專利名稱：基于粒子濾波無線傳感器網(wǎng)絡(luò)目標(biāo)預(yù)測跟蹤方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及- -種無線傳感器網(wǎng)絡(luò)自適應(yīng)采樣目標(biāo)跟蹤方法，具體涉及一種 基于粒子濾波無線傳感器網(wǎng)絡(luò)目標(biāo)預(yù)測跟蹤方法。
背景技術(shù)：
無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是新一代傳感器網(wǎng)絡(luò)，具有非常廣闊的應(yīng)用前景，它由大 量隨機(jī)分布的小體積、低成本、低功耗的傳感器節(jié)點(diǎn)通過自組織的方式形成的 分布式網(wǎng)絡(luò),它能實(shí)時(shí)地感知、采集和監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)覆蓋區(qū)域中被監(jiān)測對象的信息， 在環(huán)境監(jiān)測、目標(biāo)跟蹤、國防軍事、交通管理等很多領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。目標(biāo)
跟蹤是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的研究熱點(diǎn)之一,它通過傳感器節(jié)點(diǎn)對活動R標(biāo)進(jìn)行協(xié) 向觀測，利用多個(gè)節(jié)點(diǎn)的觀測值估計(jì)tl標(biāo)位置，通過采用軌跡預(yù)測、濾波等技 術(shù)，對活動目標(biāo)的位置、移動方向及速度等方面進(jìn)行實(shí)吋估計(jì)，實(shí)現(xiàn)對目標(biāo)的 動態(tài)跟蹤，它要求l《標(biāo)跟蹤方法具冇良好的準(zhǔn)確度和低失跟率。F"1前，國內(nèi)外 對WSN的目標(biāo)跟蹤機(jī)制進(jìn)行了廣泛研究，大部分通過擴(kuò)展卡爾曼濾波或粒于 濾波實(shí)現(xiàn)運(yùn)動目標(biāo)狀態(tài)估計(jì)?？紤]到WSN測量能量有效性，傳感節(jié)點(diǎn)通常采 用休眠/喚醒機(jī)制，這涉及跟蹤過程目標(biāo)狀態(tài)預(yù)測和傳感節(jié)點(diǎn)的喚醒策略?；?于預(yù)測喚醒的跟蹤方法通過已知信息預(yù)測下一時(shí)刻目標(biāo)可能出現(xiàn)的位置，喚醒 預(yù)測區(qū)域傳感節(jié)點(diǎn)，并在目標(biāo)離開后休眠當(dāng)前監(jiān)測區(qū)域節(jié)點(diǎn)，跟蹤具有一定的 可靠性和能效性。
國內(nèi)專利號為CN200710164468.4的一種基于預(yù)測的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)目標(biāo) 跟蹤方法，根據(jù)目標(biāo)運(yùn)動的3前測量數(shù)據(jù)或者歷史測量數(shù)據(jù)確定目標(biāo)的運(yùn)動特 征，結(jié)合H標(biāo)的、與前信息預(yù)測H標(biāo)的未來位置以及下一監(jiān)控節(jié)點(diǎn)的喚醒時(shí)刻， 并且在目標(biāo)位置預(yù)測失敗時(shí)，網(wǎng)絡(luò)根據(jù)目標(biāo)的運(yùn)動歷史記錄和先驗(yàn)知識逐級啟
4動預(yù)測失敗恢復(fù)過程。國內(nèi)專利號為CN 200810048967.1的基于雙層預(yù)測機(jī)制 的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)目標(biāo)跟蹤方法，傳感器網(wǎng)絡(luò)基于層次型無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，該 傳感器網(wǎng)絡(luò)由SN節(jié)點(diǎn)和CH節(jié)點(diǎn)組成，SN節(jié)點(diǎn)采用Bayes估計(jì)方法進(jìn)行目標(biāo) 位置的微觀預(yù)測；CH節(jié)點(diǎn)融合SN節(jié)點(diǎn)的結(jié)果得到的目標(biāo)位置的觀測值；CH 節(jié)點(diǎn)進(jìn)行基于曲線運(yùn)動方程的目標(biāo)位置宏觀預(yù)測，得到目標(biāo)位置的估計(jì)值CH 節(jié)點(diǎn)將目標(biāo)位置的觀測值和估計(jì)值進(jìn)行線性擬合，求解最后的目標(biāo)跟蹤位置。 國內(nèi)專利號為CN200810103125.1的一種無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的目標(biāo)跟蹤方法，移 動錨ii'點(diǎn)通過GPS進(jìn)行定位并廣播定位信息，無線傳感器巧'點(diǎn)用于接收定位信 息，比較各定位信息的接收信號強(qiáng)度值，選擇具有最大強(qiáng)度值的定位信息，存 儲其中的位置坐標(biāo)；并存儲其余任一定位信息中的位置坐標(biāo)；并判斷是否獲得 足夠的用于計(jì)算其自身位置的位置坐標(biāo)，計(jì)算得到其自身位置。
綜上所述預(yù)測位置誤差容易導(dǎo)致H標(biāo)失跟，且預(yù)測區(qū)域被喚醒的兀余節(jié)點(diǎn) 將造成不必要能量損耗。

發(fā)明內(nèi)容
為解決上述屮存在的問題與缺陷，本發(fā)明提供了 -種基于粒子濾波無線傳 感器網(wǎng)絡(luò)H標(biāo)預(yù)測跟蹤方法。
本發(fā)明是通過以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的
本發(fā)明所涉及的一種基于粒子濾波無線傳感器網(wǎng)絡(luò)目標(biāo)預(yù)測跟蹤方法，包
括
自組織形式為單點(diǎn)式網(wǎng)絡(luò)中，當(dāng)前時(shí)刻目標(biāo)的跟隨節(jié)點(diǎn)通過濾波預(yù)測目標(biāo) 狀態(tài)，作為喚醒下一時(shí)刻跟隨節(jié)點(diǎn)的依據(jù)；
根據(jù)預(yù)測位置與3前真實(shí)位置的關(guān)系，判斷目標(biāo)預(yù)測位置是否落在3前跟 隨節(jié)點(diǎn)的喚醒范圍之外；
目標(biāo)預(yù)測位置落在當(dāng)前跟隨節(jié)點(diǎn)的喚醒范圍之外，則調(diào)整釆樣時(shí)間；
對調(diào)整的采樣時(shí)間重新進(jìn)行濾波預(yù)測；喚醒下一時(shí)刻預(yù)測位置附近的節(jié)點(diǎn)并作為所述下一時(shí)刻的跟隨節(jié)點(diǎn)。 本發(fā)明提供的技術(shù)方案的有益效果是
某個(gè)采樣時(shí)刻目標(biāo)預(yù)測位置落在跟隨節(jié)點(diǎn)的喚醒范圍之外時(shí)，通過調(diào)整的 采樣吋間來重新進(jìn)行粒子濾波預(yù)測，預(yù)測位置用于喚醒下一時(shí)刻跟隨目標(biāo)的跟 隨節(jié)點(diǎn)，從而增強(qiáng)目標(biāo)狀態(tài)預(yù)測在目標(biāo)跟蹤中的作用，減小目標(biāo)預(yù)測位置較大 偏移值對預(yù)先喚醒節(jié)點(diǎn)的影響，有效減少目標(biāo)跟蹤的失跟率。


圖l是目標(biāo)跟蹤方法流程圖2是目標(biāo)跟蹤方法具體實(shí)現(xiàn)流程圖3是自適應(yīng)采樣時(shí)間的目標(biāo)跟蹤示意圖。
具體實(shí)施例方式
為使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點(diǎn)更加清楚，下面將結(jié)合附圖對本發(fā)明 頭'施力'式作進(jìn)-步地詳細(xì)描述
本實(shí)施例提供了--種基于粒子濾波無線傳感器網(wǎng)絡(luò)口標(biāo)預(yù)測跟蹤方法，該 方法利用自適應(yīng)采樣進(jìn)行粒子濾波來預(yù)測目標(biāo)狀態(tài)，喚醒預(yù)測位置附近包含最 大信息量的傳感節(jié)點(diǎn)并休眠當(dāng)前節(jié)點(diǎn)，并且每個(gè)采樣時(shí)刻只喚醒單個(gè)預(yù)測節(jié)點(diǎn) 以減少冗余節(jié)點(diǎn)。
參見圖l，該方法主要包括以下步驟
步驟IOI當(dāng)前時(shí)刻目標(biāo)的跟隨節(jié)點(diǎn)通過粒子濾波預(yù)測目標(biāo)預(yù)測位置和預(yù) 測速度，作為喚醒下一時(shí)刻跟隨節(jié)點(diǎn)的依據(jù)。
步驟102計(jì)算預(yù)測位置與當(dāng)前真實(shí)位置的距離，判斷目標(biāo)預(yù)測位置是否落 在當(dāng)前跟隨節(jié)點(diǎn)的喚醒范圍之內(nèi)。
步驟103目標(biāo)預(yù)測位置落在當(dāng)前跟隨節(jié)點(diǎn)的喚醒范圍之外，則根據(jù)節(jié)點(diǎn)喚 醒半徑與預(yù)測速度的比值調(diào)整采樣時(shí)間。步驟104對調(diào)整的采樣時(shí)間重新進(jìn)行粒子濾波，重新預(yù)測這個(gè)采樣時(shí)刻的 目標(biāo)的狀態(tài)。
步驟105喚醒下一時(shí)刻預(yù)測位置附近包含最大信息收益的節(jié)點(diǎn)并作為所 述下一時(shí)刻的跟隨節(jié)點(diǎn)。
本實(shí)施例首先進(jìn)行目標(biāo)狀態(tài)預(yù)測，計(jì)算預(yù)測位置與當(dāng)前真實(shí)位置的距離 值，若預(yù)測位置落在當(dāng)前頭節(jié)點(diǎn)的喚醒范圍之外，根據(jù)節(jié)點(diǎn)喚醒半徑與預(yù)測速 度的比值來調(diào)整采樣時(shí)間并重新進(jìn)行濾波預(yù)測，以喚醒下一吋刻的跟蹤節(jié)點(diǎn)。
參見圖2，具體實(shí)現(xiàn)方法包括
步驟201:初始化無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，探測區(qū)域內(nèi)的無線傳感器節(jié)點(diǎn)服從隨 機(jī)分布，所有節(jié)點(diǎn)具有相同的通信能力和喚醒能力，采樣時(shí)刻^初始值為0， 網(wǎng)絡(luò)只有少數(shù)節(jié)點(diǎn)處于探測狀態(tài)，其它大部分節(jié)點(diǎn)進(jìn)入休眠狀態(tài)。
步驟202:無線傳感器網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測區(qū)域內(nèi)探測到R標(biāo)，選取距離H標(biāo)最近的
節(jié)點(diǎn)作為當(dāng)前"時(shí)刻的頭節(jié)'點(diǎn)fc ，頭節(jié)點(diǎn)ifc作為當(dāng)前"時(shí)刻被跟蹤n標(biāo)的跟隨 節(jié)點(diǎn)。
歩驟203:頭節(jié)點(diǎn);t負(fù)責(zé)獲取測量值并史新H標(biāo)位置來獲得本地估計(jì)，同
時(shí)進(jìn)行粒子濾波預(yù)測"+1時(shí)刻目標(biāo)狀態(tài)(將下--時(shí)刻喚醒節(jié)點(diǎn)位置近似為H標(biāo) 預(yù)測位置)，目標(biāo)的預(yù)測狀態(tài)包括目標(biāo)的預(yù)測位置和預(yù)測速度兩個(gè)方面，作為 下面進(jìn)行傳感器節(jié)點(diǎn)喚醒的依據(jù)。
步驟204:計(jì)算目標(biāo)預(yù)測位置與傳感器節(jié)點(diǎn)喚醒半徑的距離值，依據(jù)該距
離值判斷目標(biāo)預(yù)測位置與節(jié)點(diǎn)喚醒范圍關(guān)系，存在目標(biāo)預(yù)測位置落在節(jié)點(diǎn)喚醒 范圍內(nèi)和H標(biāo)預(yù)測位置落在節(jié)點(diǎn)喚醒范圍之外兩種情況，針對這兩種不同的情 況進(jìn)行不同的處理。
步驟205:當(dāng)目標(biāo)預(yù)測位置落在節(jié)點(diǎn)喚醒范圍內(nèi)時(shí)，直接選取距離目標(biāo)最 近的節(jié)點(diǎn)成為々+,吋刻頭節(jié)點(diǎn)A+l;當(dāng)目標(biāo)預(yù)測位置落在節(jié)點(diǎn)喚醒范圍之外時(shí)， 預(yù)測位置附近被喚醒的傳感器節(jié)點(diǎn)可能超出當(dāng)前時(shí)刻目標(biāo)跟隨節(jié)點(diǎn)it的有效喚醒范圍，造成目標(biāo)失跟，則需要聯(lián)合預(yù)測速度和喚醒半徑來計(jì)算需要重新預(yù) 測的采樣時(shí)間并進(jìn)行粒子濾波預(yù)測目標(biāo)狀態(tài)，根據(jù)新的預(yù)測位置再選取頭節(jié)點(diǎn)
步驟206:喚醒選取的時(shí)刻頭節(jié)點(diǎn)，打包信息將目標(biāo)狀態(tài)估計(jì)從頭 節(jié)點(diǎn)it發(fā)送到頭節(jié)點(diǎn)先+1，同時(shí)使當(dāng)前時(shí)刻頭節(jié)點(diǎn)A進(jìn)入休眠狀態(tài)； 步驟207:采樣時(shí)刻自加l。
步驟208:重復(fù)步驟201 207步驟，直到目標(biāo)離開探測區(qū)域。 參見圖3，若某一時(shí)刻預(yù)測位置與當(dāng)前位置的距離超出節(jié)點(diǎn)喚醒范圍，無 法有效喚醒節(jié)點(diǎn)將導(dǎo)致目標(biāo)失跟，可見目標(biāo)狀態(tài)預(yù)測對失跟率的影響極大。將
下一吋刻喚醒節(jié)點(diǎn)位置近似為目標(biāo)預(yù)測位置，A為節(jié)點(diǎn)喚醒半徑，設(shè)、時(shí)刻活 動目標(biāo)當(dāng)前位置爿為/A(A，h), U寸刻預(yù)測位置5為L(U^)， A為它們 的距離，則有
L ， A+i) = 4 (A ， h )+v"i d ，) r ( 2 )
將(4)代入(3)，有
A = g(『，v*+1) (3) A與r、 V,成正比關(guān)系。A《i^，預(yù)測位置落在當(dāng)前節(jié)點(diǎn)喚醒范圍內(nèi)；
A ，預(yù)測位置落在當(dāng)前節(jié)點(diǎn)喚醒范圍外。針對A卜&情況，通過聯(lián)合&和
調(diào)整采樣時(shí)間為r (見圖l):
r= /7 2\ 2 (4)
由(4)可見，r是t,的減函數(shù)。依據(jù)r重新進(jìn)行粒子濾波預(yù)測，得到 預(yù)測位置B'為/L(《+pK+,)。在保證網(wǎng)絡(luò)連通和對目標(biāo)區(qū)域全覆蓋時(shí)，若預(yù)測
8位置/L(《+,，K+,)仍落在當(dāng)前節(jié)點(diǎn)喚醒范圍外時(shí)目標(biāo)失跟，設(shè)A+i為^M時(shí)刻目 標(biāo)失跟率，有下式
<formula>formula see original document page 9</formula>及
(7)
A+I=H) (8) 采樣時(shí)間一定時(shí)，/^+1是^+1的增函數(shù)，目標(biāo)運(yùn)動速度越大，失跟率越高; 目標(biāo)速度增大時(shí)，應(yīng)相應(yīng)減小采樣時(shí)間來減小目標(biāo)失跟率。
以上所述，僅為本發(fā)明較佳的具體實(shí)施方式
，但本發(fā)明的保護(hù)范圍并不局 限于此，任何熟悉本技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)人員在本發(fā)明揭露的技術(shù)范圍內(nèi)，可輕易 想到的變化或替換，都應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。因此，本發(fā)明的保護(hù) 范圍應(yīng)該以權(quán)利要求的保護(hù)范圍為準(zhǔn)。
權(quán)利要求
1、基于粒子濾波無線傳感器網(wǎng)絡(luò)目標(biāo)預(yù)測跟蹤方法，其特征在于，該方法包括A自組織形式為單點(diǎn)式網(wǎng)絡(luò)中，當(dāng)前時(shí)刻目標(biāo)的跟隨節(jié)點(diǎn)通過濾波預(yù)測目標(biāo)狀態(tài)，作為喚醒下一時(shí)刻跟隨節(jié)點(diǎn)的依據(jù)；B根據(jù)預(yù)測位置與當(dāng)前真實(shí)位置的關(guān)系，判斷目標(biāo)預(yù)測位置是否落在當(dāng)前跟隨節(jié)點(diǎn)的喚醒范圍之外；C目標(biāo)預(yù)測位置落在當(dāng)前跟隨節(jié)點(diǎn)的喚醒范圍之外，則調(diào)整采樣時(shí)間；D對調(diào)整的采樣時(shí)間重新進(jìn)行濾波預(yù)測；E喚醒下一時(shí)刻預(yù)測位置附近的節(jié)點(diǎn)并作為所述下一時(shí)刻的跟隨節(jié)點(diǎn)。
2、 根據(jù)權(quán)利要求l所述的基于粒子濾波無線傳感器網(wǎng)絡(luò)目標(biāo)預(yù)測跟蹤方 法，其特征在于，其中所述步驟A與步驟B具體包括單點(diǎn)式網(wǎng)絡(luò)中，每個(gè)時(shí)刻 有單個(gè)節(jié)點(diǎn)在跟隨目標(biāo)，該跟隨節(jié)點(diǎn)即為頭節(jié)點(diǎn)，頭節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)獲取測量值并更新目標(biāo)位置來獲得本地估計(jì)，同時(shí)進(jìn)行粒子濾波預(yù)測下--時(shí)刻Fi標(biāo)狀態(tài)，門標(biāo) 的預(yù)測狀態(tài)包括目標(biāo)的預(yù)測位置和預(yù)測速度；所述目標(biāo)預(yù)測位置用于計(jì)算與當(dāng) 前真實(shí)位胃的距離，并將該距離值與節(jié)點(diǎn)喚醒半徑進(jìn)行比較。
3、 根據(jù)權(quán)利要求2所述的基于粒子濾波無線傳感器網(wǎng)絡(luò)U標(biāo)預(yù)測跟蹤方 法，其特征在于，所述目標(biāo)預(yù)測位置與當(dāng)前真實(shí)位置的距離大于或小于節(jié)點(diǎn)喚 醒半徑，當(dāng)其大于節(jié)點(diǎn)喚醒半徑時(shí)，目標(biāo)預(yù)測位置落在，1'1前頭節(jié)點(diǎn)的喚醒范圍之 外，其當(dāng)前預(yù)測狀態(tài)不能用，調(diào)整釆樣時(shí)間，并執(zhí)行所述步驟C;.巧其小于節(jié)點(diǎn)喚醒半徑時(shí)，目標(biāo)預(yù)測位置落在: l前頭節(jié)點(diǎn)的喚醒范圍之 內(nèi)，其當(dāng)前預(yù)測狀態(tài)可用，并執(zhí)行所述步驟E。
4、 根據(jù)權(quán)利要求l所述的基于粒子濾波無線傳感器網(wǎng)絡(luò)H標(biāo)預(yù)測跟蹤方 法，其特征在于，所述步驟C具體包括Ij標(biāo)預(yù)測位置落在3前頭節(jié)點(diǎn)的喚醒范圍之外時(shí)，則根據(jù)傳感節(jié)點(diǎn)喚醒半徑與預(yù)測速度的比值自動調(diào)整采樣時(shí)間， 即減小釆樣時(shí)間以縮小下一時(shí)刻目標(biāo)預(yù)測位置與當(dāng)前真實(shí)位置的距離，減小預(yù) 測位置與當(dāng)前頭節(jié)點(diǎn)的偏移值。
5、 根據(jù)權(quán)利要求l所述的基于粒子濾波無線傳感器網(wǎng)絡(luò)目標(biāo)預(yù)測跟蹤方 法，其特征在于，所述步驟D具體包括當(dāng)原采樣時(shí)間的預(yù)測不能滿足預(yù)測位 置落在當(dāng)前節(jié)點(diǎn)喚醒范圍內(nèi)的要求時(shí)，則重新進(jìn)行粒子濾波預(yù)測調(diào)整后采樣時(shí) 刻的目標(biāo)狀態(tài)，得到新的預(yù)測位置作為有效喚醒下一吋刻傳感節(jié)點(diǎn)的依據(jù)。
6、 根據(jù)權(quán)利要求l所述的基于粒子濾波無線傳感器網(wǎng)絡(luò)目標(biāo)預(yù)測跟蹤方 法，其特征在于，所述步驟E具體包括選取預(yù)測位置附近包含最大信息收益 的節(jié)點(diǎn)作為下一時(shí)刻的跟蹤頭節(jié)點(diǎn)，而且由當(dāng)前頭節(jié)點(diǎn)喚醒所述下一時(shí)刻的頭 節(jié)點(diǎn)并向其發(fā)送當(dāng)前時(shí)刻的目標(biāo)狀態(tài)信息，同時(shí)休眠當(dāng)前頭節(jié)點(diǎn)。
7、 根據(jù)權(quán)利要求6所述的基于粒子濾波無線傳感器網(wǎng)絡(luò)目標(biāo)預(yù)測跟蹤方 法，其特征在于，所述目標(biāo)進(jìn)入探測區(qū)域，并重復(fù)執(zhí)行所述步驟A E，直到目 標(biāo)離開探測區(qū)域。
8、 根據(jù)權(quán)利要求7所述的基于粒子濾波無線傳感器網(wǎng)絡(luò)目標(biāo)預(yù)測跟蹤方 法，其特征在于，所述不同跟蹤過程H標(biāo)的運(yùn)動速度不同，其調(diào)整的釆樣時(shí)間 值也不相同。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種基于粒子濾波無線傳感器網(wǎng)絡(luò)目標(biāo)預(yù)測跟蹤方法，該方法主要包括自組織形式為單點(diǎn)式網(wǎng)絡(luò)中，當(dāng)前時(shí)刻目標(biāo)的跟隨節(jié)點(diǎn)通過濾波預(yù)測目標(biāo)狀態(tài)，作為喚醒下一時(shí)刻跟隨節(jié)點(diǎn)的依據(jù)；根據(jù)預(yù)測位置與當(dāng)前真實(shí)位置的關(guān)系，判斷目標(biāo)預(yù)測位置是否落在當(dāng)前跟隨節(jié)點(diǎn)的喚醒范圍之外；目標(biāo)預(yù)測位置落在當(dāng)前跟隨節(jié)點(diǎn)的喚醒范圍之外，則調(diào)整采樣時(shí)間；對調(diào)整的采樣時(shí)間重新進(jìn)行濾波預(yù)測；喚醒下一時(shí)刻預(yù)測位置附近的節(jié)點(diǎn)并作為所述下一時(shí)刻的跟隨節(jié)點(diǎn)。通過本發(fā)明可以顯著減小預(yù)測位置與當(dāng)前目標(biāo)跟隨節(jié)點(diǎn)的偏差對節(jié)點(diǎn)喚醒結(jié)果的影響，降低無線傳感器網(wǎng)絡(luò)目標(biāo)跟蹤的失跟率。
文檔編號H04W4/02GK101631272SQ200910090978
公開日2010年1月20日 申請日期2009年8月19日 優(yōu)先權(quán)日2009年8月19日
發(fā)明者劉賜沖, 陳岳武 申請人:長訊通信服務(wù)有限公司