CN105635974A

CN105635974A - 一种基于方向决策的动态路径节点定位方法

Info

Publication number: CN105635974A
Application number: CN201610152699.2A
Authority: CN
Inventors: 张嫣艳; 张玲华
Original assignee: Nanjing Post and Telecommunication University
Current assignee: Nanjing Post and Telecommunication University; Nanjing University of Posts and Telecommunications
Priority date: 2016-03-17
Filing date: 2016-03-17
Publication date: 2016-06-01

Abstract

本发明公开了一种基于方向决策的动态路径节点定位方法，该方法采用定向天线，辨别通信中传感器节点的方位，然后运用一种方向决策方案决定移动锚节点下一步移动的方向，移动的角度遵循等边三角形最优原理。锚节点每运行一步广播一次其坐标信息，未知节点在接收到四个锚节点数据包后，运用基于权重选择的三边定位算法进行自我定位。在锚节点遍历过正常路径后，运用网格递增式优化算法进行进一步定位优化。本发明应于传感器节点分布不均但是连续的U型或Z型无线传感器网络节点的定位，其定位精度较高，路径规划非常灵活。

Description

一种基于方向决策的动态路径节点定位方法

技术领域

本发明涉及一种基于方向决策的动态路径节点定位方法，属于无线传感器定位技术领域。

背景技术

嵌入式、微机电系统(MEMS)等科技的研究与进步，使得采用配备低功耗处理器、适量的内存器、无线信号收发器等设备的节点建立一个自组织的无线传感器网络(WirelessSensorNetworks,WSNs)成为现实。无线传感器网络一般被部署在人烟稀少、范围广阔的区域。其典型的部署方式是通过如飞机的飞行器，将大量传感器节点抛撒在监测区域。无线传感器网络是一个多功能自治感知网络，具有信息感知、通信、信息处理等功能。

作为物理世界和数字世界之间沟通的桥梁，WSNs被广泛地应用在各个领域以处理信息感知的问题，包括：军事、工业、建筑、医疗、航海等，特别在自然灾害监测、预警、救援以及其他紧急情况中充当着不可或缺的角色。例如，当传感器节点被布置在不同深度的海底时，它们可以收集不同位置海水中的温度、压力及其他数据，从而可以观测冰川的活动。当传感器节点被布置在鸟巢中，它们可以收集特定鸟类的生活习性。在上述介绍的应用中，所有有用的信息都建立在传感器节点精确定位的前提下。因此，在WSNs中节点的定位技术是最基本和最核心的技术之一，有效的定位技术和最优化的定位方法值得被深入研究。

如今运用在各个领域的定位技术为：全球定位系统GPS(GlobalPositioningSystem)，其技术已比较成熟，具有定位精度高、实时性好等特点。但是WSNs中，传感器节点具有规模大、成本低、体积小、能量有限和随机部署等特点，这些特点使得在每一个传感器节点上都配备一个GPS设备不具可行性。因此，设计出具有节能性、健壮性、自组织性的WSNs节点定位技术已成为众多学者研究的热点。

目前，学术界已经提出了很多节点定位算法。其中，基于移动锚节点的定位技术可以融合测距和非测距技术的优势，所以越来越受到大家的关注。

目前基于移动锚节点的定位技术主要分为两类：一类是将未知节点的定位问题转化为几何问题，采用未知节点与锚节点之间的几何关系，计算未知节点的坐标。另一类则采用路径规划，即移动锚节点沿着特定轨迹运行，并定期发送数据包，未知节点根据收到的数据包进行自我定位。

在未知节点分布均匀的区域中，采用静态锚节点路径规划方法比较合适，静态路径规划方法对待定位区域有比较全面的覆盖，定位精度也比较高。但在传感器节点分布不均但是连续的U型网络或Z型网络定位区域中，静态的路径规划算法不够灵活，大量的时间和能源都浪费在没有传感器节点的区域而节点分布较密的区域虚拟锚节点信息则相对较少的问题，所以静态路径规划的方法不合适。而现有的动态路径规划方法中，锚节点运行轨迹比较平滑，会存在较大的共线问题，所以如何实现最优化的路径是基于移动锚节点定位技术需要解决的问题。而本发明能够很好地解决上面的问题。

发明内容

本发明目的在于针对上述现有技术的不足，提出了一种基于方向决策的动态路径节点定位方法(简称DPOD)，该方法的锚节点移动方向遵循60°的倍数变化，能够解决锚节点共线问题。

本发明解决其技术问题所采取的技术方案是：一种基于方向决策的动态路径节点定位方法，该方法锚节点采用定向天线辨别通信中传感器节点的方位，然后运用一种方向决策方案决定移动锚节点下一步移动的方向，移动的角度遵循等边三角形最优原理。锚节点每运行一步广播一次其坐标信息，未知节点在接收到四个锚节点数据包后，运用基于权重选择的三边定位算法进行自我定位。在锚节点遍历过正常路径后，运用网格递增式优化算法进行进一步定位优化。

方法流程：

步骤1：锚节点广播自身位置的数据包；

步骤2：锚节点接收通信范围内未定位节点反馈数据包，并采用定向天线辨别未定位传感器节点所处区域，遵循等边三角形最优原理，采用六个固定方向选择的方向决策方案决定下一步移动的方向；

步骤3：锚节点每运行一步广播自身坐标信息，步长为节点通信半径的长度；

步骤4：未知节点接收锚节点数据包；

步骤5：未知节点在接收到四个锚节点数据包后，运用基于权重选择的三边定位算法进行自我定位，并向锚节点发送反馈数据包；

步骤6：已定位成功的节点将自身坐标发送给后台；

步骤7：锚节点在运行过程中，若通信半径内接收不到未知节点信息，则利用功率控制器增大发射功率，先增大为通信半径的两倍，若还是无法接收到未知节点信息，则增大为通信半径的三倍，若还是无法接收到未知节点信息，则锚节点随机运行直到接收到未知节点为止，期间不广播自身定位信息；

步骤8：锚节点遍历所有路径后，后台决策静态信标点；

步骤9：选作静态信标的节点广播自身位置，其他仍未定位的节点再次接收信息并定位；

步骤10：定位成功的节点开始信息采集工作。

进一步的，本发明所述方法中锚节点的动态路径规划，包括如下步骤：

第一步：方向决策

采用定向天线和功率调节器，按照特定的方向决策方案决定下一时刻的移动方向，移动方向遵守等边三角形最优原理；

第二步：移动步长选取

移动步长选取未知节点通信半径的长度。

进一步的，本发明传感器节点的信息采集和存储机制，包括如下步骤：

第一步：锚节点广播数据包；

第二步：未知节点接收数据包；

第三步：未知节点反馈信息；

第四步：锚节点存储未知节点数据。

进一步的，本发明所述传感器节点的自定位方法，包括如下步骤：

第一步：未知节点基于权重选择的三边测量方法进行自我定位；

第二步：未知节点采用网格递增式优化算法进行定位优化。

有益效果：

1、本发明锚节点移动方向是遵循60°的倍数变化，很好地解决了锚节点共线问题。

2、相较于静态的路径规划网络，本发明减少了总的移动长度，降低了能耗。

3、本发明锚节点不会在没有未知节点的空白区域运行和广播自身信息，能够在有未知节点的地方广播更多的信息，使得有未知节点的区域的锚节点密度增大而提高定位精度。

附图说明

图1为本发明中锚节点定向天线分配图。

图2为本发明中锚节点运行方向图。

图3为本发明中权重三边测量算法图。

图4为本发明中权重计算示意图。

图5为本发明中网格递增式定位优化原理图。

图6为本发明中U型网络动态路径仿真图。

图7为本发明中Z型网络动态路径仿真图。

图8为本发明中锚节点工作流程图。

图9为本发明的方法流程图。

具体实施方式

下面结合说明书附图对本发明创造作进一步的详细说明。

本发明提供了一种基于方向决策的动态路径节点定位方法，该方法包括如下步骤：

步骤1：锚节点广播自身位置的数据包；

步骤4：未知节点接收锚节点数据包；

步骤6：已定位成功的节点将自身坐标发送给后台；

步骤8：锚节点遍历所有路径后，后台决策静态信标点；

步骤10：定位成功的节点开始信息采集工作。

如图1所示，锚节点配备三个定向天线，每个定向天线所能辐射的角度为120°，分别定向辐射如图1中的三个区域。

如图2所示，当锚节点在时刻t时，其三个定向天线接收到的未知节点响应数中，假设区域1中的锚节点数在三个区域中最多，则区域1对锚节点产生一个向其区域正中的虚拟力，如图2中所示的D₁方向；假设区域1和区域2中所接收到的未知节点响应数相同，都大于区域3中的未知节点响应数时，区域1和区域2都对锚节点产生一个向其区域正中的虚拟力，如图2中的D₁和D₃，这时，收到这两个方向的牵引力，锚节点会向它们之间的合力方向：D₂方向运动。其他情况以此类推。

当锚节点运行到传感器网络的空洞区域时，即所处位置的通信半径内不在有未定位的传感器节点，但是远处还有未定位节点时，则锚节点采用功率控制器，调节自身的发射功率，使得其通信半径调节为2R；若仍探测不到未知节点，则再次调节其发射功率，使得其通信半径为3R。若仍无法判断，则锚节点恢复正常功率，通信半径保持为R，然后进行随机运动，直到遇到未知节点，则重新恢复规划路径。由于路径衰落、多径效应等影响，当锚节点和未知节点的距离较远时，其对距离的预测会出现比较大的误差，所以，在本方法中，只在锚节点的通信半径为R的情况下给未知节点发送锚节点定位信息包。

本发明锚节点发送的信息包如表1所示：

表1锚节点信息广播数据包

BID

Signal

PosX

PosY

P_t

若处于锚节点通信范围内的未知节点在收到锚节点信息后，会将其存储在自身的存储表格中。如表2所示：

表2未知节点接收存储表

表2中N_i表示未知节点的序列号，未知节点会预留四条存储空间分别给四个不同的锚节点数据包。其中，X_received表示接收到的锚节点经度，Y_received表示接收到的锚节点纬度，P_t表示锚节点的发射功率，P_r表示未知节点的接收功率。

每当未知节点收到锚节点信息时，首先判断接收的锚节点数据包中的Signal参数值，当Signal＝1时，则丢弃该数据包，反之，当未知节点四条存储空间有任一条空白时，就将其逐条填入。

每当还未定位成功的传感器节点接收到锚节点信息包时，不管是否将其丢弃，都必须向锚节点反馈一条数据包。如表3所示，该数据包中只需包含未定位节点的序列号，和Hello信息以示打招呼。

表3未知节点信息反馈包

N_i

Hello

锚节点在广播完定位数据包之后，就开始采用定向天线接收未定位节点反馈包，如表4所示，每接收到一个未知节点反馈包，则首先判断其在哪个区域，若在区域1，则Num₁的数值自增1，同理可推区域2和区域3。在接收完所有未知节点的反馈包之后，锚节点比较Num₁、Num₂、Num₃的数值大小，并判断其下一步的移动方向。

表4锚节点方向判断存储表

BID

Num₁

Num₂

Num₃

D_n

当Num₁最大时，则向D₁方向移动；

当Num₂最大时，则向D₃方向移动；

当Num₃最大时，则向D₅方向移动；

当Num₁＝Num₂最大时，则向D₂方向移动；

当Num₂＝Num₃最大时，则向D₄方向移动；

当Num₃＝Num₁最大时，则向D₆方向移动；

当Num₁＝Num₂＝Num₃时，则沿用上一时刻的移动方向。

当未知节点存储表中四条信息都填满时，则未知节点即可通过这四条信息进行基于权重选择的三边测量计算出自身的定位信息，并将其存储起来。然后不再接收锚节点信息，也不再响应锚节点信息。若未知节点存储表中有三条信息，不再接收到第四条信息时，则未知节点采用这三条信息进行三遍测量计算自身的定位信息。

如图3，在基于权重选择改进的三边测量算法中，未知节点在至少收到4个锚节点信息，考虑到算法的可行性和复杂度，算法限制未知节点的锚节点信息为4个。如图3中所示，未知节点接收到A、B、C、D四个锚节点信息，则锚节点可自行构成4个不同的三角形，分别是ΔABC、ΔABD、ΔACD、ΔBCD。它们分别采用三边测量，计算出各自估计的未知节点位置，这四个估计的未知节点位置各自权重不一，然后根据不同的权重，运用加权的质心算法，计算出未知节点的位置。所以，如何进行权重的判定，是这个算法的核心。

本发明算法的具体步骤如下：

(1)获取权重多边形的四个顶点坐标

未知节点在接收到四个锚节点信息后，对其任意排列组合形成四个三角形，如图3中所示。在任一三角形中，这里选取ΔABC作示例，已知ΔABC的三个顶点的坐标信息，通过RSSI算法计算出未知节点到三个顶点的距离。然后采用传统的三边测量方法，求出采用ΔABC所求出的未知节点位置I₁；同理，求出采用ΔABD、ΔACD、ΔBCD所求出的未知节点位置I₂、I₃、I₄。综上，权重多边形的四个顶点坐标I₁(x₁,y₁)、I₂(x₂,y₂)、I₃(x₃,y₃)、I₄(x₄,y₄)可求得。

(2)进行权重判断

以ΔABC为示例，为了降低算法的复杂度，选取最小角的正切值tanα作为三角形的权重值，权重函数如下：

W(α)＝tanα,(0≤α≤π/3)

假设ΔABC的三个顶点坐标分别为(x_A,y_A)、(x_B,y_B)、(x_C,y_C)，三个角对边的斜率分别为K₁、K₂、K₃，如图4所示。根据数学原理可以计算出K₁、K₂、K₃：

\{\begin{matrix} K_{1} = (y_{C} - y_{B}) (x_{C} - x_{B}) \\ K_{2} = (y_{C} - y_{A}) (x_{C} - x_{A}) \\ K_{3} = (y_{A} - y_{B}) (x_{A} - x_{B}) \end{matrix}

ΔABC三个角的正切值tanA、tanB、tanC可以用K₁、K₂、K₃计算得出：

\{\begin{matrix} \tan A = (K_{2} - K_{3}) / (1 + K_{2} K_{3}) \\ \tan B = (K_{1} - K_{3}) / (1 + K_{1} K_{3}) \\ \tan C = (K_{2} - K_{1}) / (1 + K_{1} K_{2}) \end{matrix}

则ΔABC的权重函数的表达式如下：

W (α) = m i n {\frac{K_{2} - K_{3}}{1 + K_{2} K_{3}}, \frac{K_{1} - K_{3}}{1 + K_{1} K_{3}}, \frac{K_{2} - K_{1}}{1 + K_{1} K_{2}}}

(3)规范权重值

由于有四个三角形分别求出了它们的权重值，但是不能直接使用其原有的权重值来对节点进行估算，要对其进行规范化，公式如下：

\{\begin{matrix} W_{1}^{'} = W_{1} / (W_{1} + W_{2} + W_{3} + W_{4}) \\ W_{2}^{'} = W_{2} / (W_{1} + W_{2} + W_{3} + W_{4}) \\ W_{3}^{'} = W_{3} / (W_{1} + W_{2} + W_{3} + W_{4}) \\ W_{4}^{'} = W_{4} / (W_{1} + W_{2} + W_{3} + W_{4}) \end{matrix}

(4)计算未知节点坐标

已知权重四边形的四个顶点的坐标I₁(x₁,y₁)、I₂(x₂,y₂)、I₃(x₃,y₃)、I₄(x₄,y₄)，又计算出了它们的规划化的权重W₁′、W₂′、W₃′、W₄′，运用加权的质心定位算法，计算未知节点的位置。假设未知节点坐标为(x,y)，则：

\{\begin{matrix} x = W_{1}^{'} x_{1} + W_{2}^{'} x_{2} + W_{3}^{'} x_{3} + W_{4}^{'} x_{4} \\ y = W_{1}^{'} y_{1} + W_{2}^{'} y_{2} + W_{3}^{'} y_{3} + W_{4}^{'} y_{4} \end{matrix}

决定锚节点运行轨迹的因素中，除了其运行方向，还有一个关键的因素为其移动步长。若步长太大，会导致锚节点密度过低，而步长太小，则会引起镜像误差。所以本发明中采用的移动步长为节点的通信半径的长度R。根据上述的移动方向决策方案，在U型中的移动路径如图5所示，在Z型网络中，其移动路径如图6所示。

当锚节点遍历过所有的未知节点之后，未知节点可根据已经定位的节点信息进行自我定位。但由于已定位的节点在自身定位时，会引入误差，所以选择哪些已定位节点转变为静态锚节点是很关键的。本发明中引入网格递增式优化的思想，考虑到传感器节点的能量有限，静态节点只需要广播一次自身的定位信息。步骤如下：

(1)将整个网络分为四个网格，然后在各个网格的中心选取一个定位点为递增式优化的中心节点，每个网格内的原理如图7所示。

(2)以中心节点为圆心，通信半径R为半径的通信圆上，找近似正六边形的六个顶点，将其设置为静态信标，进行第一轮节点信息广播。

(3)在以中心节点为圆心，通信半径2R为半径的通信圆上，找近似正十二边形的十二个顶点，将其设置为静态信标，进行第二轮节点信息广播。

(4)在以中心节点为圆心，通信半径3R为半径的通信圆上，找近似正十八边形的十八个顶点，将其设置为静态信标，进行第三轮节点信息广播。

(5)同理依次类推，直到以中心节点为圆心的通信圆充满整个网格。则最外围的节点所包围的近似圆形区域内的未知节点都能够定位成功。

而哪些节点承担静态信标的工作，需要锚节点后台判断。当锚节点作出后台决策之后，扩大发射功率，将作为静态信标的已定位节点序号发送给已定位的节点。作为静态信标的节点广播一次自身位置，帮助其他仍未定位的节点定位。

锚节点的具体工作流程如图8所示，未知节点的工作流程如图9所示。方法流程主要分为两方面：一个是锚节点工作流程，一个是未知节点定位流程。

如图8所示，锚节点工作流程如下：

步骤1：锚节点广播自身位置的数据包；

步骤4：锚节点在运行过程中，若通信半径内接收不到未知节点信息，则利用功率控制器增大发射功率，先增大为通信半径的两倍，若还是无法接收到未知节点信息，则增大为通信半径的三倍，若还是无法接收到未知节点信息，则锚节点随机运行直到接收到未知节点为止，期间不广播自身定位信息；

步骤5：锚节点遍历所有路径后，后台决策静态信标点；

如图9所示，未知节点定位流程如下：

步骤1：未知节点接收锚节点数据包；

步骤2：未知节点在接收到四个锚节点数据包后，运用基于权重选择的三边定位算法进行自我定位，并向锚节点发送反馈数据包；

步骤3：已定位成功的节点将自身坐标发送给后台；

步骤4：选作静态信标的节点广播自身位置，其他仍未定位的节点再次接收信息并定位；

步骤5：定位成功的节点开始信息采集工作。

Claims

1.一种基于方向决策的动态路径节点定位方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：

步骤1：锚节点广播自身位置的数据包；

步骤4：未知节点接收锚节点数据包；

步骤6：已定位成功的节点将自身坐标发送给后台；

步骤8：锚节点遍历所有路径后，后台决策静态信标点；

步骤10：定位成功的节点开始信息采集工作。

2.根据权利要求1所述的一种基于方向决策的动态路径节点定位方法，其特征在于，所述方法中锚节点的动态路径规划，包括如下步骤：

第一步：方向决策

第二步：移动步长选取

移动步长选取未知节点通信半径的长度。

3.根据权利要求1所述的一种基于方向决策的动态路径节点定位方法，其特征在于，传感器节点的信息采集和存储机制，包括如下步骤：

第一步：锚节点广播数据包；

第二步：未知节点接收数据包；

第三步：未知节点反馈信息；

第四步：锚节点存储未知节点数据。

4.根据权利要求1所述的一种基于方向决策的动态路径节点定位方法，其特征在于，所述传感器节点的自定位方法，包括如下步骤：

第二步：未知节点采用网格递增式优化算法进行定位优化。

5.根据权利要求1所述的一种基于方向决策的动态路径节点定位方法，其特征在于，所述锚节点发送的信息包如表1所示，即：

表1锚节点信息广播数据包

BID Signal PosX PosY P_t

若处于锚节点通信范围内的未知节点在收到锚节点信息后，会将其存储在自身的存储表格中。

6.根据权利要求1所述的一种基于方向决策的动态路径节点定位方法，其特征在于，所述方法的锚节点采用定向天线辨别通信中传感器节点的方位，然后运用一种方向决策方案决定移动锚节点下一步移动的方向，移动的角度遵循等边三角形最优原理，锚节点每运行一步广播一次其坐标信息，未知节点在接收到四个锚节点数据包后，运用基于权重选择的三边定位算法进行自我定位，在锚节点遍历过正常路径后，运用网格递增式优化算法进行进一步定位优化。