CN110012422A - 一种在复杂地域的无线传感器网络移动基站避障方法 - Google Patents

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刘徐迅
曾衍辉
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Abstract

本发明公开了一种在复杂地域的无线传感器网络移动基站避障方法，所述方法考虑确定起点和终点的基站移动过程，并在此过程中规避起点与终点连线上存在的障碍，找到一条规避障碍的较短路径，具体包括以下步骤：S1、生成障碍物的凸包；S2、生成包括起点、终点和障碍物顶点的带权图；S3、运行单源最短路径算法，得到移动基站避开多边形障碍物的移动路径。所述方法先将障碍物转化为凸包，将问题抽象转化成在带权图上求最短路径的问题，再用启发式的A*算法求最优解，高效地生成了移动基站的路径，在有障碍物的复杂区域解决了移动基站的避障问题。

Description

一种在复杂地域的无线传感器网络移动基站避障方法
技术领域
本发明涉及无线传感器网络的数据收集领域，具体涉及一种在复杂地域的无线传感器网络移动基站避障方法。
背景技术
无线传感器网络是一种新颖的数据收集、处理技术，它是大量微小的、智能化的节点构成的多跳自组织网络，是物联网技术的一个重要组成部分，现已被广泛用于军事、农业、工业、智能家居、医疗卫生等多个领域。在无线传感器网络中，传感器节点监测产生的数据通常使用一个或多个数据收集器进行收集，这种数据收集器通常称为基站。
由于传感器节点通常体积微小，不足以携带大容量的电池，其能量十分有限。在传统的无线传感器网络中，通常使用固定不动的基站来收集数据，网络中的传感器节点则采用多跳接力传输的形式将数据传输到基站。然而，这样做会带来“能量空洞”问题，即靠近基站的传感器节点由于承担较重的数据转发任务，其能量会较快耗尽，从而影响整个网络的寿命。随着传感器网络的发展，近年来该领域的研究提出了使用可移动的基站来收集数据，传感器节点只需要在移动基站靠近它的时候再发送数据，这样做大大减小了全网的数据传输能耗。
移动基站的路径规划是研究的热门问题，有很多学者都提出了相关的解决方案。然而，这些方案大多假设移动基站部署于无障碍的平面上而侧重于考虑如何减小网络的能耗。然而在实际应用中，无线传感器网络通常部署在一些人类难以到达的地域，这些地域环境恶劣，情况复杂，可能存在着各种障碍物。因此，移动基站在移动中如何合理规划路线，规避网络部署地域内的障碍物，就成了移动基站技术实用化的一个关键问题。
发明内容
本发明的目的是针对现有技术的不足，为了使得移动基站在复杂地域中部署的无线传感器网络中得到良好的应用，提供了一种在复杂地域的无线传感器网络移动基站避障方法，所述方法考虑复杂地域中普遍存在的多边形障碍物，并采取较高效的手段进行避障，为移动基站在复杂地域中移动收集数据时成功避开这些障碍物提出了一个较优的方案，提高了移动基站技术的实用价值。
本发明的目的可以通过如下技术方案实现：
一种在复杂地域的无线传感器网络移动基站避障方法，所述方法考虑确定起点和终点的基站移动过程，并在此过程中规避起点与终点连线上存在的障碍，找到一条规避障碍的较短路径，具体包括以下步骤：
S1、生成障碍物的凸包；
S2、生成包括起点、终点和障碍物顶点的带权图；
S3、运行单源最短路径算法，得到移动基站避开多边形障碍物的移动路径。
进一步地，步骤S1的具体过程为：
S1.1、按照复杂地域的地图，建立适当的二维直角坐标系(x,y)，区域内存在的障碍物用多边形表示；
S1.2、对每个障碍物，计算其凸包，然后以凸包的点集替代障碍物的点集。
进一步地，步骤S2的具体过程为：
S2.1、通过移动基站自带的GPS定位装置，获得其当前所在起点START的坐标(xSTART,ySTART)；
S2.2、在地图上确定移动终点END(xEND,yEND)；
S2.3、生成带权图G<V,E>，其中顶点集V为起点START、终点END和所有障碍物顶点集的并集，边集E为所有互相可见的顶点之间的边，连接顶点vi,vj的边ei的权wi为线段(vi,vj)的长度。
进一步地，该方法所考虑规避的障碍物是以多边形的形式表示，且在计算机中以有序顶点集的形式表示，并将其转化为凸包进行运算。
进一步地，步骤S1中所述的对每个障碍物计算其凸包，是指对障碍物的顶点集运行Graham算法，得到障碍物的凸包的顶点集。
进一步地，步骤S2中所述的生成带权图G<V,E>，是指作起点至终点的线段，检测其与哪些障碍物凸包相交，以起点、终点和此线段所相交的障碍物凸包的顶点为带权图的顶点，然后分别检测顶点之间是否相互可见，并在互相可见的顶点之间生成边。
进一步地，步骤S3中所述的运行单源最短路径算法得到移动路径，是指用A*算法在带权图G<V,E>上运行得到一条从起点到终点的最短路径。
本发明与现有技术相比，具有如下优点和有益效果：
1、本发明为复杂地域中部署的无线传感器网络的移动基站设计了一种有效的避障方法。由于在城市、农田、森林等各种复杂地域出现的障碍物，如树木、石头、水域、楼房等均可以转化成多边形，因此，在这些地域部署的不同形式、结构的无线传感器网络中，本发明均可以得到良好的应用。
2、本发明为得到广泛研究的无线传感器网络的移动基站技术的实用化解决了关键的避障问题，提高了该技术的实用价值。
3、本发明采用了A*算法来计算最优路径，在带权图上确定了起点和终点的情况下，该算法可以高效地找到一条从起点到终点的最优路径。
附图说明
图1为本发明实施例在复杂地域的无线传感器网络移动基站避障方法流程图。
图2为本发明实施例中根据实际生产生活环境对复杂地域进行建模得到的地图。
图3(a)为本发明实施例中障碍物被转换为凸包后得到的复杂区域地图，图3(b)为在图3(a)的基础上标记基站移动起点和终点后得到的地域地图，图3(c)为本发明实施例中生成的带权图G<V,E>，图3(d)为本发明实施例中生成的移动基站的避障路径示意图。
具体实施方式
下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。
实施例：
本实施例提供了一种在复杂地域的无线传感器网络移动基站避障方法，所述方法的流程图如图1所示，包括以下步骤：
S1、生成障碍物的凸包：
S1.1、如图2所示，本实施例的复杂地域内有2个多边形障碍物，黑色的圆点为该复杂地域内部署的传感器节点。按照复杂地域的地图，对该地域建立二维直角坐标系(x,y)，用适当的坐标表示地域内的节点和障碍物；
S1.2、对地域内的障碍物，用Graham算法生成其凸包，生成凸包后得到的地图如图3(a)所示；
S2、生成包括起点、终点和障碍物顶点的带权图：
S2.1、通过移动基站自带的GPS定位装置，获得其当前所在起点START的坐标(xSTART,ysTART)，并按照移动基站的实际终点，在地图上确定移动终点END(xEND,yEND)，如图3(b)所示，星号为移动基站移动的起点，三角形为移动的终点。为了方便，传感器节点在图3(b)、图3(c)和图3(d)中不再标示；
S2.2、生成带权图G<V,E>,其中顶点集V为起点START、终点END和所有障碍物顶点集的并集，边集E为所有互相可见的顶点之间的边，连接顶点vi,vj的边ei的权wi为线段(vi,vj)的长度，生成的带权图G如图3(c)所示，图中所有黑色点构成图G的顶点集V，所有线段构成图G的边集E，边集E中各边的权值为该边的长度；
S3、运行单源最短路径算法，得到移动基站的避开障碍物的移动路径：在该带权图G上运行A*算法，得到本实施例中，移动基站从起点到终点的避障最短路径，如图3(d)中粗线所示。
以上所述，仅为本发明专利较佳的实施例，但本发明专利的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明专利所公开的范围内，根据本发明专利的技术方案及其发明专利构思加以等同替换或改变，都属于本发明专利的保护范围。

Claims (7)

1.一种在复杂地域的无线传感器网络移动基站避障方法，其特征在于，所述方法考虑确定起点和终点的基站移动过程，并在此过程中规避起点与终点连线上存在的障碍，找到一条规避障碍的较短路径，具体包括以下步骤：
S1、生成障碍物的凸包；
S2、生成包括起点、终点和障碍物顶点的带权图；
S3、运行单源最短路径算法，得到移动基站避开多边形障碍物的移动路径。
2.根据权利要求1所述的一种在复杂地域的无线传感器网络移动基站避障方法，其特征在于，步骤S1的具体过程为：
S1.1、按照复杂地域的地图，建立适当的二维直角坐标系(x,y)，区域内存在的障碍物用多边形表示；
S1.2、对每个障碍物，计算其凸包，然后以凸包的点集替代障碍物的点集。
3.根据权利要求1所述的一种在复杂地域的无线传感器网络移动基站避障方法，其特征在于，步骤S2的具体过程为：
S2.1、通过移动基站自带的GPS定位装置，获得其当前所在起点START的坐标(xSTART,ySTART)；
S2.2、在地图上确定移动终点END(xEND,yEND)；
S2.3、生成带权图G<V,E>，其中顶点集V为起点START、终点END和所有障碍物顶点集的并集，边集E为所有互相可见的顶点之间的边，连接顶点vi,vj的边ei的权wi为线段(vi,vj)的长度。
4.根据权利要求1所述的一种在复杂地域的无线传感器网络移动基站避障方法，其特征在于：该方法所考虑规避的障碍物是以多边形的形式表示，且在计算机中以有序顶点集的形式表示，并将其转化为凸包进行运算。
5.根据权利要求2所述的一种在复杂地域的无线传感器网络移动基站避障方法，其特征在于：步骤S1中所述的对每个障碍物计算其凸包，是指对障碍物的顶点集运行Graham算法，得到障碍物的凸包的顶点集。
6.根据权利要求3所述的一种在复杂地域的无线传感器网络移动基站避障方法，其特征在于：步骤S2中所述的生成带权图G<V,E>，是指作起点至终点的线段，检测其与哪些障碍物凸包相交，以起点、终点和此线段所相交的障碍物凸包的顶点为带权图的顶点，然后分别检测顶点之间是否相互可见，并在互相可见的顶点之间生成边。
7.根据权利要求1所述的一种在复杂地域的无线传感器网络移动基站避障方法，其特征在于：步骤S3中所述的运行单源最短路径算法得到移动路径，是指用A*算法在带权图G<V,E>上运行得到一条从起点到终点的最短路径。
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