CN105228166A - 有向移动传感器网络三维空间路径自主部署方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种有向移动传感器网络三维空间路径自主部署方法，该方法首次提出了适用于有向移动传感器网络三维空间的自主覆盖部署，通过构建节点之间、节点与目标路径之间、节点与目标方向之间的虚拟作用力，将有向移动传感器网络节点的协同自主部署过程转化为节点在虚拟力场中受虚拟力作用而自主移动、自主转动的过程。本发明解决了现有技术中有向移动传感器网络无法在三维空间进行路径覆盖部署的问题。

Description

有向移动传感器网络三维空间路径自主部署方法

技术领域

本发明涉及无线传感器网络技术领域，尤其涉及一种三维环境下有向传感器网络路径覆盖的实现方法，具体来说就是一种有向传感器网络三维空间路径自主部署方法。

背景技术

近年来，无线传感器网络由于其高度的学科交叉性和广泛的应用前景受到世界各地学术界和工业界的高度关注，已成为当前IT领域新兴的前沿热点。根据采用的传感器节点类型，无线传感器网络可分为很多种，例如，若节点带有摄像装置，具有视频采集功能，则称之为视频传感器网络；若带有移动装置，则称为移动传感器网络；若组成网络的传感器节点的感知范围与方向相关，则称为有向传感器网络。在目标监测问题上，有向传感器在覆盖侧重和能耗使用方面，与传统的全向传感器相比更加具有优势。从实际应用的角度来看，目前常见的传感器类型，如图像、红外、声波等均具有方向性，由此可见有向传感器网络更加接近实用。

有向传感器网络节点加装了自主移动装置，就构成了有向移动传感器网络，例如用于军事、农业、灾难救援中的空中视频传感器网络，其节点是一架带有摄像头的微小型飞行器，由于能够组网协同飞行，从而能够根据实际环境，更及时准确地获取目标区域的信息。

针对各类无线传感器网络，节点的部署和覆盖控制问题一直是研究的热点问题。常用的节点部署方法主要分为随机部署、人工部署和自主部署三类。在随机部署方式中，节点被一次性随机抛撒在监测区域内；在人工部署方式中，需要人工手动布设每一个节点；自主部署是指初始时节点被随机布撒，但由于节点自身带有移动装置能够自主移动，会按着一定的部署策略通过自主移动完成部署。

对于自主部署而言，由于节点的资源受限，通信范围和感知范围都十分有限，因此，自主部署算法的好坏会对监测区域覆盖产生重要影响。良好的自主部署算法应当尽可能避免重叠覆盖、尽可能减少覆盖漏洞，部署过程中尽可能避免节点之间的相互干扰(如碰撞)。

研究表明，现有的自主部署算法主要是针对特定目标区域进行区域覆盖，且主要集中在二维平面部署，如何实现有向移动传感器网络对三维空间特定路径的覆盖部署，是本领域技术人员亟待解决的技术问题。

发明内容

有鉴于此，本发明解决的技术问题在于提供一种有向传感器网络三维空间路径自主部署方法，解决了现有技术中有向移动传感器网络无法在三维空间进行路径覆盖部署的问题。

为了解决上述技术问题，本发明的具体实施方式中提供一种有向移动传感器网络三维空间路径自主部署方法，包括：S1：当前节点获得需要部署到的目标路径的位置信息，以及当前节点的有向传感器需要指向的目标点的位置信息；S2：计算当前节点与邻居节点之间的邻居虚拟力；S3：计算当前节点与目标路径之间的目标路径虚拟引力；S4：计算当前节点所受到的邻居虚拟力和目标路径虚拟引力的合力；S5：当前节点沿合力方向移动一个单位步长；S6：计算当前节点的有向传感器方向与目标方向之间的角度偏差；S7：调整当前节点的有向传感器的方向，使当前节点的有向传感器方向指向目标方向，返回步骤S2继续执行，直到当前节点部署到目标路径上。

由以上本发明具体实施方式提供的技术方案可知，有向传感器网络三维空间路径自主部署方法至少具有以下优点或特点：实现了有向移动传感器网络对三维空间特定路径的覆盖部署，且可以很好地避免在三维空间覆盖部署中出现重叠覆盖或者覆盖漏洞的问题。

应了解的是，上述一般描述及以下具体实施方式仅为示例性及阐释性的，其并不能限制本发明所欲主张的范围。

附图说明

下面的所附附图是本发明的说明书的一部分，其绘示了本发明的示例实施例，所附附图与说明书的描述一起用来说明本发明的原理。

图1是本发明具体方式提供的有向移动传感器网络节点感知模型示意图。

图2是本发明具体方式提供的有向移动传感器网络三维空间路径自主部署方法的流程图。

图3是本发明具体方式提供的有向移动传感器网络节点之间根据距离的远近存在虚拟力的示意图。

图4是本发明具体方式提供的有向移动传感器网络节点与其在目标路径上的投影点关系的示意图。

图5是本发明具体方式提供的有向移动传感器网络节点的投影点计算原理示意图。

图6是本发明具体方式提供的有向移动传感器网络节点与目标点之间角度关系示意图。

图7是本发明具体方式提供的有向移动传感器网络部署实例的初始化状态示意图。

图8是本发明具体方式提供的有向移动传感器网络部署实例在部署过程中某一时刻状态示意图。

图9本发明具体方式提供的有向移动传感器网络部署实例的最终部署状态示意图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面将以附图及详细叙述清楚说明本发明所揭示内容的精神，任何所属技术领域技术人员在了解本发明内容的实施例后，当可由本发明内容所教示的技术，加以改变及修饰，其并不脱离本发明内容的精神与范围。

本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，但并不作为对本发明的限定。另外，在附图及实施方式中所使用相同或类似标号的元件/构件是用来代表相同或类似部分。

关于本文中所使用的“第一”、“第二”、…等，并非特别指称次序或顺位的意思，也非用以限定本发明，其仅为了区别以相同技术用语描述的元件或操作。

关于本文中所使用的方向用语，例如：上、下、左、右、前或后等，仅是参考附图的方向。因此，使用的方向用语是用来说明并非用来限制本创作。

关于本文中所使用的“包含”、“包括”、“具有”、“含有”等等，均为开放性的用语，即意指包含但不限于。

关于本文中所使用的“及/或”，包括所述事物的任一或全部组合。

某些用以描述本申请的用词将于下或在此说明书的别处讨论，以提供本领域技术人员在有关本申请的描述上额外的引导。

以下结合附图对本发明作进一步说明。

所述有向移动传感器网络的节点的感知范围表示为一个圆锥体，节点位于圆锥体锥顶，感知范围可以在空间平动，也可以以锥顶为中心进行旋转，节点感知模型可以用一个八元组<P,θ,C,R_引,R_斥,L,T,S>表示，如图1所示，图1是本发明具体方式提供的有向移动传感器网络节点感知模型示意图。其中，P表示三维空间中的有向移动传感器网络节点P的位置坐标；θ表示节点P的有向传感器的感知角度；R_引表示节点P最大通信距离，也是节点间产生虚拟引力的最大距离；R_斥表示节点间产生虚拟斥力的最大距离；C表示节点P的感知范围的外接球的球心坐标；L表示目标路径，是移动有向传感器网络节点的最终部署位置；T表示目标点坐标，指示节点的方向传感器最终指向的方向；S表示节点P的邻居节点集合，邻居节点是指与节点P之间的距离小于等于最大通信距离R_引的节点。设外接球半径为R_外，R_外的计算公式如公式(1)所示：

其中，R_斥表示产生虚拟斥力的最大距离，R_斥小于等于R_引且大于等于R_外。L表示目标路径，是移动有向传感器网络节点的最终部署位置；T表示目标点坐标，指示节点的方向传感器最终指向的方向；S表示节点P的邻居节点集合，邻居节点是指与节点P之间的距离小于等于最大通信距离R_引的节点。

本发明所述方法具体包括以下执行步骤，如图2所示，图2是本发明具体方式提供的有向移动传感器网络三维空间路径自主部署方法的流程图。有向移动传感器网络中的每个节点在部署过程中各自独立执行以下步骤：

S1：初始化：节点获得需要部署到的目标路径的位置信息，以及节点的有向传感器需要指向的目标点的位置信息，其中，目标路径为预先设定的路径，目标点为预先设定的点；

S2：与邻居节点之间的邻居虚拟力的计算：为了防止节点在移动过程中发生相互碰撞或离散，所有节点间存在虚拟引力或斥力，引力使节点群相对聚拢不会离散而出现覆盖漏洞，斥力使节点群在自主移动过程中不会发生碰撞；节点获取邻居节点的位置信息，计算所有邻居节点对其产生的虚拟引力和斥力的合力；

S3：与目标路径之间的目标路径虚拟力的计算：节点计算自身在目标路径上的投影点，将该投影点设定为能够产生虚拟引力作用的“引力点”，计算该投影点对节点产生的虚拟引力，该虚拟引力即表示当前目标路径对节点的引力；投影点将随着节点在三维空间中的位置移动而不断改变，当节点到达预定目标路径后，投影点的目标路径虚拟引力为零；

S4：计算所受邻居节点的邻居虚拟力和目标路径的目标路径虚拟引力的合力；

S5：节点沿合力方向移动一个单位步长；

S6：节点方向与目标方向的角度偏差的计算：计算节点的有向传感器方向与目标方向之间的角度偏差；

S7：调整节点的有向传感器的方向，使有向传感器方向指向目标方向，返回步骤S2继续执行，直到所有节点部署到目标路径上。

所述步骤S2用于计算节点与邻居节点之间的虚拟力。节点之间根据距离的远近存在虚拟引力或者虚拟斥力或者没有虚拟作用力，如图3所示，图3是本发明具体方式提供的有向移动传感器网络节点之间根据距离的远近存在虚拟力的示意图。该步骤S2可以进一步细化包含如下处理步骤：

S21：设当前节点为P_n，当前节点P_n获得所有邻居节点集合S＝{P₁,P₂,…}，计算当前节点P_n对应的外接球球心C_n，以及每个邻居节点对应的外接球的球心集合C＝{C₁,C₂,…}；

S22：计算当前节点P_n的外接球球心C_n与每一邻居节点P_m∈S的外接球的球心C_m之间的距离D_(Cn,Cm)如公式(2)所示：

$D_{(Cn,Cm)}=\sqrt{{(x_{Cm}-x_{Cn})}^2+{(y_{Cm}-y_{Cn})}^2+{(z_{Cm}-z_{Cn})}^2}---\left(2\right)$

S23：计算当前节点P_n的每个邻居节点P_m∈S对当前节点P_n的单邻居虚拟力其中单邻居虚拟力的计算公式如公式(3)所示：

其中，k_斥和λ_斥为斥力系数，k_引和λ_引为引力系数。为单位向量，表示由当前节点P_n的外接球球心C_n指向邻居节点P_m∈S的外接球球心C_m的引力方向，单邻居虚拟力为该邻居节点对当前节点产生的虚拟引力和虚拟斥力的合力，具体来说，在公式(3)方程组中，第一个方程表示单邻居虚拟力为虚拟斥力的情形，第二个方程表示单邻居虚拟力为虚拟引力的情形，第三个方程表示单邻居虚拟力为0的情形。

S24：根据所有单邻居虚拟力计算当前节点P_n的所有邻居节点对当前节点P_n产生的邻居虚拟力邻居虚拟力的计算如公式(4)所示：

其中，邻居虚拟力表示当前节点的所有邻居节点对当前节点产生的虚拟引力和斥力的合力。

所述步骤S3用于计算目标路径对当前节点P_n的虚拟引力，步骤S3可进一步细化包含如下处理步骤：

S31：计算当前节点P_n在目标路径L上的投影点(即节点投影到目标路径上的垂足点)P′_n，如图4所示，图4是本发明具体方式提供的有向移动传感器网络节点与其在目标路径上的投影点关系的示意图；

S32：计算投影点P′_n对当前节点P_n的目标路径虚拟引力，其中目标路径虚拟引力的计算如公式(5)所示：

所述步骤S31进一步细化包含如下处理步骤，如图5所示，图5是本发明具体方式提供的有向移动传感器网络节点的投影点P′_n计算原理示意图：

S311：将目标路径离散为均匀分布的N个点n₀，n₁，n₂，n₃…；

S312：计算每个点与投影点P_n的距离；

S313：选取具有最短距离的点作为投影点P′_n；

所述步骤S6用于计算节点的转动角度，步骤S6进一步细化包含如下处理步骤：

S61：设由当前节点P_n指向其外接球球心C_n的单位向量为设由当前节点P_n指向目标点T的单位向量为与的夹角为α，如图6所示，图6是本发明具体方式提供的有向移动传感器网络节点与目标点之间角度关系示意图。夹角α计算如公式(6)所示：

$\mathrm{\&alpha;}=arccos\left(\frac{\stackrel{\&RightArrow;}{v}\&CenterDot;\stackrel{\&RightArrow;}{t}}{\left|\stackrel{\&RightArrow;}{v}\right|\left|\stackrel{\&RightArrow;}{t}\right|}\right)---\left(6\right)$

S62：若α≤π，节点转动方向为顺时针，旋转角度为α，否则为逆时针旋转2π-α。

图7是本发明具体方式提供的有向移动传感器网络部署实例的初始化状态示意图；图8是本发明具体方式提供的有向移动传感器网络部署实例在部署过程中某一时刻状态示意图；图9本发明具体方式提供的有向移动传感器网络部署实例的最终部署状态示意图。如图7所示，图7是有向移动传感器网络的初始状态，节点数为300个，节点随机分布在三维空间区域中，目标路径为一段螺旋曲线，目标点位于螺旋曲线段的内侧中央。如图8所示是有向移动传感器网络节点自主部署过程中某一时刻状态，节点正在向目标路径上部署。如图9所示是有向移动传感器网络最终部署状态，有向移动传感器网络节点全部部署到目标路径上，且方向指向目标点，如图所示，目标点位于螺旋曲线段的内侧中央。

本发明提供一种有向传感器网络三维空间路径自主部署方法，该方法通过构建节点之间、节点与目标路径之间、节点与目标方向之间的虚拟作用力，将有向移动传感器网络协同自主部署过程转化为节点在虚拟力场中受虚拟力作用而自主移动、自主转动的过程，实现了有向移动传感器网络对三维空间特定路径的覆盖部署，且可以很好地避免在三维空间覆盖部署过程中出现空间重叠覆盖或者覆盖漏洞的问题。

上述的本发明实施例可在各种硬件、软件编码或两者组合中进行实施。例如，本发明的实施例也可为在数据信号处理器(DigitalSignalProcessor，DSP)中执行的执行上述程序的程序代码。本发明也可涉及计算机处理器、数字信号处理器、微处理器或现场可编程门阵列(FieldProgrammableGateArray，FPGA)执行的多种功能。可根据本发明配置上述处理器执行特定任务，其通过执行定义了本发明揭示的特定方法的机器可读软件代码或固件代码来完成。可将软件代码或固件代码发展为不同的程序语言与不同的格式或形式。也可为了不同的目标平台编译软件代码。然而，根据本发明执行任务的软件代码与其他类型配置代码的不同代码样式、类型与语言不脱离本发明的精神与范围。

以上所述仅为本发明示意性的具体实施方式，在不脱离本发明的构思和原则的前提下，任何本领域的技术人员所做出的等同变化与修改，均应属于本发明保护的范围。

Claims (10)

1.有向移动传感器网络三维空间路径自主部署方法，其特征在于，所述方法包括：

S1：当前节点获得需要部署到的目标路径的位置信息，以及当前节点的有向传感器需要指向的目标点的位置信息；

S2：计算当前节点与邻居节点之间的邻居虚拟力；

S3：计算当前节点与目标路径之间的目标路径虚拟引力；

S4：计算当前节点所受到的邻居虚拟力和目标路径虚拟引力的合力；

S5：当前节点沿合力方向移动一个单位步长；

S6：计算当前节点的有向传感器方向与目标方向之间的角度偏差；

S7：调整当前节点的有向传感器的方向，使当前节点的有向传感器方向指向目标方向，返回步骤S2继续执行，直到所有节点部署到目标路径上。

2.如权利要求1所述的有向移动传感器网络三维空间路径自主部署方法，其特征在于：所述有向移动传感器网络由带有自主移动装置和有向传感器的节点组成，节点的感知范围是一个圆锥体，节点位于圆锥体的锥顶，感知范围能平动或转动，转动是以锥顶为中心进行旋转。

3.如权利要求2所述的有向移动传感器网络三维空间路径自主部署方法，其特征在于：所述有向移动传感器网络的节点P的感知模型用一个八元组<P,θ,C,R_引,R_斥,L,T,S>表示，其中，P表示三维空间中的节点P的位置坐标；θ表示节点P的有向传感器的感知角度；R_引表示节点P的最大通信距离，也是节点间产生虚拟引力的最大距离；C表示节点P的感知范围的外接球的球心坐标，外接球半径为R_外，R_外计算公式如公式(1)所示：

R_斥表示节点间产生虚拟斥力的最大距离，R_斥小于等于R_引且大于等于R_外；L表示目标路径，是节点P的最终部署位置；T表示目标点坐标，指示节点P的方向传感器最终指向的方向；S表示节点P的邻居节点集合，邻居节点是指与节点P之间的距离小于等于最大通信距离R_引的节点。

4.如权利要求3所述的有向移动传感器网络三维空间路径自主部署方法，其特征在于，所述步骤S2进一步包括：

S21：设当前节点为P_n，当前节点P_n获得所有邻居节点集合S＝{P₁,P₂,…}，计算当前节点P_n对应的外接球球心C_n，以及每个邻居节点P_m∈S对应的外接球的球心集合C＝{C₁,C₂,…}；

S22：计算当前节点P_n的外接球球心C_n与每个邻居节点P_m∈S的外接球的球心C_m之间的距离如公式(2)所示：

$D_{(Cn,Cm)}=\sqrt{{(x_{Cm}-x_{Cn})}^2+{(y_{Cm}-y_{Cn})}^2+{(z_{Cm}-z_{Cn})}^2}---\left(2\right)$

S23：分别计算当前节点P_n的每个邻居节点P_m∈S对当前节点P_n的单邻居虚拟力，其中单邻居虚拟力计算公式如公式(3)所示：

其中，k_斥和λ_斥为斥力系数，k_引和λ_引为引力系数，为单位向量，表示由当前节点P_n的外接球球心C_n指向邻居节点P_m∈S的外接球球心C_m的引力方向；

S24：根据所有单邻居虚拟力计算当前节点P_n的所有邻居节点对当前节点P_n产生的邻居虚拟力邻居虚拟力的计算如公式(4)所示：

5.如权利要求1所述的有向移动传感器网络三维空间路径自主部署方法，其特征在于，所述步骤S3进一步包括：

S31：计算当前节点P_n在目标路径L上的投影点P′_n；

S32：计算投影点P′_n对当前节点P_n的目标路径虚拟引力，其中，目标路径虚拟引力的计算如公式(5)所示：

6.如权利要求5所述的有向移动传感器网络三维空间路径自主部署方法，其特征在于，所述步骤S31进一步包括：

S311：将目标路径离散为均匀分布的N个点n₀，n₁，n₂，n₃…；

S312：计算每个点与当前节点P_n的距离；

S313：选取具有最短距离的点作为投影点P′_n。

7.如权利要求1所述的有向移动传感器网络三维空间路径自主部署方法，其特征在于，所述步骤S6进一步包括：

S61：由当前节点P_n指向其外接球球心C_n的单位向量为由当前节点P_n指向目标点T的单位向量为与之间的夹角为α，夹角α的计算如公式(6)所示：

$\mathrm{\&alpha;}=arccos\left(\frac{\stackrel{\&RightArrow;}{v}\&CenterDot;\stackrel{\&RightArrow;}{t}}{\left|\stackrel{\&RightArrow;}{v}\right|\left|\stackrel{\&RightArrow;}{t}\right|}\right)---\left(6\right)$

S62：若α≤π，节点转动方向为顺时针，旋转角度为α，否则为逆时针旋转2π-α。

8.如权利要求1所述的有向移动传感器网络三维空间路径自主部署方法，其特征在于，所述邻居虚拟力为所有邻居节点对当前节点产生的虚拟引力和虚拟斥力的合力。

9.如权利要求1所述的有向移动传感器网络三维空间路径自主部署方法，其特征在于，所述投影点为当前节点投影到目标路径上的垂足点。

10.如权利要求1所述的有向移动传感器网络三维空间路径自主部署方法，其特征在于，当前节点部署到目标路径上后，目标路径虚拟引力的大小为0。