有向移動(dòng)傳感器網(wǎng)絡(luò)三維空間路徑自主部署方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種三維環(huán)境下有向傳感器網(wǎng)絡(luò) 路徑覆蓋的實(shí)現(xiàn)方法，具體來(lái)說(shuō)就是一種有向傳感器網(wǎng)絡(luò)三維空間路徑自主部署方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 近年來(lái)，無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)由于其高度的學(xué)科交叉性和廣泛的應(yīng)用前景受到世界各 地學(xué)術(shù)界和工業(yè)界的高度關(guān)注，已成為當(dāng)前IT領(lǐng)域新興的前沿?zé)狳c(diǎn)。根據(jù)采用的傳感器節(jié) 點(diǎn)類(lèi)型，無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)可分為很多種，例如，若節(jié)點(diǎn)帶有攝像裝置，具有視頻采集功能，則 稱(chēng)之為視頻傳感器網(wǎng)絡(luò)；若帶有移動(dòng)裝置，則稱(chēng)為移動(dòng)傳感器網(wǎng)絡(luò)；若組成網(wǎng)絡(luò)的傳感器 節(jié)點(diǎn)的感知范圍與方向相關(guān)，則稱(chēng)為有向傳感器網(wǎng)絡(luò)。在目標(biāo)監(jiān)測(cè)問(wèn)題上，有向傳感器在覆 蓋側(cè)重和能耗使用方面，與傳統(tǒng)的全向傳感器相比更加具有優(yōu)勢(shì)。從實(shí)際應(yīng)用的角度來(lái)看， 目前常見(jiàn)的傳感器類(lèi)型，如圖像、紅外、聲波等均具有方向性，由此可見(jiàn)有向傳感器網(wǎng)絡(luò)更 加接近實(shí)用。
[0003] 有向傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)加裝了自主移動(dòng)裝置，就構(gòu)成了有向移動(dòng)傳感器網(wǎng)絡(luò)，例如 用于軍事、農(nóng)業(yè)、災(zāi)難救援中的空中視頻傳感器網(wǎng)絡(luò)，其節(jié)點(diǎn)是一架帶有攝像頭的微小型 飛行器，由于能夠組網(wǎng)協(xié)同飛行，從而能夠根據(jù)實(shí)際環(huán)境，更及時(shí)準(zhǔn)確地獲取目標(biāo)區(qū)域的信 息。
[0004] 針對(duì)各類(lèi)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)，節(jié)點(diǎn)的部署和覆蓋控制問(wèn)題一直是研究的熱點(diǎn)問(wèn)題。 常用的節(jié)點(diǎn)部署方法主要分為隨機(jī)部署、人工部署和自主部署三類(lèi)。在隨機(jī)部署方式中， 節(jié)點(diǎn)被一次性隨機(jī)拋撒在監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)；在人工部署方式中，需要人工手動(dòng)布設(shè)每一個(gè)節(jié)點(diǎn)； 自主部署是指初始時(shí)節(jié)點(diǎn)被隨機(jī)布撒，但由于節(jié)點(diǎn)自身帶有移動(dòng)裝置能夠自主移動(dòng)，會(huì)按 著一定的部署策略通過(guò)自主移動(dòng)完成部署。
[0005] 對(duì)于自主部署而言，由于節(jié)點(diǎn)的資源受限，通信范圍和感知范圍都十分有限，因 此，自主部署算法的好壞會(huì)對(duì)監(jiān)測(cè)區(qū)域覆蓋產(chǎn)生重要影響。良好的自主部署算法應(yīng)當(dāng)盡可 能避免重疊覆蓋、盡可能減少覆蓋漏洞，部署過(guò)程中盡可能避免節(jié)點(diǎn)之間的相互干擾（如 碰撞）。
[0006] 研究表明，現(xiàn)有的自主部署算法主要是針對(duì)特定目標(biāo)區(qū)域進(jìn)行區(qū)域覆蓋，且主要 集中在二維平面部署，如何實(shí)現(xiàn)有向移動(dòng)傳感器網(wǎng)絡(luò)對(duì)三維空間特定路徑的覆蓋部署，是 本領(lǐng)域技術(shù)人員亟待解決的技術(shù)問(wèn)題。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007] 有鑒于此，本發(fā)明解決的技術(shù)問(wèn)題在于提供一種有向傳感器網(wǎng)絡(luò)三維空間路徑自 主部署方法，解決了現(xiàn)有技術(shù)中有向移動(dòng)傳感器網(wǎng)絡(luò)無(wú)法在三維空間進(jìn)行路徑覆蓋部署的 問(wèn)題。
[0008] 為了解決上述技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明的【具體實(shí)施方式】中提供一種有向移動(dòng)傳感器網(wǎng)絡(luò) 三維空間路徑自主部署方法，包括：S1 :當(dāng)前節(jié)點(diǎn)獲得需要部署到的目標(biāo)路徑的位置信息， 以及當(dāng)前節(jié)點(diǎn)的有向傳感器需要指向的目標(biāo)點(diǎn)的位置信息；S2 :計(jì)算當(dāng)前節(jié)點(diǎn)與鄰居節(jié)點(diǎn) 之間的鄰居虛擬力；S3 :計(jì)算當(dāng)前節(jié)點(diǎn)與目標(biāo)路徑之間的目標(biāo)路徑虛擬引力；S4 :計(jì)算當(dāng)前 節(jié)點(diǎn)所受到的鄰居虛擬力和目標(biāo)路徑虛擬引力的合力；S5 :當(dāng)前節(jié)點(diǎn)沿合力方向移動(dòng)一個(gè) 單位步長(zhǎng)；S6 :計(jì)算當(dāng)前節(jié)點(diǎn)的有向傳感器方向與目標(biāo)方向之間的角度偏差；S7 :調(diào)整當(dāng)前 節(jié)點(diǎn)的有向傳感器的方向，使當(dāng)前節(jié)點(diǎn)的有向傳感器方向指向目標(biāo)方向，返回步驟S2繼續(xù) 執(zhí)行，直到當(dāng)前節(jié)點(diǎn)部署到目標(biāo)路徑上。
[0009]由以上本發(fā)明【具體實(shí)施方式】提供的技術(shù)方案可知，有向傳感器網(wǎng)絡(luò)三維空間路徑 自主部署方法至少具有以下優(yōu)點(diǎn)或特點(diǎn)：實(shí)現(xiàn)了有向移動(dòng)傳感器網(wǎng)絡(luò)對(duì)三維空間特定路 徑的覆蓋部署，且可以很好地避免在三維空間覆蓋部署中出現(xiàn)重疊覆蓋或者覆蓋漏洞的問(wèn) 題。
[0010] 應(yīng)了解的是，上述一般描述及以下【具體實(shí)施方式】?jī)H為示例性及闡釋性的，其并不 能限制本發(fā)明所欲主張的范圍。
【附圖說(shuō)明】
[0011] 下面的所附附圖是本發(fā)明的說(shuō)明書(shū)的一部分，其繪示了本發(fā)明的示例實(shí)施例，所 附附圖與說(shuō)明書(shū)的描述一起用來(lái)說(shuō)明本發(fā)明的原理。
[0012] 圖1是本發(fā)明具體方式提供的有向移動(dòng)傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)感知模型示意圖。
[0013] 圖2是本發(fā)明具體方式提供的有向移動(dòng)傳感器網(wǎng)絡(luò)三維空間路徑自主部署方法 的流程圖。
[0014] 圖3是本發(fā)明具體方式提供的有向移動(dòng)傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)之間根據(jù)距離的遠(yuǎn)近存 在虛擬力的示意圖。
[0015] 圖4是本發(fā)明具體方式提供的有向移動(dòng)傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)與其在目標(biāo)路徑上的投 影點(diǎn)關(guān)系的不意圖。
[0016] 圖5是本發(fā)明具體方式提供的有向移動(dòng)傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的投影點(diǎn)計(jì)算原理示意 圖。
[0017] 圖6是本發(fā)明具體方式提供的有向移動(dòng)傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)與目標(biāo)點(diǎn)之間角度關(guān)系 示意圖。
[0018] 圖7是本發(fā)明具體方式提供的有向移動(dòng)傳感器網(wǎng)絡(luò)部署實(shí)例的初始化狀態(tài)示意 圖。
[0019] 圖8是本發(fā)明具體方式提供的有向移動(dòng)傳感器網(wǎng)絡(luò)部署實(shí)例在部署過(guò)程中某一 時(shí)刻狀態(tài)示意圖。
[0020] 圖9本發(fā)明具體方式提供的有向移動(dòng)傳感器網(wǎng)絡(luò)部署實(shí)例的最終部署狀態(tài)示意 圖。
【具體實(shí)施方式】
[0021] 為使本發(fā)明實(shí)施例的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，下面將以附圖及詳細(xì) 敘述清楚說(shuō)明本發(fā)明所揭示內(nèi)容的精神，任何所屬技術(shù)領(lǐng)域技術(shù)人員在了解本
【發(fā)明內(nèi)容】
的 實(shí)施例后，當(dāng)可由本
【發(fā)明內(nèi)容】
所教示的技術(shù)，加以改變及修飾，其并不脫離本
【發(fā)明內(nèi)容】
的精 神與范圍。
[0022] 本發(fā)明的示意性實(shí)施例及其說(shuō)明用于解釋本發(fā)明，但并不作為對(duì)本發(fā)明的限定。 另外，在附圖及實(shí)施方式中所使用相同或類(lèi)似標(biāo)號(hào)的元件/構(gòu)件是用來(lái)代表相同或類(lèi)似部 分。
[0023] 關(guān)于本文中所使用的"第一"、"第二"、…等，并非特別指稱(chēng)次序或順位的意思，也 非用以限定本發(fā)明，其僅為了區(qū)別以相同技術(shù)用語(yǔ)描述的元件或操作。
[0024] 關(guān)于本文中所使用的方向用語(yǔ)，例如：上、下、左、右、前或后等，僅是參考附圖的方 向。因此，使用的方向用語(yǔ)是用來(lái)說(shuō)明并非用來(lái)限制本創(chuàng)作。
[0025] 關(guān)于本文中所使用的"包含"、"包括"、"具有"、"含有"等等，均為開(kāi)放性的用語(yǔ)，即 意指包含但不限于。
[0026] 關(guān)于本文中所使用的"及/或"，包括所述事物的任一或全部組合。
[0027] 某些用以描述本申請(qǐng)的用詞將于下或在此說(shuō)明書(shū)的別處討論，以提供本領(lǐng)域技術(shù) 人員在有關(guān)本申請(qǐng)的描述上額外的引導(dǎo)。
[0028] 以下結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說(shuō)明。
[0029] 所述有向移動(dòng)傳感器網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)的感知范圍表示為一個(gè)圓錐體，節(jié)點(diǎn)位于圓錐體 錐頂，感知范圍可以在空間平動(dòng)，也可以以錐頂為中心進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，節(jié)點(diǎn)感知模型可以用一個(gè) 八元組<Ρ，Θ，c，Rg，R#，L，T，S>表示，如圖1所示，圖1是本發(fā)明具體方式提供的有向移 動(dòng)傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)感知模型示意圖。其中，P表示三維空間中的有向移動(dòng)傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn) P的位置坐標(biāo)；Θ表示節(jié)點(diǎn)P的有向傳感器的感知角度；R§|表示節(jié)點(diǎn)P最大通信距離，也 是節(jié)點(diǎn)間產(chǎn)生虛擬引力的最大距離；R#表示節(jié)點(diǎn)間產(chǎn)生虛擬斥力的最大距離；C表示節(jié)點(diǎn) P的感知范圍的外接球的球心坐標(biāo)；L表示目標(biāo)路徑，是移動(dòng)有向傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的最終部 署位置；T表示目標(biāo)點(diǎn)坐標(biāo)，指示節(jié)點(diǎn)的方向傳感器最終指向的方向；S表示節(jié)點(diǎn)P的鄰居 節(jié)點(diǎn)集合，鄰居節(jié)點(diǎn)是指與節(jié)點(diǎn)P之間的距離小于等于最大通信距離R§l的節(jié)點(diǎn)。設(shè)外接球 半徑為％％的計(jì)算公式如公式⑴所示：
[0031] 其中，R#表示產(chǎn)生虛擬斥力的最大距離，R#小于等于1?且大于等于R#。L表示 目標(biāo)路徑，是移動(dòng)有向傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的最終部署位置；T表示目標(biāo)點(diǎn)坐標(biāo)，指示節(jié)點(diǎn)的方 向傳感器最終指向的方向；S表示節(jié)點(diǎn)P的鄰居節(jié)點(diǎn)集合，鄰居節(jié)點(diǎn)是指與節(jié)點(diǎn)P之間的距 離小于等于最大通信距離R§l的節(jié)點(diǎn)。
[0032] 本發(fā)明所述方法具體包括以下執(zhí)行步驟，如圖2所示，圖2是本發(fā)明具體方式提供 的有向移動(dòng)傳感器網(wǎng)絡(luò)三維空間路徑自主部署方法的流程圖。有向移動(dòng)傳感器網(wǎng)絡(luò)中的每 個(gè)節(jié)點(diǎn)在部署過(guò)程中各自獨(dú)立執(zhí)行以下步驟：
[0033] S1 :初始化：節(jié)點(diǎn)獲得需要部署到的目標(biāo)路徑的位置信息，以及節(jié)點(diǎn)的有向傳感 器需要指向的目標(biāo)點(diǎn)的位置信息，其中，目標(biāo)路徑為預(yù)先設(shè)定的路徑，目標(biāo)點(diǎn)為預(yù)先設(shè)定的 占 .
[0034] S2 :與鄰居節(jié)點(diǎn)之間的鄰居虛擬力的計(jì)算：為了防止節(jié)點(diǎn)在移動(dòng)過(guò)程中發(fā)生相互 碰撞或離散，所有節(jié)點(diǎn)間存在虛擬引力或斥力，引力使節(jié)點(diǎn)群相對(duì)聚攏不會(huì)離散而出現(xiàn)覆 蓋漏洞，斥力使節(jié)點(diǎn)群在自主移動(dòng)過(guò)程中不會(huì)發(fā)生碰撞；節(jié)點(diǎn)獲取鄰居節(jié)點(diǎn)的位置信息，計(jì) 算所有鄰居節(jié)點(diǎn)對(duì)其產(chǎn)生的虛擬引力和斥力的合力；
[0035] S3 :與目標(biāo)路徑之間的目標(biāo)路徑虛擬力的計(jì)算：節(jié)點(diǎn)計(jì)算自身在目標(biāo)路徑上的 投影點(diǎn)，將該投影點(diǎn)設(shè)定為能夠產(chǎn)生虛擬引力作用的"引力點(diǎn)"，計(jì)算該投影點(diǎn)對(duì)節(jié)點(diǎn)產(chǎn)生 的虛擬引力，該虛擬引力即表示當(dāng)前目標(biāo)路徑對(duì)節(jié)點(diǎn)的引力；投影點(diǎn)將隨著節(jié)點(diǎn)在三維空 間中的位置移動(dòng)而不斷改變，當(dāng)節(jié)點(diǎn)到達(dá)預(yù)定目標(biāo)路徑后，投影點(diǎn)的目標(biāo)路徑虛擬引力為 零；
[0036] S4 :計(jì)算所受鄰居節(jié)點(diǎn)的鄰居虛擬力和目標(biāo)路徑的目標(biāo)路徑虛擬引力的合力；
[0037] S5 :節(jié)點(diǎn)沿合力方向移動(dòng)一個(gè)單位步長(zhǎng)；
[0038] S6 :節(jié)點(diǎn)方向與目標(biāo)方向的角度偏差的計(jì)算：計(jì)算節(jié)點(diǎn)的有向傳感器方向與目標(biāo) 方向之間的角度偏差；
[0039] S7 :調(diào)整節(jié)點(diǎn)的有向傳感器的方向，使有向傳感器方向指向目標(biāo)方向，返回步驟 S2繼續(xù)執(zhí)行，直到所有節(jié)點(diǎn)部署到目標(biāo)路徑上。
[0040] 所述步驟S2用于計(jì)算節(jié)點(diǎn)與鄰居節(jié)點(diǎn)之間的虛擬力。節(jié)點(diǎn)之間根據(jù)距離的遠(yuǎn)近 存在虛擬引力或者虛擬斥力或者沒(méi)有虛擬作用力，如圖3所示，圖3是本發(fā)明具體方式提供 的有向移動(dòng)傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)之間根據(jù)距離的遠(yuǎn)近存在虛擬力的示意圖。該步驟S2可以進(jìn) 一步細(xì)化包含如下處理步驟：
[0041] S21 :設(shè)當(dāng)前節(jié)點(diǎn)為Pn，當(dāng)前節(jié)點(diǎn)Pji得所有鄰居節(jié)點(diǎn)集合S = {Pi，P2，…}，計(jì) 算當(dāng)前節(jié)點(diǎn)Pn對(duì)應(yīng)的外接球球心c n，以及每個(gè)鄰居節(jié)點(diǎn)對(duì)應(yīng)的外接球的球心集合C = ΙΑ,。，.};
[0042] S22 :計(jì)算