CN108966344B - 无线传感器网络未知传感器节点的定位方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及无线传感器网络定位技术，具体为无线传感器网络未知传感器节点的定位方法。解决现有基于测距的定位算法定位精度低及算法复杂的问题。本发明所述方法先利用节点间接收到的信号强度值转化为节点间距离值，通过公边比例定理原理，利用未知节点周围任意3个信标节点A、B、C，求出未知节点的四个可能的坐标，并对其进行判定，最终采用万有引力搜索算法（GSA）进行优化，确定未知节点坐标完成定位。本发明所述方法提高了算法的精度，降低了算法的复杂度，减少了节点的能量消耗，延长了节点的生命周期。

Description

无线传感器网络未知传感器节点的定位方法
技术领域
本发明涉及无线传感器网络定位技术，具体为无线传感器网络未知传感器节点的定位方法，主要用于获取无线传感器网络未知传感器节点的准确位置信息。
背景技术
近年来物联网技术不断取得新的成果，已经运用到国防军事、环境监测、交通管理、医疗卫生、制造业、抗灾抢险等领域，作为物联网底层重要技术之一的无线传感器网络已经成为了研究热点。其中，通过定位算法获取准确的位置信息是无线传感器网络十分重要的一项内容。
定位算法分成基于非测距的定位算法(如，DV-HOP算法)和基于测距的定位算法。基于测距的定位算法的定位精度高于基于非测距的定位算法。与基于测距的定位算法相关的一些算法有，三边定位算法、三边质心定位算法、粒子群定位算法等。这些现有的算法要么定位精度较低(如，质心定位算法)，要么算法需要进行大量的迭代运算而过于复杂(如，粒子群定位算法)。
发明内容
本发明解决现有基于测距的定位算法定位精度低及算法复杂的问题，提供一种无线传感器网络未知传感器节点的定位方法。
本发明是采用如下技术方案实现的：无线传感器网络未知传感器节点的定位方法，是由如下步骤实现的：
Z1：未知节点P接收周围信标节点的信号，并将接收到的信号强度值转化为未知节点和信标节点之间的距离值；这里转化采用的是公知的对数—常数无线信号传播模型。
Z2：设定该未知节点P接收到信号的信标节点数量为m，m≥3，以任3个位置不共线的信标节点为一组，一共k组；
Z3：从第一组信标节点一直到第k组信标节点依次计算未知节点P的坐标，一共得到k个坐标，分别表示为(xP1,yP1)，……(xPk,yPk)；选取其中第u组信标节点，u取值为1到k，将该组信标节点设定为A、B、C，计算出未知节点P的第u个坐标(xPu,yPu)，为上述k个坐标之一；3个信标节点A、B、C将整个平面划分成四个区域：
区域1：ΔABC区域；
区域2：∠BAC区域除去ΔABC区域剩余的区域及其对顶角区域；
区域3：∠ACB区域除去ΔABC区域剩余的区域及其对顶角区域；
区域4：∠ABC区域除去ΔABC区域剩余的区域及其对顶角区域；
Z4：采集第u组三个信标节点A、B、C的坐标A(xA,yA)，B(xB,yB)，C(xC,yC)；计算信标节点A到信标节点B之间的距离LAB；计算信标节点B到信标节点C之间的距离LBC；计算信标节点A到信标节点C之间的距离LAC；根据步骤Z1所得到的未知节点P到信标节点A之间的距离记为LPA，未知节点P到信标节点B之间的距离记为LPB；未知节点P到信标节点C之间的距离LPC；
Z5：判断未知节点P、信标节点A、信标节点B、信标节点C的相对位置：
a)判断未知节点P是否在直线AB、直线BC、直线AC上：
当LAB＝LPA+LPB或LAB＝|LPA-LPB|时，未知节点P位于直线AB上，
当LAB＝LPA+LPB时，未知节点P位于线段AB之间
LAB＝LPA-LPB时，未知节点P位于线段AB延长线上
LAB＝LPB-LPA时，未知节点P位于线段BA延长线上
当LAC＝LPC+LPA或LAC＝|LPC-LPA|时，未知节点P位于直线AC上，
当LAC＝LPC+LPA时，未知节点P位于线段AC上
当LAC＝LPC-LPA时，未知节点P位于线段CA延长线
当LAC＝LPA-LPC时，未知节点P位于线段AC延长线
当LBC＝LPC+LPB或LBC＝|LPC-LPB|时，未知节点P位于直线BC上，
当LBC＝LPC+LPB时，未知节点P位于线段BC上
当LBC＝LPC-LPB时，未知节点P位于线段CB延长线上
当LBC＝LPB-LPC时，未知节点P位于线段BC延长线上
b)当P点不在直线AB、直线BC、直线AC上时，
满足公式SΔABC＝SΔPAB+SΔPAC+SΔPBC，未知节点P位于ΔABC区域内，未知节点P在区域1；
满足公式SΔPAB+SΔPAC＝SΔABC+SΔPBC或者满足公式SΔPBC＝SΔPAB+SΔABC+SΔPAC，未知节点P位于∠BAC区域除去ΔABC区域剩余的区域及其对顶角区域内，未知节点P在区域2；
满足公式SΔPAC+SΔPBC＝SΔABC+SΔPAB或者满足公式SΔPAB＝SΔPAC+SΔABC+SΔPBC，未知节点P位于∠ACB区域除去ΔABC区域剩余的区域及其对顶角区域内，未知节点P在区域3；
满足公式SΔPBC+SΔPAB＝SΔABC+SΔPAC或者满足公式SΔPAC＝SΔPBC+SΔABC+SΔPAB，未知节点P位于∠ABC区域除去ΔABC区域剩余的区域及其对顶角区域内，未知节点P在区域4；
其中S为采用海伦公式算出的相应三角形的面积，S下标中的三个字母为三角形的三个顶点；
Z6：未知节点P第u个坐标(xPu,yPu)的计算公式如下：
a)当P点在直线AB、直线BC、直线AC上时，
当LAB＝LPA+LPB或LAB＝|LPA-LPB|时，未知节点P位于直线AB上，
当LAB＝LPA+LPB时，未知节点P位于线段AB之间，未知节点P第u个坐标(xPu,yPu)
Figure GDA0002527164450000031
Figure GDA0002527164450000032
当LAB＝LPA-LPB时，未知节点P位于线段AB延长线上，未知节点P第u个坐标(xPu,yPu)
Figure GDA0002527164450000033
Figure GDA0002527164450000034
当LAB＝LPB-LPA时，未知节点P位于线段BA延长线上，未知节点P第u个坐标(xPu,yPu)
Figure GDA0002527164450000035
Figure GDA0002527164450000036
当LAC＝LPC+LPA或LAC＝|LPC-LPA|时，未知节点P位于直线AC上，
当LAC＝LPC+LPA时，未知节点P位于线段AC上，未知节点P第u个坐标(xPu,yPu)
Figure GDA0002527164450000037
Figure GDA0002527164450000038
当LAC＝LPC-LPA时，未知节点P位于线段CA延长线，未知节点P第u个坐标(xPu,yPu)
Figure GDA0002527164450000039
Figure GDA0002527164450000041
当LAC＝LPA-LPC时，未知节点P位于线段AC延长线，未知节点P第u个坐标(xPu,yPu)
Figure GDA0002527164450000042
Figure GDA0002527164450000043
当LBC＝LPC+LPB或LBC＝|LPC-LPB|时，未知节点P位于直线BC上，
当LBC＝LPC+LPB时，未知节点P位于线段BC上，未知节点P第u个坐标(xPu,yPu)
Figure GDA0002527164450000044
Figure GDA0002527164450000045
当LBC＝LPC-LPB时，未知节点P位于线段CB延长线上，未知节点P第u个坐标(xPu,yPu)
Figure GDA0002527164450000046
Figure GDA0002527164450000047
当LBC＝LPB-LPC时，未知节点P位于线段BC延长线上，未知节点P第u个坐标(xPu,yPu)
Figure GDA0002527164450000048
Figure GDA0002527164450000049
b)当P点不在直线AB、直线BC、直线AC上时，
设A'是直线PA与直线BC的交点、B'是直线BP与直线AC的交点、C'是直线PC与直线AB的交点；
kBC代表直线BC的斜率的符号，若直线BC的斜率大于等于0，则kBC＝1，若直线BC的斜率小于0，则kBC＝-1；kAB代表直线AB的斜率的符号，若直线AB的斜率大于等于0，则kAB＝1，若直线AB的斜率小于0，则kAB＝-1；kAC代表直线AC的斜率的符号，若直线AC的斜率大于等于0，则kAC＝1，若直线AC的斜率小于0，则kAC＝-1。
1)当未知节点P位于区域1时，利用公边比例定理(至少在书名为《三线坐标与三角形特征点》，由哈尔滨工业大学出版社出版的，作者为吴悦辰，出版日期为2015年04月的出版物上有详细公开)可得：
由直线PA与直线BC交于A'，LBA'是信标节点B到点A'的距离、LA'C是点A'到信标节点C的距离，有：
Figure GDA0002527164450000051
A'点的坐标表示为：
Figure GDA0002527164450000052
直线PB与直线AC交与B'，LAB'是信标节点A到点B'的距离、LCB'是信标节点C到点B'的距离，有：
Figure GDA0002527164450000053
B'点的坐标表示为：
Figure GDA0002527164450000054
直线PC与直线AB交于C'，LAC'是信标节点A到点C'的距离、LBC'是信标节点B到点C'的距离，有：
Figure GDA0002527164450000055
C'点的坐标表示为：
Figure GDA0002527164450000056
2)当未知节点P位于区域2时，利用公边比例定理可得：
直线PA与直线BC交于A'，LBA'是信标节点B到点A'的距离、LA'C是点A'到信标节点C的距离，有：
Figure GDA0002527164450000061
A'点的坐标表示为:
Figure GDA0002527164450000062
直线PB与直线AC交与B'，LAB'是信标节点A到点B'的距离、LCB'是信标节点C到点B'的距离，有：
Figure GDA0002527164450000063
B'点的坐标表示为:
Figure GDA0002527164450000064
直线PC与直线AB交于C'，LAC'是信标节点A到点C'的距离、LBC'是信标节点B到点C'的距离，有：
Figure GDA0002527164450000065
C'点的坐标表示为:
Figure GDA0002527164450000066
3)当未知节点P位于区域3时，利用公边比例定理可得：
直线PA与直线BC交与A'，LBA'是信标节点B到点A'的距离、LCA'是信标节点C到点A'的距离，有：
Figure GDA0002527164450000067
A'点的坐标表示为:
Figure GDA0002527164450000068
直线PB与直线AC交于B'，LAB'是信标节点A到点B'的距离、LCB'是信标节点C到点B'的距离，有：
Figure GDA0002527164450000071
B'点的坐标表示为:
Figure GDA0002527164450000072
直线PC与直线AB交于C'，LAC'是信标节点A到点C'的距离、LC'B是点C'到信标节点B的距离，有：
Figure GDA0002527164450000073
C'点的坐标表示为:
Figure GDA0002527164450000074
4)当未知节点P位于区域4时，利用公边比例定理可得：
直线PA与直线BC交于A'，LBA'是信标节点B到点A'的距离、LCA'是信标节点C到点A'的距离，有：
Figure GDA0002527164450000075
A'点的坐标表示为:
Figure GDA0002527164450000076
直线PB与直线AC交于B'，LB'A是点B'到信标节点A的距离、LCB'是信标节点C到点B'的距离，有：
Figure GDA0002527164450000077
B'点的坐标表示为:
Figure GDA0002527164450000078
直线PC与直线AB交与C'，LAC'是信标节点A到点C'的距离、LBC'是信标节点B到点C'的距离，有：
Figure GDA0002527164450000079
C'点的坐标表示为:
Figure GDA0002527164450000081
设直线AA'与直线BB'的交点为(xPu1,yPu1)，直线AA'和直线CC'的交点为(xPu2,yPu2)，直线BB'和直线CC'的交点为(xPu3,yPu3)；
设：
Figure GDA0002527164450000082
分别计算(xPu1,yPu1)、(xPu2,yPu2)、(xPu3,yPu3)、(xPu4,yPu4)的距离差值d(i)，i为1、2、3、4，取d(i)的最小值对应的坐标作为未知节点P第u个坐标(xPu,yPu)，
Figure GDA0002527164450000083
Z7：采用基于万有引力搜索算法(GSA)对得到的k个坐标(xp1,yp1)，……(xpk,ypk)进行优化，得到优化后的未知节点P的坐标：
所述的万有引力搜索算法(GSA)的适应度函数为：
Figure GDA0002527164450000084
式中坐标(xs,ys)代表k个坐标(xp1,yp1)，……(xpk,ypk)中的任一个坐标，坐标(xi,yi)为m个信标节点中的任一个的坐标；de(i,P)代表步骤Z1中所述的第i个信标节点到未知节点P的距离值；在得到的k个适应度函数值F(s)中，选用最小值，即与F(s)的最小值对应的坐标作为优化后的未知节点P的坐标。
所述的现有公知的万有引力搜索算法(GSA)至少在书名为《MATLAB优化算法案例分析与应用》(进阶篇)，由清华大学出版社出版的，作者为余胜威，出版日期为2015年6月的出版物上有详细公开。
本发明所述方法先利用节点间接收到的信号强度值转化为节点间距离值，通过公边比例定理，利用未知节点周围任意3个信标节点A、B、C，求出未知节点的四个可能的坐标，并对其进行判定，最终采用万有引力搜索算法(GSA)进行优化，确定未知节点坐标完成定位。本发明所述方法提高了算法的精度，降低了算法的复杂度，减少了节点的能量消耗，延长了节点的生命周期。
附图说明
图1为本发明所述方法的原理示意图。
具体实施方式
无线传感器网络未知传感器节点的定位方法，是由如下步骤实现的：
Z1：未知节点P接收周围信标节点的信号，并将接收到的信号强度值转化为未知节点和信标节点之间的距离值；这里转化采用的是公知的对数—常数无线信号传播模型。
Z2：设定该未知节点P接收到信号的信标节点数量为m，m≥3，以任3个位置不共线的信标节点为一组，一共k组；
Z3：从第一组信标节点一直到第k组信标节点依次计算未知节点P的坐标，一共得到k个坐标，分别表示为(xP1,yP1)，……(xPk,yPk)；选取其中第u组信标节点，u取值为1到k，将该组信标节点设定为A、B、C，计算出未知节点P的第u个坐标(xPu,yPu)，为上述k个坐标之一；3个信标节点A、B、C将整个平面划分成四个区域：
区域1：ΔABC区域；
区域2：∠BAC区域除去ΔABC区域剩余的区域及其对顶角区域；
区域3：∠ACB区域除去ΔABC区域剩余的区域及其对顶角区域；
区域4：∠ABC区域除去ΔABC区域剩余的区域及其对顶角区域；
Z4：采集第u组三个信标节点A、B、C的坐标A(xA,yA)，B(xB,yB)，C(xC,yC)；计算信标节点A到信标节点B之间的距离LAB；计算信标节点B到信标节点C之间的距离LBC；计算信标节点A到信标节点C之间的距离LAC；根据步骤Z1所得到的未知节点P到信标节点A之间的距离记为LPA，未知节点P到信标节点B之间的距离记为LPB；未知节点P到信标节点C之间的距离LPC；
Z5：判断未知节点P、信标节点A、信标节点B、信标节点C的相对位置：
a)判断未知节点P是否在直线AB、直线BC、直线AC上：
当LAB＝LPA+LPB或LAB＝|LPA-LPB|时，未知节点P位于直线AB上，
当LAB＝LPA+LPB时，未知节点P位于线段AB之间
LAB＝LPA-LPB时，未知节点P位于线段AB延长线上
LAB＝LPB-LPA时，未知节点P位于线段BA延长线上
当LAC＝LPC+LPA或LAC＝|LPC-LPA|时，未知节点P位于直线AC上，
当LAC＝LPC+LPA时，未知节点P位于线段AC上
当LAC＝LPC-LPA时，未知节点P位于线段CA延长线
当LAC＝LPA-LPC时，未知节点P位于线段AC延长线
当LBC＝LPC+LPB或LBC＝|LPC-LPB|时，未知节点P位于直线BC上，
当LBC＝LPC+LPB时，未知节点P位于线段BC上
当LBC＝LPC-LPB时，未知节点P位于线段CB延长线上
当LBC＝LPB-LPC时，未知节点P位于线段BC延长线上
b)当P点不在直线AB、直线BC、直线AC上时，
满足公式SΔABC＝SΔPAB+SΔPAC+SΔPBC，未知节点P位于ΔABC区域内，未知节点P在区域1；
满足公式SΔPAB+SΔPAC＝SΔABC+SΔPBC或者满足公式SΔPBC＝SΔPAB+SΔABC+SΔPAC，未知节点P位于∠BAC区域除去ΔABC区域剩余的区域及其对顶角区域内，未知节点P在区域2；
满足公式SΔPAC+SΔPBC＝SΔABC+SΔPAB或者满足公式SΔPAB＝SΔPAC+SΔABC+SΔPBC，未知节点P位于∠ACB区域除去ΔABC区域剩余的区域及其对顶角区域内，未知节点P在区域3；
满足公式SΔPBC+SΔPAB＝SΔABC+SΔPAC或者满足公式SΔPAC＝SΔPBC+SΔABC+SΔPAB，未知节点P位于∠ABC区域除去ΔABC区域剩余的区域及其对顶角区域内，未知节点P在区域4；
其中S为采用海伦公式算出的相应三角形的面积，S下标中的三个字母为三角形的三个顶点；
Z6：未知节点P第u个坐标(xPu,yPu)的计算公式如下：
a)当P点在直线AB、直线BC、直线AC上时，
当LAB＝LPA+LPB或LAB＝|LPA-LPB|时，未知节点P位于直线AB上，
当LAB＝LPA+LPB时，未知节点P位于线段AB之间，未知节点P第u个坐标(xPu,yPu)
Figure GDA0002527164450000101
Figure GDA0002527164450000102
当LAB＝LPA-LPB时，未知节点P位于线段AB延长线上，未知节点P第u个坐标(xPu,yPu)
Figure GDA0002527164450000103
Figure GDA0002527164450000111
当LAB＝LPB-LPA时，未知节点P位于线段BA延长线上，未知节点P第u个坐标(xPu,yPu)
Figure GDA0002527164450000112
Figure GDA0002527164450000113
当LAC＝LPC+LPA或LAC＝|LPC-LPA|时，未知节点P位于直线AC上，
当LAC＝LPC+LPA时，未知节点P位于线段AC上，未知节点P第u个坐标(xPu,yPu)
Figure GDA0002527164450000114
Figure GDA0002527164450000115
当LAC＝LPC-LPA时，未知节点P位于线段CA延长线，未知节点P第u个坐标(xPu,yPu)
Figure GDA0002527164450000116
Figure GDA0002527164450000117
当LAC＝LPA-LPC时，未知节点P位于线段AC延长线，未知节点P第u个坐标(xPu,yPu)
Figure GDA0002527164450000118
Figure GDA0002527164450000119
当LBC＝LPC+LPB或LBC＝|LPC-LPB|时，未知节点P位于直线BC上，
当LBC＝LPC+LPB时，未知节点P位于线段BC上，未知节点P第u个坐标(xPu,yPu)
Figure GDA00025271644500001110
Figure GDA0002527164450000121
当LBC＝LPC-LPB时，未知节点P位于线段CB延长线上，未知节点P第u个坐标(xPu,yPu)
Figure GDA0002527164450000122
Figure GDA0002527164450000123
当LBC＝LPB-LPC时，未知节点P位于线段BC延长线上，未知节点P第u个坐标(xPu,yPu)
Figure GDA0002527164450000124
Figure GDA0002527164450000125
b)当P点不在直线AB、直线BC、直线AC上时，
设A'是直线PA与直线BC的交点、B'是直线BP与直线AC的交点、C'是直线PC与直线AB的交点；
kBC代表直线BC的斜率的符号，若直线BC的斜率大于等于0，则kBC＝1，若直线BC的斜率小于0，则kBC＝-1；kAB代表直线AB的斜率的符号，若直线AB的斜率大于等于0，则kAB＝1，若直线AB的斜率小于0，则kAB＝-1；kAC代表直线AC的斜率的符号，若直线AC的斜率大于等于0，则kAC＝1，若直线AC的斜率小于0，则kAC＝-1。
1)当未知节点P位于区域1时，利用公边比例定理(至少在书名为《三线坐标与三角形特征点》，由哈尔滨工业大学出版社出版的，作者为吴悦辰，出版日期为2015年04月的出版物上有详细公开)可得：
由直线PA与直线BC交于A'，LBA'是信标节点B到点A'的距离、LA'C是点A'到信标节点C的距离，有：
Figure GDA0002527164450000126
A'点的坐标表示为：
Figure GDA0002527164450000127
直线PB与直线AC交与B'，LAB'是信标节点A到点B'的距离、LCB'是信标节点C到点B'的距离，有：
Figure GDA0002527164450000131
B'点的坐标表示为：
Figure GDA0002527164450000132
直线PC与直线AB交于C'，LAC'是信标节点A到点C'的距离、LBC'是信标节点B到点C'的距离，有：
Figure GDA0002527164450000133
C'点的坐标表示为：
Figure GDA0002527164450000134
2)当未知节点P位于区域2时，利用公边比例定理可得：
直线PA与直线BC交于A'，LBA'是信标节点B到点A'的距离、LA'C是点A'到信标节点C的距离，有：
Figure GDA0002527164450000135
A'点的坐标表示为:
Figure GDA0002527164450000136
直线PB与直线AC交与B'，LAB'是信标节点A到点B'的距离、LCB'是信标节点C到点B'的距离，有：
Figure GDA0002527164450000137
B'点的坐标表示为:
Figure GDA0002527164450000138
直线PC与直线AB交于C'，LAC'是信标节点A到点C'的距离、LBC'是信标节点B到点C'的距离，有：
Figure GDA0002527164450000141
C'点的坐标表示为:
Figure GDA0002527164450000142
3)当未知节点P位于区域3时，利用公边比例定理可得：
直线PA与直线BC交与A'，LBA'是信标节点B到点A'的距离、LCA'是信标节点C到点A'的距离，有：
Figure GDA0002527164450000143
A'点的坐标表示为:
Figure GDA0002527164450000144
直线PB与直线AC交于B'，LAB'是信标节点A到点B'的距离、LCB'是信标节点C到点B'的距离，有：
Figure GDA0002527164450000145
B'点的坐标表示为:
Figure GDA0002527164450000146
直线PC与直线AB交于C'，LAC'是信标节点A到点C'的距离、LC'B是点C'到信标节点B的距离，有：
Figure GDA0002527164450000147
C'点的坐标表示为:
Figure GDA0002527164450000148
4)当未知节点P位于区域4时，利用公边比例定理可得：
直线PA与直线BC交于A'，LBA'是信标节点B到点A'的距离、LCA'是信标节点C到点A'的距离，有：
Figure GDA0002527164450000151
A'点的坐标表示为:
Figure GDA0002527164450000152
直线PB与直线AC交于B'，LB'A是点B'到信标节点A的距离、LCB'是信标节点C到点B'的距离，有：
Figure GDA0002527164450000153
B'点的坐标表示为:
Figure GDA0002527164450000154
直线PC与直线AB交与C'，LAC'是信标节点A到点C'的距离、LBC'是信标节点B到点C'的距离，有：
Figure GDA0002527164450000155
C'点的坐标表示为:
Figure GDA0002527164450000156
设直线AA'与直线BB'的交点为(xPu1,yPu1)，直线AA'和直线CC'的交点为(xPu2,yPu2)，直线BB'和直线CC'的交点为(xPu3,yPu3)；
设：
Figure GDA0002527164450000157
分别计算(xPu1,yPu1)、(xPu2,yPu2)、(xPu3,yPu3)、(xPu4,yPu4)的距离差值d(i)，i为1、2、3、4，取d(i)的最小值对应的坐标作为未知节点P第u个坐标(xPu,yPu)，
Figure GDA0002527164450000161
Z7：采用基于万有引力搜索算法(GSA)对得到的k个坐标(xp1,yp1)，……(xpk,ypk)进行优化，得到优化后的未知节点P的坐标：
所述的万有引力搜索算法(GSA)的适应度函数为：
Figure GDA0002527164450000162
式中坐标(xs,ys)代表k个坐标(xp1,yp1)，……(xpk,ypk)中的任一个坐标，坐标(xi,yi)为m个信标节点中的任一个的坐标；de(i,P)代表步骤Z1中所述的第i个信标节点到未知节点P的距离值；在得到的k个适应度函数值F(s)中，选用最小值，即与F(s)的最小值对应的坐标作为优化后的未知节点P的坐标。
所述的现有公知的万有引力搜索算法(GSA)至少在书名为《MATLAB优化算法案例分析与应用》(进阶篇)，由清华大学出版社出版的，作者为余胜威，出版日期为2015年6月的出版物上有详细公开。

Claims (1)

1.一种无线传感器网络未知传感器节点的定位方法，其特征在于，是由如下步骤实现的：
Z1：未知节点P接收周围信标节点的信号，并将接收到的信号强度值转化为未知节点和信标节点之间的距离值；
Z2：设定该未知节点P接收到信号的信标节点数量为m，m≥3，以任3个位置不共线的信标节点为一组，一共k组；
Z3：从第一组信标节点一直到第k组信标节点依次计算未知节点P的坐标，一共得到k个坐标，分别表示为(xP1,yP1)，……(xPk,yPk)；选取其中第u组信标节点，u取值为1到k，将该组信标节点设定为A、B、C，计算出未知节点P的第u个坐标(xPu,yPu)，为上述k个坐标之一；3个信标节点A、B、C将整个平面划分成四个区域：
区域1：ΔABC区域；
区域2：∠BAC区域除去ΔABC区域剩余的区域及其对顶角区域；
区域3：∠ACB区域除去ΔABC区域剩余的区域及其对顶角区域；
区域4：∠ABC区域除去ΔABC区域剩余的区域及其对顶角区域；
Z4：采集第u组三个信标节点A、B、C的坐标A(xA,yA)，B(xB,yB)，C(xC,yC)；计算信标节点A到信标节点B之间的距离LAB；计算信标节点B到信标节点C之间的距离LBC；计算信标节点A到信标节点C之间的距离LAC；根据步骤Z1所得到的未知节点P到信标节点A之间的距离记为LPA，未知节点P到信标节点B之间的距离记为LPB；未知节点P到信标节点C之间的距离LPC；
Z5：判断未知节点P、信标节点A、信标节点B、信标节点C的相对位置：
a)判断未知节点P是否在直线AB、直线BC、直线AC上：
当LAB＝LPA+LPB或LAB＝|LPA-LPB|时，未知节点P位于直线AB上，
当LAB＝LPA+LPB时，未知节点P位于线段AB之间
LAB＝LPA-LPB时，未知节点P位于线段AB延长线上
LAB＝LPB-LPA时，未知节点P位于线段BA延长线上
当LAC＝LPC+LPA或LAC＝|LPC-LPA|时，未知节点P位于直线AC上，
当LAC＝LPC+LPA时，未知节点P位于线段AC上
当LAC＝LPC-LPA时，未知节点P位于线段CA延长线
当LAC＝LPA-LPC时，未知节点P位于线段AC延长线
当LBC＝LPC+LPB或LBC＝|LPC-LPB|时，未知节点P位于直线BC上，
当LBC＝LPC+LPB时，未知节点P位于线段BC上
当LBC＝LPC-LPB时，未知节点P位于线段CB延长线上
当LBC＝LPB-LPC时，未知节点P位于线段BC延长线上
b)当P点不在直线AB、直线BC、直线AC上时，
满足公式SΔABC＝SΔPAB+SΔPAC+SΔPBC，未知节点P位于ΔABC区域内，未知节点P在区域1；
满足公式SΔPAB+SΔPAC＝SΔABC+SΔPBC或者满足公式SΔPBC＝SΔPAB+SΔABC+SΔPAC，未知节点P位于∠BAC区域除去ΔABC区域剩余的区域及其对顶角区域内，未知节点P在区域2；
满足公式SΔPAC+SΔPBC＝SΔABC+SΔPAB或者满足公式SΔPAB＝SΔPAC+SΔABC+SΔPBC，未知节点P位于∠ACB区域除去ΔABC区域剩余的区域及其对顶角区域内，未知节点P在区域3；
满足公式SΔPBC+SΔPAB＝SΔABC+SΔPAC或者满足公式SΔPAC＝SΔPBC+SΔABC+SΔPAB，未知节点P位于∠ABC区域除去ΔABC区域剩余的区域及其对顶角区域内，未知节点P在区域4；
其中S为采用海伦公式算出的相应三角形的面积，S下标中的三个字母为三角形的三个顶点；
Z6：未知节点P第u个坐标(xPu,yPu)的计算公式如下：
a)当P点在直线AB、直线BC、直线AC上时，
当LAB＝LPA+LPB或LAB＝|LPA-LPB|时，未知节点P位于直线AB上，
当LAB＝LPA+LPB时，未知节点P位于线段AB之间，未知节点P第u个坐标(xPu,yPu)
Figure FDA0002527164440000021
Figure FDA0002527164440000022
当LAB＝LPA-LPB时，未知节点P位于线段AB延长线上，未知节点P第u个坐标(xPu,yPu)
Figure FDA0002527164440000023
Figure FDA0002527164440000031
当LAB＝LPB-LPA时，未知节点P位于线段BA延长线上，未知节点P第u个坐标(xPu,yPu)
Figure FDA0002527164440000032
Figure FDA0002527164440000033
当LAC＝LPC+LPA或LAC＝|LPC-LPA|时，未知节点P位于直线AC上，
当LAC＝LPC+LPA时，未知节点P位于线段AC上，未知节点P第u个坐标(xPu,yPu)
Figure FDA0002527164440000034
Figure FDA0002527164440000035
当LAC＝LPC-LPA时，未知节点P位于线段CA延长线，未知节点P第u个坐标(xPu,yPu)
Figure FDA0002527164440000036
Figure FDA0002527164440000037
当LAC＝LPA-LPC时，未知节点P位于线段AC延长线，未知节点P第u个坐标(xPu,yPu)
Figure FDA0002527164440000038
Figure FDA0002527164440000039
当LBC＝LPC+LPB或LBC＝|LPC-LPB|时，未知节点P位于直线BC上，
当LBC＝LPC+LPB时，未知节点P位于线段BC上，未知节点P第u个坐标(xPu,yPu)
Figure FDA00025271644400000310
Figure FDA0002527164440000041
当LBC＝LPC-LPB时，未知节点P位于线段CB延长线上，未知节点P第u个坐标(xPu,yPu)
Figure FDA0002527164440000042
Figure FDA0002527164440000043
当LBC＝LPB-LPC时，未知节点P位于线段BC延长线上，未知节点P第u个坐标(xPu,yPu)
Figure FDA0002527164440000044
Figure FDA0002527164440000045
b)当P点不在直线AB、直线BC、直线AC上时，
设A'是直线PA与直线BC的交点、B'是直线BP与直线AC的交点、C'是直线PC与直线AB的交点；
kBC代表直线BC的斜率的符号，若直线BC的斜率大于等于0，则kBC＝1，若直线BC的斜率小于0，则kBC＝-1；kAB代表直线AB的斜率的符号，若直线AB的斜率大于等于0，则kAB＝1，若直线AB的斜率小于0，则kAB＝-1；kAC代表直线AC的斜率的符号，若直线AC的斜率大于等于0，则kAC＝1，若直线AC的斜率小于0，则kAC＝-1；
1)当未知节点P位于区域1时，利用公边比例定理可得：
由直线PA与直线BC交于A'，LBA'是信标节点B到点A'的距离、LA'C是点A'到信标节点C的距离，有：
Figure FDA0002527164440000046
A'点的坐标表示为：
Figure FDA0002527164440000047
直线PB与直线AC交与B'，LAB'是信标节点A到点B'的距离、LCB'是信标节点C到点B'的距离，有：
Figure FDA0002527164440000051
B'点的坐标表示为：
Figure FDA0002527164440000052
直线PC与直线AB交于C'，LAC'是信标节点A到点C'的距离、LBC'是信标节点B到点C'的距离，有：
Figure FDA0002527164440000053
C'点的坐标表示为：
Figure FDA0002527164440000054
2)当未知节点P位于区域2时，利用公边比例定理可得：
直线PA与直线BC交于A'，LBA'是信标节点B到点A'的距离、LA'C是点A'到信标节点C的距离，有：
Figure FDA0002527164440000055
A'点的坐标表示为:
Figure FDA0002527164440000056
直线PB与直线AC交与B'，LAB'是信标节点A到点B'的距离、LCB'是信标节点C到点B'的距离，有：
Figure FDA0002527164440000057
B'点的坐标表示为:
Figure FDA0002527164440000058
直线PC与直线AB交于C'，LAC'是信标节点A到点C'的距离、LBC'是信标节点B到点C'的距离，有：
Figure FDA0002527164440000061
C'点的坐标表示为:
Figure FDA0002527164440000062
3)当未知节点P位于区域3时，利用公边比例定理可得：
直线PA与直线BC交与A'，LBA'是信标节点B到点A'的距离、LCA'是信标节点C到点A'的距离，有：
Figure FDA0002527164440000063
A'点的坐标表示为:
Figure FDA0002527164440000064
直线PB与直线AC交于B'，LAB'是信标节点A到点B'的距离、LCB'是信标节点C到点B'的距离，有：
Figure FDA0002527164440000065
B'点的坐标表示为:
Figure FDA0002527164440000066
直线PC与直线AB交于C'，LAC'是信标节点A到点C'的距离、LC'B是点C'到信标节点B的距离，有：
Figure FDA0002527164440000067
C'点的坐标表示为:
Figure FDA0002527164440000068
4)当未知节点P位于区域4时，利用公边比例定理可得：
直线PA与直线BC交于A'，LBA'是信标节点B到点A'的距离、LCA'是信标节点C到点A'的距离，有：
Figure FDA0002527164440000071
A'点的坐标表示为:
Figure FDA0002527164440000072
直线PB与直线AC交于B'，LB'A是点B'到信标节点A的距离、LCB'是信标节点C到点B'的距离，有：
Figure FDA0002527164440000073
B'点的坐标表示为:
Figure FDA0002527164440000074
直线PC与直线AB交与C'，LAC'是信标节点A到点C'的距离、LBC'是信标节点B到点C'的距离，有：
Figure FDA0002527164440000075
C'点的坐标表示为:
Figure FDA0002527164440000076
设直线AA'与直线BB'的交点为(xPu1,yPu1)，直线AA'和直线CC'的交点为(xPu2,yPu2)，直线BB'和直线CC'的交点为(xPu3,yPu3)；
设：
Figure FDA0002527164440000077
分别计算(xPu1,yPu1)、(xPu2,yPu2)、(xPu3,yPu3)、(xPu4,yPu4)的距离差值d(i)，i为1、2、3、4，取d(i)的最小值对应的坐标作为未知节点P第u个坐标(xPu,yPu)，
Figure FDA0002527164440000078
Z7：采用基于万有引力搜索算法(GSA)对得到的k个坐标(xp1,yp1)，……(xpk,ypk)进行优化，得到优化后的未知节点P的坐标：
所述的万有引力搜索算法(GSA)的适应度函数为：
Figure FDA0002527164440000081
式中坐标(xs,ys)代表k个坐标(xp1,yp1)，……(xpk,ypk)中的任一个坐标，坐标(xi,yi)为m个信标节点中的任一个的坐标；de(i,P)代表步骤Z1中所述的第i个信标节点到未知节点P的距离值；在得到的k个适应度函数值F(s)中，选用最小值，即与F(s)的最小值对应的坐标作为优化后的未知节点P的坐标。
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