制终端。

空中飞行节点群由多个相同类型的空中飞行节点组成，节点数量根据测试任务由用户确定。这些空中飞行节点根据任务测试需求进行三维空间的位置部署，其扩展方向具有三维特性，能够向空间内的任意方向进行扩展。各空中飞行节点均具备空中移动和悬停能力，用于空间中特定位置的传感信息数据采集。

地面移动节点群由多个相同类型的地面移动节点组成，节点数量根据测试任务由用户确定。这些地面移动节点根据任务测试需求进行二维面内节点的位置部署，其扩展方向具有二维特性，可以在地面进行自动扩展。各地面移动节点均具备移动能力，用于地面特定位置的传感信息数据采集。

空中飞行节点群和地面移动节点群在三维空间底面内的投影重合，并通过无线多跳方式进行通讯，组成一个三维测试网络。

移动数据处理网关用于指令发送，收集和处理网络中节点的数据。控制终端用于人机交互控制网络，通过移动数据处理网关发送指令，由此控制整个网络。

空中飞行节点由传感器子系统、飞行控制子系统和通讯子系统组成。

地面移动节点由传感器子系统、移动控制子系统和通讯子系统组成。

测试时，空中飞行节点群和地面移动节点群进行协同工作，构成三维空间内的无线测试系统。移动式三维空间无线测试网络系统中的任何一个节点均可测试温度、压力、粉尘、有毒气体及辐射等传感器信息类型。

系统的工作过程如下：

步骤1：对各网络节点位置进行部署

对移动式三维空间无线测试网络系统进行初始化，经任务分配后，各节点按照任务需求进行三维空间位置部署，为网络组网和数据采集作好准备；

首先部署移动终端、移动数据处理网关和各地面移动节点，当地面移动节点部署完成之后，再部署空中飞行节点；

步骤2：网络自组织联网

当所有的网络节点完成部署后，所有节点均执行通讯协议程序，各节点间相互发送路由信息，自动组建成一个具有多跳属性的三维空间测试网络；

当任务或被测试对象发生改变时，按照步骤1所述方式进行阵形调整；

步骤3：控制终端发送测试指令到移动数据处理网关，移动数据处理网关分析指令后，再将指令无线传输给各空中飞行节点和地面移动节点的通讯子系统，各空中飞行节点和地面移动节点的通讯子系统接收指令后，对其进行解析并传递给节点中的控制子系统；传感器子系统根据测试指令进行数据采集，采集到测试数据后，将数据传递给通讯子系统，然后通讯子系统将数据打包，并发送给移动数据处理网关；

步骤4：移动数据处理网关将收集到的所有节点的采集数据，按规定的协议进行分析和处理并存储在移动数据处理网关中；

步骤5：移动数据处理网关将处理结果传送至控制终端。

有益效果

本发明的移动式三维空间无线网络测试系统，不仅能够应用于固定地点的测试外，而且能应用于移动三维空间动态测试的特点。该系统具备重配置能力，能够实现三维空间内对静止目标进行信息测试和对移动目标进行跟踪测试。本系统无需使用现有的基础无线通讯网络，而是采用自组织网络方式进行通讯，使用成本低，扩充性好，其应用具有较强的灵活性，具有很高的实用价值。

附图说明

图1为空中飞行节点的结构组成图；

图2为地面移动节点的结构组成图；

图3为本发明的系统部署流程图；

图4为网络节点位置部署实现方法流程图；

图5为本发明系统的工作流程图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合附图对本发明作进一步的详细描述。

首先，由于能量的限制导致节点工作的时长受到限制，应当先行部署移动数据处理网关和地面移动节点群。各地面移动节点根据任务测试需求进行部署，组成地面移动节点群。当地面移动节点群部署完毕之后，在其基础上部署空中飞行节点群，部署方式是：空中飞行节点群与地面移动节点群为底的三维空间内的投影重合，从而构成一个可移动的三维立体空间内的无线测试网络。

根据任务的需要，控制终端通过移动数据处理网关向各移动节点发送指令。用户可以通过加入空中飞行节点或地面移动节点来扩充测试网络的规模。

图1为一个空中飞行节点的内部组成，空中飞行节点由传感器子系统、飞行控制子系统和通讯子系组成。其中，传感器子系统用于测试传感信息；飞行控制子系统用于控制空中节点的运动，由此实现空中节点的位置可控；通讯子系统用于网络自组，使该节点与其它节点一同形成一个完整的网络。

其工作原理是：通讯子系统接收从移动数据处理网关发送过来的指令，解析后传递给控制子系统。传感器子系统根据测试指令进行数据采集，采集到测试数据后，将数据传递给通讯子系统，然后通讯子系统将数据打包，并发送给移动数据处理网关。每个空中飞行节点通过通讯子系统(具备多跳路由通讯能力)，能够同网络内的任何其它移动节点进行通讯。从而实现空中飞行节点的控制、通讯和数据采集。

图2为一个地面移动节点的组成图，地面移动节点由传感器子系统、移动控制子系统和通讯子系统。其中，传感器子系统、通讯子系统和空中飞行节点中的传感器子系统、通讯子系统相同。移动控制子系统负责控制地面移动节点在地面二维面内的移动部署。地面移动节点的工作原理与空中飞行节点的工作原理相同。

本系统的工作过程如图3所示，具体如下：

步骤1：对各网络节点位置进行部署。对移动式三维空间无线测试网络系统进行初始化，经任务分配后，各节点按照任务需求进行三维空间位置部署，为网络组网和数据采集作好准备。由于能量的限制导致节点工作的时长受到限制，应当先行部署移动终端、移动数据处理网关和各地面移动节点。当地面移动节点部署完成之后，再部署空中飞行节点。

步骤1是系统部署的关键步骤，对布置传感信息数据采集的测试点起到决定性作用，其具体过程如下：

步骤一、完成系统测试任务分配。

首先，由人机交互控制台制定测试任务的大小、类型及测试地点，并将制定好的测试任务发送给移动数据处理网关。之后，移动数据处理网关接收测试任务后，将任务分解并分配给各参与节点。最后，移动数据处理网关以无线通信的方式向各参与节点发布测试任务指令。

步骤二、规划出各节点的部署最优路径

各节点接收到测试任务后，先获取自身本地GPS信息(节点当前所处位置)，再根据目的地GPS信息(任务中要求到达的位置)进行路径规划。当节点行进过程中，遇到障碍物或其它节点时，节点进行避障处理。

步骤三、部署网络测试空间三维阵形

经步骤二之后，各节点均运动到测试地点。各节点以立体几何形状组合成立体单元基阵，然后，各立体单元基阵再构成三维空间测试阵。若任务发生变化或测试对象改变了地点，要求节点阵形作出调整时，则各节点将重新进行三维空间阵形部署，从而实现动态部署或跟踪测试。若任务发生变化或测试对象改变了地点，要求节点阵形作出调整时，则各节点将重新进行三维空间阵形部署，从而实现动态部署或跟踪测试。

步骤三的具体实现过程：

首先，进行立体单元基阵计算。根据节点部署密度的需求及通讯质量状况，确定立体单元基阵的类型、大小。然后，采用“吸引-排斥”原子模型，节点进行自由组合并得到立体单元基阵。

正多边形立方体的部署算法过程如下：

1)锚节点及基准直线的选择。

任选择节点群中的一个节点作为锚节点b_o，再选择一个距离锚节点最近的节点作为节点b₁，二者之间确定一条基准直线l₁，其余节点以锚节点和基准直线为部署基准在二维面内进行位置计算。

调整锚节点b_o和节点b₁的距离，确定多边形边长l₁。

2)其余节点的位置计算。

以边长l₁为基准直线，选择距离节点b₁最近的节点b₂。节点b₁和节点b₂的部署目标位置点的连线构成一条直线l₂，该直线与基准直线l₁之间的夹角为正多边形的内角θ，方向按逆时针向为正向进行节点部署。调整节点b₁和节点b₂之间的距离，得到正多边形第二边l₂。

再以同样的方法可确定正多边形立方体的其余顶点(即节点)、边l_n及边长。其中，

l₁＝l₂＝...＝l_n                (1)

3)确定正多边形立方体的高。

以锚节点b₁为起点以2)所述的多边形为底面，按“吸引-排斥”原子模型方法确定上底面的锚节点t₁和下底面锚节点b₁之间的距离h(即正多边形立方体的高度)。这里，

h＝l₁＝l₂＝...＝l_n            (2)

4)立方体单元基阵的部署。

在3)的基础上，按2)的方法进行上底面内的多边形顶点计算和部署，从而完成立方体单元基阵的部署。

5)完整三维空间测试阵的部署。

以4)所得到立方体单元基阵为部署单元，以“吸引-排斥”原子模型方法进行立方体单元基阵的拼结，最终完成整个三维空间测试阵的部署。

最后，当要进行节点密度的调整或有新节点加入时，空间阵按步骤三的方法重新进行部署。

当任务或被测试对象发生改变时，会要求由各节点组成的测试阵形也必须做出相应的阵形调整，例如当测试空间产生扩张或测试节点密度要求改变时，就要求有更多的节点加入到已有的网络中，此时，按照步骤1所述方式进行阵形调整。

步骤2：网络自组织联网。当所有的网络节点完成部署后，所有节点均执行通讯协议程序，各节点间相互发送路由信息，自动组建成一个具有多跳属性的三维空间测试网络。步骤2是数据传输的关键步骤。

当任务或被测试对象发生改变时，按照步骤1所述方式进行阵形调整；

步骤3：控制终端发送测试指令到移动数据处理网关，移动数据处理网关分析指令后，再将指令无线传输给各空中飞行节点和地面移动节点的通讯子系统，各空中飞行节点和地面移动节点的通讯子系统接收指令后，对其进行解析并传递给节点中的控制子系统；传感器子系统根据测试指令进行数据采集，采集到测试数据后，将数据传递给通讯子系统，然后通讯子系统将数据打包，并发送给移动数据处理网关；

步骤4：移动数据处理网关将收集到的所有节点的采集数据，按规定的协议进行分析和处理并存储在移动数据处理网关中；

步骤5：移动数据处理网关将处理结果传送至控制终端。

Claims (1)

1.一种移动式三维空间无线测试网络系统，其特征在于该系统包括：空中飞行节点群、地面移动节点群、移动数据处理网关和控制终端；

空中飞行节点群由多个相同类型的空中飞行节点组成，节点数量根据测试任务由用户确定；空中飞行节点由传感器子系统、飞行控制子系统和通讯子系统组成，并且所述空中飞行节点均具备空中移动和悬停能力，用于空间中特定位置的传感信息数据采集；

地面移动节点群由多个相同类型的地面移动节点组成，节点数量根据测试任务由用户确定；地面移动节点由传感器子系统、移动控制子系统和通讯子系统组成；

移动数据处理网关用于指令发送、收集和处理网络中节点的数据；

控制终端用于人机交互控制网络，并通过移动数据处理网关发送指令；

所述移动式三维空间无线测试网络系统的工作过程如下：

步骤1：对各网络节点位置进行部署

对所述移动式三维空间无线测试网络系统进行初始化，任务分配后，各节点按照任务需求进行三维空间位置部署，为网络组网和数据采集作好准备；

其中进行节点位置部署时，首先部署控制终端、移动数据处理网关和地面移动节点群，当地面移动节点群部署完成之后，再部署空中飞行节点群；

其中，空中飞行节点群和地面移动节点群在三维空间底面内的投影重合，并通过无线多跳方式进行通讯；

步骤2：网络自组织联网

当所有的网络节点完成部署后，所有节点均执行通讯协议程序，各节点间相互发送路由信息，自动组建成一个具有多跳属性的三维空间测试网络；

其中，当任务或被测试对象发生改变时，按照步骤1所述方式进行阵形调整；

步骤3：控制终端发送测试指令到移动数据处理网关，移动数据处理网关分析指令后，再将指令无线传输给各空中飞行节点和地面移动节点的通讯子系统，各空中飞行节点和地面移动节点的通讯子系统接收指令后，对其进行解析并传递给各节点中的控制子系统；传感器子系统根据测试指令进行数据采集，采集到测试数据后，将该测试数据传递给通讯子系统，然后通讯子系统将所接收到的测试数据打包，并发送给移动数据处理网关；其中在进行测试时，空中飞行节点群和地面移动节点群是协同工作的；

步骤4：移动数据处理网关将收集到的所有节点的采集数据，按规定的协议进行分析和处理并存储在移动数据处理网关中；

步骤5：移动数据处理网关将处理结果传送至控制终端。

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