專利名稱：一種基于二值傳感器自組網(wǎng)的目標跟蹤方法
技術(shù)領域：
本發(fā)明屬于傳感器網(wǎng)絡目標跟蹤領域，涉及一種在自組織的無線傳感器網(wǎng)絡系統(tǒng) 中實現(xiàn)運動目標跟蹤的方法，尤其涉及在布置的傳感器網(wǎng)絡具有二值探測特性的條件下， 譬如采用地震動微型加速度傳感器，來計算求解運動目標位置坐標的方法。
背景技術(shù)：
現(xiàn)代信息技術(shù)的三大基礎是傳感器技術(shù)、通信技術(shù)和計算機技術(shù)，它們分別完成 信息的采集、傳輸和處理，構(gòu)成信息系統(tǒng)的“感官”、“神經(jīng)”和“大腦”，這三種技術(shù)的結(jié)合促 進了信息化的進程。無線傳感器網(wǎng)絡技術(shù)正是這種結(jié)合的典型體現(xiàn)，屬于多學科交叉的軍 民兩用戰(zhàn)略高技術(shù)。自組織無線傳感器網(wǎng)絡是近年來國內(nèi)外研究和發(fā)展非常熱門的領域，目前在多個 行業(yè)和領域得到高度的重視和應用。目標跟蹤是傳感器網(wǎng)絡具有吸引力和代表性的應用之 一，在軍事和民用領域有著廣闊的應用前景。跟蹤系統(tǒng)的優(yōu)化設計旨在充分利用傳感器網(wǎng) 絡有限的資源，優(yōu)化系統(tǒng)的實用性能。傳感器網(wǎng)絡具有微型化終端探測的功能以及自組網(wǎng)的特點，因而在目標跟蹤應用 中的優(yōu)勢越來越明顯，主要包括以下幾點(1)跟蹤精細密集部署的微型化傳感器節(jié)點可以對移動目標進行精確的探測、 位置跟蹤和控制，可以詳細顯示出移動目標的運動情況。(2)跟蹤可靠由于無線傳感器網(wǎng)絡的自組織性，當節(jié)點失效或新的節(jié)點加入時， 能在惡劣的環(huán)境中自動配置，使得傳感器網(wǎng)絡在跟蹤目標時具有較高的可靠性、容錯性和 魯棒性。(3)跟蹤及時多種傳感器的協(xié)作式監(jiān)控使得移動目標的發(fā)現(xiàn)更及時，容易實現(xiàn) 分布式的數(shù)據(jù)處理和多種異構(gòu)傳感器節(jié)點之間協(xié)同工作，使得目標跟蹤的過程更加全面。(4)跟蹤隱蔽由于傳感器節(jié)點體積小，無線傳輸功率低，不易被敵對方發(fā)現(xiàn)，因 而可以對目標實現(xiàn)更隱蔽的跟蹤，同時也方便部署使用，適用于戰(zhàn)場環(huán)境和軍事作戰(zhàn)的目 的。(5)低成本微型傳感器成本低，可以降低整個跟蹤過程的成本和代價。(6)低功耗無線傳感器網(wǎng)絡的設計以低功耗為主要目標，在野外工作等沒有固 定電源或更換電池不便的情況下，使得跟蹤應用更加便捷?；趥鞲衅骶W(wǎng)絡的機動目標跟蹤定位過程，實質(zhì)上是一種受目標移動軌跡約束的 優(yōu)化計算過程，無論是在軍事領域還是民用領域，都具有廣泛的應用范圍。自組織傳感器網(wǎng)絡在應用于目標跟蹤系統(tǒng)時，一方面具有許多優(yōu)勢，另一方面也 帶來了一些挑戰(zhàn)性的技術(shù)問題。例如，無線傳感器網(wǎng)絡通常沒有中心控制機制，沒有中樞網(wǎng) 絡可供調(diào)度和指揮，也就是說適宜采用分布式的跟蹤算法。另外，傳感器網(wǎng)絡節(jié)點的功耗要 求低，不適宜采用高復雜度的計算方法。在當前的傳感器網(wǎng)絡中，一種令人感興趣的類型就是具有二值探測特性的傳感器網(wǎng)絡。這種傳感器網(wǎng)絡在目標跟蹤方面具有較好的應用優(yōu)勢，受到了學術(shù)界和工程部門的青睞。二值(Binary)傳感器網(wǎng)絡是指傳感器網(wǎng)絡終端節(jié)點能將目標探測信息的讀數(shù)，轉(zhuǎn)化為發(fā)現(xiàn)目標與否的離散值(0或1)。例如，微震動加速度傳感器、聲響傳感器、磁性傳感 器等都具有這種二值探測特性。具有二值探測特性的單個傳感器對于目標狀態(tài)擁有有限的 信息，需要借助網(wǎng)絡化技術(shù)實現(xiàn)協(xié)作式的目標跟蹤。在現(xiàn)有技術(shù)中，主要有如下幾種基于二值傳感器自組網(wǎng)的目標跟蹤方法(1)在文獻"T. Jing, S. Hichem, and R. Cedric. Binary variational filtering for targettracking in sensor networks. Proceedings of 14th IEEE/SP Workshop on Statistical SignalProcessing, Madison, USA, August 2007, pp. 685-689(巾 t if t : T.敬，S.海奇蒙，R.塞德里克.傳感器網(wǎng)絡目標跟蹤的二值變分過濾，第14屆IEEE/SP統(tǒng) 計信號處理研討會論文集，美國麥迪遜，2007年8月，頁碼685-689) ”和文獻“P. M. Djuric, M. Vemula, and Μ. F. Bugallo. Signal processing by particle filtering for binary sensor networks. Proceedings of the Ilth DigitalSignal Processing Workshop, New Mexico, USA, August 2004，pp. 263-267 (中文譯文:Ρ· Μ.迪鳩爾瑞克，Μ. F.布嘎魯·粒子 過濾用于二值傳感器網(wǎng)絡的信號處理.第11屆數(shù)字信號處理研討會，美國新墨西哥，2004 年8月，頁碼263-267) ”中，提出將二值探測信息傳輸給網(wǎng)關節(jié)點，由網(wǎng)關節(jié)點運行粒子群 濾波模型來計算目標的運動軌跡。粒子群濾波跟蹤算法是在最大似然估計基礎上提出的， 但它將數(shù)據(jù)從每個節(jié)點轉(zhuǎn)發(fā)給網(wǎng)關節(jié)點的通信代價過于昂貴。(2)在 文 獻 “K. Mechitov, S. Sundresh, Y. Kwon, and G. Agha. Cooperative tracking withbinary-detection sensor networks. Tech. Rep. UIUCDCSR-2003-2379, University of Illinois atUrbana-Champaign, September 2003 (中文譯文Κ·墨奇圖衛(wèi)， S.桑德瑞施，Y.科旺，G.阿革.二值探測傳感器網(wǎng)絡用于協(xié)作式跟蹤.伊利諾伊大學厄本 那_香檳分校技術(shù)報告，編號為UIUCDCSR-2003-2379，2003年9月)”中，提出如果目標的 運動信號引起傳感器的感應事件，則將這些傳感器的位置進行加權(quán)平均，來估算目標運動 軌跡上的各點坐標。^ilK"W. Kim, K. Mechitov, J. -Y. Choi, and S. Ham. On target tracking with binaryproximity sensors. Proceedings of the 4th international conference on Embedded networkedsensor systems, Boulder, Colorado, USA, 2006, pp. 301-308 (中文譯 文W.克恩，K.墨奇圖衛(wèi)，J. Y.崔，S.韓.近似二值傳感器用于目標跟蹤.第4屆嵌入式 網(wǎng)絡化傳感器系統(tǒng)國際會議論文集，美國科羅拉多州玻爾得，2006年，頁碼301-308) ”中， 提出通過估計目標的運動速度，對這種感應傳感器位置的加權(quán)計算方法進行改進。但是這 兩篇文獻中的方法需要假設目標在直線軌道上勻速行駛，而且只采用了能產(chǎn)生目標信號感 應的傳感器節(jié)點的位置，實際上目標到達事件也可通過網(wǎng)絡范圍內(nèi)的協(xié)作方式來改進目標 運動軌跡的精度。由于這兩篇文獻提出的二值傳感器網(wǎng)絡目標跟蹤算法主要是依據(jù)已感知傳感器 節(jié)點的位置，進行位置加權(quán)平均來計算目標坐標，這里將此類方法統(tǒng)稱為加權(quán)平均法。由于 這類方法與本發(fā)明提供的方法的計算代價均較小，因而它們具有性能上的可比較性，性能 指標主要是目標位置計算的誤差，后續(xù)的驗證實施例表明了本發(fā)明提供的方法在誤差指標方面具有優(yōu)勢。(3)在文獻“N.Shrivastava, R. Mudumbai, U. Madhow, and S. Suri. Target tracking withbinary proximity sensors !Fundamental limits,minimal descriptions, and algorithms. Proceedings of the 4th international conference on Embedded networked sensor systems, Boulder, Colorado, USA, 2006, pp. 251-264 (中文譯文Ν·其jf 瑞瓦斯塔，R.姆杜拜，U.麥德哈歐，S.蘇芮.近似二值傳感器用于目標跟蹤基本限制條 件、最小化描述和算法.第4屆嵌入式網(wǎng)絡化傳感器系統(tǒng)國際會議論文集，美國科羅拉多州 玻爾得，2006年，頁碼251-264)”中，提出將目標通過傳感器探測范圍的信息用來構(gòu)造局 部區(qū)域，如果目標即將穿行這些區(qū)域，區(qū)域范圍由相關節(jié)點的探測邊界構(gòu)成圓的交叉弧來 確定。按照目標通行的序列，將目標穿行所有區(qū)域的最少直線片段路徑定義為目標的運動 軌跡。然而這種方法屬于集中式方案，計算復雜度高，另外不是實時運行的，存在收集信息 和融合數(shù)據(jù)的較大時延。因此，設計計算量小、定位精度高的目標跟蹤方法，對于自組織傳感器網(wǎng)絡的應用 來說具有重要意義。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種在二值傳感器自組網(wǎng)系統(tǒng)下實現(xiàn)目標跟蹤的方法。根 據(jù)計算幾何理論，基于三圓交集方法來計算被跟蹤目標的位置，使得計算量大大減少，同時 定位精度也有較大幅度的提高。所謂二值(Binary)探測是指將傳感器讀數(shù)轉(zhuǎn)化為發(fā)現(xiàn)目標與否的離散值(0或 1)，例如常見的微型地面微震動加速度傳感器、聲響傳感器、磁性傳感器等都具有這種二值 探測的物理屬性。通過這種二值探測傳感器構(gòu)成簡單和實用化的傳感器網(wǎng)絡系統(tǒng)，實現(xiàn)目 標跟蹤的功能。具有二值探測特性的單個微型傳感器對于目標狀態(tài)擁有有限的信息，因而 需要借助網(wǎng)絡化技術(shù)來實現(xiàn)協(xié)作式的目標跟蹤。很多傳感器都具有這種二值探測的屬性，當運動目標在一定距離范圍內(nèi)接近傳感 器時，會產(chǎn)生明顯的信號變化，表明目標的存在和出現(xiàn)，要設置閾值來消除可能存在的信號 噪聲。利用二值傳感器網(wǎng)絡實現(xiàn)對運動目標的跟蹤，具有很多優(yōu)點，實用性能好。當目標信 噪比大時，二值探測的可靠性好，設計的系統(tǒng)穩(wěn)定、可靠，能降低目標跟蹤系統(tǒng)的漏警率和
虛警率。如果傳感器網(wǎng)絡監(jiān)測區(qū)域內(nèi)的任何一點都能被k個傳感器節(jié)點所監(jiān)測，稱網(wǎng)絡是 k_覆蓋的，或者稱網(wǎng)絡的覆蓋度為k。目標跟蹤系統(tǒng)通常是一對一系統(tǒng)，即一個探測器僅連 續(xù)瞄準和跟蹤一個目標。如果要實現(xiàn)對目標進行精確跟蹤和定位，必須實現(xiàn)節(jié)點被3度覆 蓋，即至少存在三個傳感器探測節(jié)點能對目標同時進行探測，否則對于監(jiān)測目標僅能起到 發(fā)現(xiàn)和預警的功能。本發(fā)明的特征在于針對具有二值探測特性的傳感器網(wǎng)絡，基于三圓交集方法來 設計一種協(xié)作分布式的目標跟蹤方法，以簡潔方式計算傳感器網(wǎng)絡節(jié)點三個探測圓的公共 交叉弧段的中間點，以此作為目標坐標。該方法的特點在于實現(xiàn)了目標跟蹤的精度和計算 代價兩種指標的均衡優(yōu)化，不僅計算量小，適用于低功耗的傳感器網(wǎng)絡，而且定位精度高。本發(fā)明的方法內(nèi)容已經(jīng)在具有ZigBee無線自組網(wǎng)功能的微震動加速度傳感器的節(jié)點上實現(xiàn)。傳感器網(wǎng)絡系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)包括分布式傳感器節(jié)點、匯聚節(jié)點和任務管理后臺程序。傳感器節(jié)點具有網(wǎng)絡終端和路由的雙重功能一方面實現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集和處理；另 一方面實現(xiàn)數(shù)據(jù)的融合和路由，對本身采集的數(shù)據(jù)和收到的其它節(jié)點發(fā)送的數(shù)據(jù)進行綜 合，轉(zhuǎn)發(fā)給網(wǎng)關節(jié)點。傳感器網(wǎng)絡節(jié)點由處理器單元、無線傳輸單元、傳感器單元和電源管 理單元四部分組成。本發(fā)明提供的方法所需的條件和相應措施如下(1)用于跟蹤運動目標的傳感器節(jié)點具有與鄰居節(jié)點之間進行無線通信能力，無 線通信能力是通常自組網(wǎng)傳感器節(jié)點都具有的無線功能。采用CC2420無線通信芯片，運行具有短距離通信功能的ZigBee協(xié)議，做到網(wǎng)絡節(jié) 點之間自組織成網(wǎng)。設計的節(jié)點無線傳輸單元主要提供物理層數(shù)據(jù)服務和物理層管理服 務，物理層數(shù)據(jù)服務從無線信道上收發(fā)數(shù)據(jù)，管理服務維護一個物理層相關數(shù)據(jù)組成的數(shù) 據(jù)庫，包括以下服務隨時激活和休眠無線收發(fā)單元；對無線信道的能量進行檢測，為網(wǎng)絡 層提供信道選擇依據(jù)；收發(fā)數(shù)據(jù)。(2)需要傳感器能夠判定一個運動目標是否在它的最大探測距離范圍之內(nèi)。如果 傳感器的探測感知半徑為R，當目標與傳感器的距離小于R時，傳感器讀數(shù)為“1”表示發(fā)現(xiàn) 目標；當目標與傳感器的距離大于R時，傳感器讀數(shù)為“0”表示未發(fā)現(xiàn)目標。采用ADXL202微震動傳感器，輸出數(shù)字信號，其脈寬占空比與兩根傳感軸各自所 感受到的加速度成正比。加速度傳感器ADXL202是AD公司的兩維數(shù)字加速度傳感器，工作 溫度為-40°C 85°C，采用先進的MEMS技術(shù)，測量震動加速度和靜態(tài)加速度。根據(jù)這種傳 感器的占空比和電阻器值計算出的加速度值，并且取兩個軸向上的加速度矢量和的數(shù)值作 為最終的有效信號數(shù)據(jù)，能設計和判斷出目標的震動信號量值的大小，區(qū)分目標是否位于 它的最大探測范圍之內(nèi)。(3)至少存在三個傳感器探測節(jié)點能對目標同時進行探測，即傳感器網(wǎng)絡監(jiān)測區(qū) 域的覆蓋度大于或等于3。(4)傳感器網(wǎng)絡節(jié)點通過人工方式或者GPS技術(shù)已完成定位，即已知傳感器網(wǎng)絡 節(jié)點的自身坐標值。本發(fā)明的效果在于這種目標跟蹤分布式方法避免直接求解二元二次方程的浮點 計算量大的問題，適用于低功耗的傳感器網(wǎng)絡節(jié)點，另外它比傳統(tǒng)的加權(quán)平均法在誤差方 面減少了許多，定位運動目標的精度能滿足實用化的需求。因此，它在目標定位的精度和計 算代價兩種指標方面實現(xiàn)均衡優(yōu)化。這種方法適用于戶外部署的傳感器網(wǎng)絡系統(tǒng)，特別適 用于關鍵路段或區(qū)域內(nèi)的目標監(jiān)測任務，能實現(xiàn)對運動車輛或人員的跟蹤。附圖1是采用三圓交集方法實現(xiàn)目標跟蹤的原理示意圖。具體而言，本發(fā)明提供 的目標跟蹤方法，依次包括以下實施階段和步驟步驟1.傳感器網(wǎng)絡系統(tǒng)的部署、初始化和信息更新通過人工埋設或機器布撒的方式部署整個網(wǎng)絡系統(tǒng)，由網(wǎng)關節(jié)點將信息匯聚到監(jiān) 控中心的計算機。每個網(wǎng)絡節(jié)點的體系結(jié)構(gòu)包括傳感器模塊、處理器模塊、無線收發(fā)模塊和 能量供應模塊四部分組成。微處理器采用C8051F121，無線通信芯片采用CC2420，傳感器芯 片采用ADXL202微震動傳感器，采用電池供電。CC2420的載波頻率是2. 4GHz，每個網(wǎng)絡節(jié) 點利用載波檢測多路存取/碰撞避免(CSMA/CA)退避機制來獲取無線信道。
在系統(tǒng)部署后執(zhí)行網(wǎng)絡初始化，每個網(wǎng)絡節(jié)點構(gòu)建它的鄰居列表和向鄰節(jié)點通報 自身的坐標，鄰居列表信息包括鄰節(jié)點編號(ID)、鄰節(jié)點坐標、鄰節(jié)點產(chǎn)生的目標發(fā)現(xiàn)事件 的1比特狀態(tài)信息標志(用“1/0”表示，“1”表示發(fā)現(xiàn)目標，“0”表示未發(fā)現(xiàn)目標)。每個 網(wǎng)絡節(jié)點的坐標參與后續(xù)的計算。每個網(wǎng)絡節(jié)點周期性地接收與更新它所保存的鄰節(jié)點的 目標發(fā)現(xiàn)信息，同時也將自己發(fā)現(xiàn)目標的信息通告鄰節(jié)點，以協(xié)作方式在本地完成目標位 置的計算。步驟2.傳感器網(wǎng)絡的終端節(jié)點判斷是否觸發(fā)目標位置計算的行為在系統(tǒng)軟件設計中傳感器取90sps的采樣率來實現(xiàn)對目標的監(jiān)測。根據(jù)采集的信 號，每個網(wǎng)絡節(jié)點判斷是否觸發(fā)被跟蹤目標的位置計算。如果滿足如下一種條件，則產(chǎn)生觸 發(fā)計算操作1)每個網(wǎng)絡節(jié)點的鄰居列表中已有兩個鄰節(jié)點的目標到達狀態(tài)標志為“1”，而目 標此刻正進入這個網(wǎng)絡節(jié)點的探測范圍；2)當有目標進入每個網(wǎng)絡節(jié)點的探測范圍時，在這個網(wǎng)絡節(jié)點的鄰居列表中，已 存在目標到達狀態(tài)標志為“1”的鄰節(jié)點數(shù)量超過2個，此時依據(jù)鄰節(jié)點的ID編號，按由小 到大的順序，選擇兩個鄰節(jié)點，作為三圓交集計算的基礎，即這兩個鄰節(jié)點的坐標參與后續(xù) 的計算。步驟3.目標位置計算如果每個網(wǎng)絡節(jié)點滿足上述的觸發(fā)條件之一，則根據(jù)三圓交集方法計算出目標的 位置。三圓交集方法的過程包括當目標依次進入三個傳感器節(jié)點的探測范圍時，先計算附 圖1所示的第三個傳感器節(jié)點探測圓s3分別與第一個傳感器探測圓Si、第二個傳感器探測 圓s2的4個交點坐標，然后分別判定這4個交點與三個圓心的距離是否等于或小于探測圓 半徑，其中有2個交點是等于或小于圓半徑，這2個交點被選擇為三圓共同相交弧的兩個端 點a和b，最后計算這兩個端點形成的線段的中間點，以此作為目標在該時刻所處的估計位 置。步驟4.目標跟蹤信息的匯總觸發(fā)目標位置計算的傳感器節(jié)點將步驟3的計算結(jié)果，通過最短路由發(fā)送回傳感 器網(wǎng)絡的網(wǎng)關匯聚節(jié)點，并傳輸給監(jiān)控中心的計算機，匯總目標跟蹤的位置計算結(jié)果，形成 被跟蹤目標的運動軌跡。本系統(tǒng)采用Visual Basic設計PC機上的圖形界面處理程序。計算機采用串口和 11520Baud/s的波特率與網(wǎng)絡節(jié)點傳輸數(shù)據(jù)，以圖形的方式顯示機動目標的印跡。另外，上 位機界面軟件以數(shù)據(jù)庫文件的形式在后臺保存原始數(shù)據(jù)，供分析使用。本發(fā)明提供的運動目標跟蹤方法，其特征在于，在微型傳感器組成的網(wǎng)絡系統(tǒng)中， 實現(xiàn)目標跟蹤的精度和計算代價兩種指標的均衡優(yōu)化，不僅計算量小，而且定位精度高，比 傳統(tǒng)方法明顯地減少了誤差。下面結(jié)合附圖進一步詳細說明本發(fā)明的具體實施例。


圖1是二值傳感器自組網(wǎng)采用三圓交集方法實現(xiàn)目標跟蹤的原理示意圖；圖2是傳感器網(wǎng)絡目標跟蹤系統(tǒng)的部署設計示意7
圖3是二值傳感器網(wǎng)絡系統(tǒng)實現(xiàn)目標跟蹤的統(tǒng)計結(jié)果示意圖；圖4是基于二值傳感器自組網(wǎng)的目標跟蹤試驗系統(tǒng)部署實施例。
具體實施例方式參考附圖更詳細地描述了本發(fā)明的某些實施例。附圖1是根據(jù)傳感器二值感知特性進行目標跟蹤定位的示例圖，局部網(wǎng)絡由以S” S2、S3為圓心的三個傳感器節(jié)點組成，它們的探測區(qū)域分別是X、Y和Z，假定它們具有統(tǒng)一 的探測半徑。當被跟蹤的目標沿箭頭曲線從監(jiān)測區(qū)域穿行時，~、4、^、^、‘慫分別表示 目標在運動過程中的6個特定位置，即目標進入/退出某一傳感器節(jié)點的探測范圍。這里在、、t2、t3時亥lj，目標依次進入傳感器節(jié)點SpS2、S3的探測范圍，觸發(fā)傳感器 輸出目標到達的信號，即標志為“1” ；在t4、t5、t6時刻，當目標依次脫離傳感器s” s2、s3的 探測范圍時，觸發(fā)傳感器輸出目標丟失的信號，即標志為“0”。一旦目標進入Z區(qū)域時，它就符合3-覆蓋的條件，即可實現(xiàn)目標位置的估計。由 于附圖1是傳感器網(wǎng)絡k-覆蓋監(jiān)測區(qū)域內(nèi)的示例片段，實際上在目標連續(xù)跟蹤過程中，如 果目標進入X區(qū)域，在觸發(fā)點Ai處也能根據(jù)前面的鄰節(jié)點信息來對目標的當前位置進行計 算。這里仍然以目標進入Z區(qū)域、在觸發(fā)點A3處的到達時刻t3為例，闡述三圓交集方 法實現(xiàn)目標位置計算的原理。如果傳感器網(wǎng)絡節(jié)點的通信半徑遠大于探測半徑R，保證節(jié)點只需一跳即可與鄰 居節(jié)點進行無線通信，這在實際應用中通常是滿足的。在本系統(tǒng)中，CC2420芯片的無線通 信距離是100米左右，微震動傳感器ADXL202的最大量程盡管可以達到300米，但在通常情 況下的有效探測距離是在幾十米以內(nèi)，因而能滿足目標跟蹤的條件。由附圖1看出圓SpS2、S3的交集是圓弧ab，點a和點b是它的兩個端點，這是三個 傳感器探測區(qū)域的公共邊界。如果弧ab的中心點是點c，即附圖1中的五角星標記(★)， 以該點作為被定位目標的坐標，記作(xT，yT)。關鍵在于通過簡潔方式來獲得該點的坐標， 無需整個網(wǎng)絡的時間同步，使得在付出很小的計算代價條件下，得到較高的定位精度，是本 發(fā)明的關鍵所在。求解點c的坐標是通過先計算弧ab的端點a、b的位置，已知三個傳感器節(jié)點S:、 S2、S3的坐標分別是(Xl，yi)、(x2，y2)、(x3，y3)，兩端點的坐標分別記作(xa，ya)、(xb，yb)，則 根據(jù)幾何關系得出下列聯(lián)立方程 直接精確求解上述的二元二次方程組(1)和(2)，它們的浮點計算量會很大，計算 代價高，在低功耗的嵌入式系統(tǒng)上實現(xiàn)起來非常困難。這里采用一種三圓交集判別法來計算端點a和b的坐標，只需很少的計算量。通常計算圓弧ab的中心點c的坐標比較費周折，考慮到造成的誤差不大，這里選 取以端點a和b連線的線段的中間點，近似取作c點坐標，并以此作為被跟蹤目標的估計位 置。因此，目標坐標(xT，yT)由下式計算得出 如果網(wǎng)絡覆蓋度大于3，即在網(wǎng)絡的局部區(qū)域內(nèi)目標運動能被3個以上的傳感器 節(jié)點探測發(fā)現(xiàn)，則設定第三個節(jié)點根據(jù)發(fā)現(xiàn)序列中的前兩個傳感器節(jié)點來計算目標位置。 盡管考慮目標探測量程內(nèi)的傳感器節(jié)點數(shù)目越多，則目標位置估算的精度會越高，但同時 會帶來計算量上的激增和處理的復雜性。因此，基于目標發(fā)現(xiàn)隊列中的三個圓來計算目標 位置，使得跟蹤方法具有更好的簡潔性，同時定位精度也能滿足實用要求。附圖2是傳感器網(wǎng)絡目標跟蹤系統(tǒng)的部署設計示意圖。傳感器節(jié)點通過自組織方 式構(gòu)成無線網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)，以協(xié)作方式實現(xiàn)網(wǎng)絡覆蓋區(qū)域內(nèi)目標跟蹤信息的采集和處理。在傳 感器網(wǎng)絡的監(jiān)測區(qū)域內(nèi)，傳感器節(jié)點對被跟蹤的目標進行位置計算，將結(jié)果報告給網(wǎng)關匯 聚節(jié)點，最終由監(jiān)控管理中心的計算機負責計算給出目標的完整運動軌跡。具體目標跟蹤的步驟實施例如下步驟1.傳感器網(wǎng)絡系統(tǒng)的部署、初始化和信息更新。通過人工埋設或機器布撒的方式部署整個網(wǎng)絡系統(tǒng)，由網(wǎng)關節(jié)點將信息匯聚到監(jiān) 控中心的計算機。節(jié)點的體系結(jié)構(gòu)包括傳感器模塊、處理器模塊、無線收發(fā)模塊和能量供應 模塊四部分組成。網(wǎng)絡終端節(jié)點的微操作系統(tǒng)軟件設計包括功能需求分析、任務劃分和優(yōu) 先級分配，任務之間采用適當?shù)耐ㄓ嵑屯椒绞?。微處理器采用C8051F121，無線通信芯片 采用CC2420，節(jié)點利用載波檢測多路存取/碰撞避免(CSMA/CA)退避機制來獲取信道。在初始化過程中，每個網(wǎng)絡節(jié)點構(gòu)建它的鄰居列表和向鄰節(jié)點通報自身的坐標， 列表信息包括鄰節(jié)點編號ID、鄰節(jié)點坐標、鄰節(jié)點產(chǎn)生的目標發(fā)現(xiàn)事件的1比特狀態(tài)信息 標志(1/0)。本節(jié)點坐標作為(x3，y3)，參與后續(xù)的計算。節(jié)點周期性地接收與更新它所保 存的鄰節(jié)點的目標發(fā)現(xiàn)狀態(tài)信息，同時也將自己發(fā)現(xiàn)目標的狀態(tài)信息通告鄰節(jié)點，以協(xié)作 方式在本地完成目標位置的計算。步驟2.節(jié)點判斷是否觸發(fā)被跟蹤目標的位置計算，觸發(fā)條件如下1)節(jié)點的鄰居列表信息中已有兩個鄰節(jié)點的目標到達狀態(tài)標志為“1”，目標此刻 正進入本節(jié)點的探測范圍；2)當有目標進入本節(jié)點的探測范圍時，鄰居列表信息中已存在目標到達狀態(tài)標志 為“1”的鄰節(jié)點數(shù)量超過2個，此時依據(jù)鄰節(jié)點ID編號，按由小到大順序從中選擇兩個鄰 節(jié)點，作為三圓交集計算的基礎，即它們的坐標(Xl，yi)、(x2，y2)參與后續(xù)的計算。在系統(tǒng)設計中，ADC的轉(zhuǎn)換速度非常關鍵，太慢可能捕捉不到車輛等機動目標的震 動信號，太快又會加大系統(tǒng)的負荷，浪費傳感器節(jié)點本來就有限的能量，因而要通過計算得 出一個中間的平衡采樣率。取一個中間車速100km/h，即在Is內(nèi)車輛可以前進27. 8m，按車 輛前進lm探測三個點計算的話，得出系統(tǒng)的采樣率為83. 4。本系統(tǒng)在軟件設計中取90sps的采樣率來實現(xiàn)。 步驟3.如果滿足觸發(fā)條件，節(jié)點在本地以分布式方式根據(jù)三圓交集方法來計算 目標位置，即先計算附圖1所示的圓S3分別與圓Si、圓S2的4個交點坐標，然后根據(jù)式(1) 和式(2)，分別判定交點與三個圓心的距離是否等于或小于圓半徑，最后從中選擇出三圓共 同相交弧的兩個端點，作為點a和點b的坐標。
該步驟的具體計算過程如下
。定義下列變量符號 則 2)兩圓相交的交點坐標記作(x' ，y' )、(x〃，y")，計算如下
3)根據(jù)式⑴和式⑵的判定條件，分別判定交點(x'，y' )、(x"，y")與三 個圓心的距離是否等于或小于圓半徑，選擇其中符合條件之一者，作為三圓交集的一個弧 端點，如a點(xa, ya)。4)將x2、y2取代過程1)開始處的Xl、yi，重復上述計算流程，得到三圓交集的另一 個弧端點，如b點(xb，yb)。5)平均a點和b點的坐標，作為目標坐標的近似估算，如式(3)所示。步驟4.觸發(fā)目標位置計算的節(jié)點將步驟3的計算結(jié)果，通過最短路由發(fā)送回傳感 器網(wǎng)絡的網(wǎng)關匯聚節(jié)點。監(jiān)控管理中心的主機負責收集各節(jié)點的目標跟蹤結(jié)果，形成被跟 蹤目標的運動軌跡。對于網(wǎng)絡系統(tǒng)上位機，本系統(tǒng)采用Visual Basic設計PC機上的圖形界面處理程 序。計算機采用串口和11520Baud/S的波特率與網(wǎng)絡節(jié)點傳輸數(shù)據(jù)，以圖形的方式顯示機 動目標的印跡，形象且直觀。另外，上位機軟件以數(shù)據(jù)庫文件的形式在后臺保存原始數(shù)據(jù)， 供分析使用。為了實際檢驗本發(fā)明所提供方法的性能，我們設計了具有ZigBee網(wǎng)絡功能的震 動傳感器節(jié)點，主要根據(jù)傳感器節(jié)點部署的條件，保證在符合運行的網(wǎng)絡條件下，評估目標 跟蹤定位計算的效果。圖3是二值傳感器網(wǎng)絡系統(tǒng)實現(xiàn)目標跟蹤的統(tǒng)計結(jié)果示意圖。傳感器網(wǎng)絡是由SI S7這7個傳感器節(jié)點組成，被跟蹤目標沿箭頭曲線從網(wǎng)絡偵測區(qū)域通過，星點是被測 目標在運動過程中的6個特定位置，即目標進入/退出某一傳感器節(jié)點的探測范圍，旗形標 點表示利用本專利提供的方法對通過目標進行定位的估值位置。附圖4是基于二值傳感器自組網(wǎng)的目標跟蹤試驗平臺部署的一個實施例，設定被 跟蹤的目標沿直線穿過傳感器網(wǎng)絡部署的局部區(qū)域，這樣便于評估方法的性能。實際上目 標可以沿任意路徑進行運動，并能被傳感器節(jié)點跟蹤定位的。上述提到的目標跟蹤加權(quán)平均法，與本發(fā)明提供的方法相比在計算代價方面均較 小，因而它們具有性能上的可比較性。性能指標主要是目標位置計算的誤差。試驗統(tǒng)計表明，本發(fā)明提供的方法與傳統(tǒng)的加權(quán)平均法在目標跟蹤精度上的平均 的相對誤差比值是15. 8 %，前者比后者在誤差方面減少了的平均比率是83. 1 %，因而在目 標跟蹤的定位精度方面具有明顯的優(yōu)勢。由于實用的目標跟蹤系統(tǒng)在計算量和定位精度兩 個指標方面要求較高，這里的方法恰好符合這兩個指標的要求，因而它具有潛在的實用效^ o以上所述為本發(fā)明較佳的主要實施過程，并非用來限定本發(fā)明的實施范圍；凡是 依本發(fā)明所作的等效變化和修改，也為本發(fā)明專利范圍所涵蓋。
1權(quán)利要求
一種基于二值傳感器自組網(wǎng)的目標跟蹤方法，其特征在于如果在二值微型傳感器自組網(wǎng)系統(tǒng)部署的覆蓋區(qū)域內(nèi)，所有傳感器節(jié)點具有相同的探測半徑，運動目標能被3個或以上的傳感器節(jié)點探測發(fā)現(xiàn)，則通過自組網(wǎng)提供的網(wǎng)內(nèi)探測信息，第三個節(jié)點根據(jù)目標發(fā)現(xiàn)序列中的前兩個傳感器節(jié)點提供的信息，計算出目標的位置；實現(xiàn)上述操作過程的步驟如下步驟1.網(wǎng)絡系統(tǒng)部署、初始化和信息更新通過人工埋設或機器布撒的方式部署微型化傳感器的網(wǎng)絡系統(tǒng)，在硬件部署后執(zhí)行網(wǎng)絡系統(tǒng)的初始化，進入目標監(jiān)測狀態(tài)；每個網(wǎng)絡節(jié)點通過無線通信方式，構(gòu)建它的鄰居列表和向鄰節(jié)點通報自身的坐標，鄰居列表信息包括鄰節(jié)點編號、鄰節(jié)點坐標、鄰節(jié)點產(chǎn)生的目標發(fā)現(xiàn)事件的狀態(tài)信息標志；每個網(wǎng)絡節(jié)點周期性地接收與更新它所保存的鄰節(jié)點的目標發(fā)現(xiàn)信息，同時也將自己發(fā)現(xiàn)目標的信息通告給鄰節(jié)點，以協(xié)作方式在本地完成目標位置的計算任務；步驟2.傳感器網(wǎng)絡的終端節(jié)點判斷是否觸發(fā)目標位置計算的行為如果滿足如下一種條件，則產(chǎn)生觸發(fā)計算操作(1)在每個網(wǎng)絡節(jié)點的鄰居列表中，已有兩個鄰節(jié)點具有目標到達狀態(tài)標志，而目標此刻正進入這個網(wǎng)絡節(jié)點的探測范圍；(2)當有目標進入每個網(wǎng)絡節(jié)點的探測范圍時，如果這個網(wǎng)絡節(jié)點的鄰居列表中已具有目標到達狀態(tài)標志的鄰節(jié)點數(shù)量超過2個，則依據(jù)鄰節(jié)點的編號，按由小到大的順序，從中選擇兩個鄰節(jié)點，作為三圓交集計算的基礎，這兩個鄰節(jié)點的坐標參與后續(xù)的計算；步驟3.目標位置計算每個網(wǎng)絡節(jié)點如果滿足上述觸發(fā)條件之一，則根據(jù)三圓交集方法計算目標的當前位置；三圓交集方法的過程包括當目標依次進入三個傳感器節(jié)點的探測范圍時，先計算第三個傳感器節(jié)點探測圓S3分別與第一個傳感器探測圓S1、第二個傳感器探測圓S2的4個交點坐標，然后分別判定這4個交點與三個圓心的距離是否等于或小于探測圓半徑，其中有2個交點是等于或小于圓半徑，這2個交點被選擇為三圓共同相交弧的兩個端點a和b，最后計算這兩個端點形成的線段的中間點，以此作為目標在該時刻所處的估計位置；步驟4.目標跟蹤信息的匯總觸發(fā)目標位置計算的傳感器節(jié)點將步驟3的計算結(jié)果，通過最短路由發(fā)送回傳感器網(wǎng)絡的網(wǎng)關匯聚節(jié)點，并傳輸給監(jiān)控中心的計算機，匯總目標跟蹤的位置計算結(jié)果，形成被跟蹤目標的運動軌跡。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種基于二值傳感器自組網(wǎng)的目標跟蹤方法，本發(fā)明采用的目標跟蹤方法，首先在現(xiàn)場部署傳感器網(wǎng)絡系統(tǒng)，進行網(wǎng)絡初始化和信息更新，然后傳感器網(wǎng)絡節(jié)點判斷是否觸發(fā)位置計算，如果滿足觸發(fā)條件，節(jié)點在本地計算出目標的位置，并將計算結(jié)果通過最短路由發(fā)送回傳感器網(wǎng)絡系統(tǒng)的網(wǎng)關匯聚節(jié)點，最后由監(jiān)控管理中心的計算機負責收集各節(jié)點的目標跟蹤結(jié)果，形成被跟蹤目標的運動軌跡。該方法的特點在于震動傳感器以自組網(wǎng)方式形成網(wǎng)絡化系統(tǒng)，實現(xiàn)目標跟蹤的精度和計算代價兩種指標的優(yōu)化，不僅避免計算量大的問題，而且定位精度高。本方法也適用于戶外部署的其他二值型探測傳感器組成的網(wǎng)絡系統(tǒng)，實現(xiàn)對運動車輛或人員的跟蹤。
文檔編號G01S5/14GK101865993SQ20091018507
公開日2010年10月20日 申請日期2009年10月30日 優(yōu)先權(quán)日2009年10月30日
發(fā)明者劉綦, 史久根, 周強, 崔遜學, 李琴, 汪濤, 胡成, 邢立軍 申請人:中國人民解放軍炮兵學院