當前節(jié)點Ρη的外接球球心Cn與每一鄰居節(jié)點Pme S的外接球的球心Cm之間的距離DfeCni)如公式（2)所示：
[0044] S23 :計算當前節(jié)點Pn的每個鄰居節(jié)點P me S對當前節(jié)點P "的單鄰居虛擬力 其中單鄰居虛擬力的計算公式如公式（3)所示：
[0046] 其中，k斥和λ#為斥力系數(shù)，1^和^為引力系數(shù)。今",#)為單位向量，表示由當前 節(jié)點Ρη的外接球球心C η指向鄰居節(jié)點P me S的外接球球心Cm的引力方向，單鄰居虛擬力 為該鄰居節(jié)點對當前節(jié)點產生的虛擬引力和虛擬斥力的合力，具體來說，在公式（3) 方程組中，第一個方程表示單鄰居虛擬力為虛擬斥力的情形，第二個方程表示單鄰居虛擬 力為虛擬引力的情形，第三個方程表示單鄰居虛擬力為0的情形。
[0047] S24 :根據(jù)所有單鄰居虛擬力計算當前節(jié)點Pn的所有鄰居節(jié)點對當前節(jié)點P n 產生的鄰居虛擬力鄰居虛擬力的計算如公式（4)所示：
[0049] 其中，鄰居虛擬力^表示當前節(jié)點的所有鄰居節(jié)點對當前節(jié)點產生的虛擬引力和 斥力的合力。
[0050] 所述步驟S3用于計算目標路徑對當前節(jié)點Pn的虛擬引力，步驟S3可進一步細化 包含如下處理步驟：
[0051] S31 :計算當前節(jié)點Pn在目標路徑L上的投影點（即節(jié)點投影到目標路徑上的垂 足點）P' n，如圖4所示，圖4是本發(fā)明具體方式提供的有向移動傳感器網絡節(jié)點與其在目 標路徑上的投影點關系的示意圖；
[0052] S32:計算投影點P' n對當前節(jié)點Pn的目標路徑虛擬引力，其中目標路徑虛擬引 力的計算如公式（5)所示：
[0054] 所述步驟S31進一步細化包含如下處理步驟，如圖5所示，圖5是本發(fā)明具體方式 提供的有向移動傳感器網絡節(jié)點的投影點P "計算原理示意圖：
[0055] S311 :將目標路徑離散為均勻分布的N個點n。，叫，n2, IV";
[0056] S312 :計算每個點與投影點匕的距離；
[0057] S313:選取具有最短距離的點作為投影點P n;
[0058] 所述步驟S6用于計算節(jié)點的轉動角度，步驟S6進一步細化包含如下處理步驟：
[0059] S61 :設由當前節(jié)點Pn指向其外接球球心Cn的單位向量為h設由當前節(jié)點PJ 向目標點T的單位向量為？，交與？的夾角為α，如圖6所示，圖6是本發(fā)明具體方式提供 的有向移動傳感器網絡節(jié)點與目標點之間角度關系示意圖。夾角α計算如公式（6)所示：
[0061] S62:若ct < Ji，節(jié)點轉動方向為順時針，旋轉角度為α，否則為逆時針旋轉 2 π - α 〇
[0062] 圖7是本發(fā)明具體方式提供的有向移動傳感器網絡部署實例的初始化狀態(tài)示意 圖；圖8是本發(fā)明具體方式提供的有向移動傳感器網絡部署實例在部署過程中某一時刻狀 態(tài)示意圖；圖9本發(fā)明具體方式提供的有向移動傳感器網絡部署實例的最終部署狀態(tài)示意 圖。如圖7所示，圖7是有向移動傳感器網絡的初始狀態(tài)，節(jié)點數(shù)為300個，節(jié)點隨機分布 在三維空間區(qū)域中，目標路徑為一段螺旋曲線，目標點位于螺旋曲線段的內側中央。如圖8 所示是有向移動傳感器網絡節(jié)點自主部署過程中某一時刻狀態(tài)，節(jié)點正在向目標路徑上部 署。如圖9所示是有向移動傳感器網絡最終部署狀態(tài)，有向移動傳感器網絡節(jié)點全部部署 到目標路徑上，且方向指向目標點，如圖所示，目標點位于螺旋曲線段的內側中央。
[0063] 本發(fā)明提供一種有向傳感器網絡三維空間路徑自主部署方法，該方法通過構建節(jié) 點之間、節(jié)點與目標路徑之間、節(jié)點與目標方向之間的虛擬作用力，將有向移動傳感器網絡 協(xié)同自主部署過程轉化為節(jié)點在虛擬力場中受虛擬力作用而自主移動、自主轉動的過程， 實現(xiàn)了有向移動傳感器網絡對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 間覆蓋部署過程中出現(xiàn)空間重疊覆蓋或者覆蓋漏洞的問題。
[0064] 上述的本發(fā)明實施例可在各種硬件、軟件編碼或兩者組合中進行實施。例如，本發(fā) 明的實施例也可為在數(shù)據(jù)信號處理器（Digital Signal Processor，DSP)中執(zhí)行的執(zhí)行上 述程序的程序代碼。本發(fā)明也可涉及計算機處理器、數(shù)字信號處理器、微處理器或現(xiàn)場可編 程門陣列（Field Programmable Gate Array，F(xiàn)PGA)執(zhí)行的多種功能?？筛鶕?jù)本發(fā)明配置 上述處理器執(zhí)行特定任務，其通過執(zhí)行定義了本發(fā)明揭示的特定方法的機器可讀軟件代碼 或固件代碼來完成?？蓪④浖a或固件代碼發(fā)展為不同的程序語言與不同的格式或形 式。也可為了不同的目標平臺編譯軟件代碼。然而，根據(jù)本發(fā)明執(zhí)行任務的軟件代碼與其 他類型配置代碼的不同代碼樣式、類型與語言不脫離本發(fā)明的精神與范圍。
[0065] 以上所述僅為本發(fā)明示意性的【具體實施方式】，在不脫離本發(fā)明的構思和原則的前 提下，任何本領域的技術人員所做出的等同變化與修改，均應屬于本發(fā)明保護的范圍。
【主權項】
1. 有向移動傳感器網絡三維空間路徑自主部署方法，其特征在于，所述方法包括： 51 :當前節(jié)點獲得需要部署到的目標路徑的位置信息，以及當前節(jié)點的有向傳感器需 要指向的目標點的位置信息； 52 :計算當前節(jié)點與鄰居節(jié)點之間的鄰居虛擬力； 53 :計算當前節(jié)點與目標路徑之間的目標路徑虛擬引力； 54 :計算當前節(jié)點所受到的鄰居虛擬力和目標路徑虛擬引力的合力； 55 :當前節(jié)點沿合力方向移動一個單位步長； 56 :計算當前節(jié)點的有向傳感器方向與目標方向之間的角度偏差； 57 :調整當前節(jié)點的有向傳感器的方向，使當前節(jié)點的有向傳感器方向指向目標方向， 返回步驟S2繼續(xù)執(zhí)行，直到所有節(jié)點部署到目標路徑上。2. 如權利要求1所述的有向移動傳感器網絡三維空間路徑自主部署方法，其特征在 于：所述有向移動傳感器網絡由帶有自主移動裝置和有向傳感器的節(jié)點組成，節(jié)點的感知 范圍是一個圓錐體，節(jié)點位于圓錐體的錐頂，感知范圍能平動或轉動，轉動是以錐頂為中心 進行旋轉。3. 如權利要求2所述的有向移動傳感器網絡三維空間路徑自主部署方法，其特征在 于：所述有向移動傳感器網絡的節(jié)點P的感知模型用一個八元組〈P，9，C，R§l，R#，L，T，S> 表示，其中，P表示三維空間中的節(jié)點P的位置坐標；0表示節(jié)點P的有向傳感器的感知角 度；R§l表示節(jié)點P的最大通信距離，也是節(jié)點間產生虛擬引力的最大距離；C表示節(jié)點P的 感知范圍的外接球的球心坐標，外接球半徑為％％計算公式如公式⑴所示：%表示節(jié)點間產生虛擬斥力的最大距離，％小于等于R§l且大于等于％;L表示目標 路徑，是節(jié)點P的最終部署位置；T表示目標點坐標，指示節(jié)點P的方向傳感器最終指向的 方向；S表示節(jié)點P的鄰居節(jié)點集合，鄰居節(jié)點是指與節(jié)點P之間的距離小于等于最大通信 距離R§l的節(jié)點。4. 如權利要求3所述的有向移動傳感器網絡三維空間路徑自主部署方法，其特征在 于，所述步驟S2進一步包括： 521 :設當前節(jié)點為Pn，當前節(jié)點？"獲得所有鄰居節(jié)點集合S={PP2,…}，計算當 前節(jié)點Pn對應的外接球球心Cn，以及每個鄰居節(jié)點PniGS對應的外接球的球心集合C= IC1,C2; 522 :計算當前節(jié)點Pn的外接球球心C"與每個鄰居節(jié)點PniGS的外接球的球心Cni之 間的距離如公式（2)所示：523 :分別計算當前節(jié)點Pn的每個鄰居節(jié)點PmGS對當前節(jié)點P"的單鄰居虛擬力，其 中單鄰居虛擬力巧^計算公式如公式（3)所示：其中，k#和為斥力系數(shù)，k§l和A§|為引力系數(shù)，為單位向量，表示由當前節(jié)點Pn的外接球球心Cn指向鄰居節(jié)點PniGS的外接球球心Cni的引力方向； S24 :根據(jù)所有單鄰居虛擬力計算當前節(jié)點Pn的所有鄰居節(jié)點對當前節(jié)點Pn產生 的鄰居虛擬力€，鄰居虛擬力^的計算如公式（4)所示：5. 如權利要求1所述的有向移動傳感器網絡三維空間路徑自主部署方法，其特征在 于，所述步驟S3進一步包括： 531 :計算當前節(jié)點Pn在目標路徑L上的投影點P' n； 532 :計算投影點P'n對當前節(jié)點Pn的目標路徑虛擬引力，其中，目標路徑虛擬引力的 計算如公式（5)所示：6. 如權利要求5所述的有向移動傳感器網絡三維空間路徑自主部署方法，其特征在 于，所述步驟S31進一步包括： 5311 :將目標路徑離散為均勻分布的N個點n。，叫，n2,rv"; 5312 :計算每個點與當前節(jié)點距離； 5313 :選取具有最短距離的點作為投影點P' n。7. 如權利要求1所述的有向移動傳感器網絡三維空間路徑自主部署方法，其特征在 于，所述步驟S6進一步包括： S61 :由當前節(jié)點Pn指向其外接球球心Cn的單位向量為由當前節(jié)點Pn指向目標點T的單位向量為？，f與f之間的夾角為a，夾角a的計算如公式（6)所示：S62 :若a<Ir，節(jié)點轉動方向為順時針，旋轉角度為a，否則為逆時針旋轉2JT-a。8. 如權利要求1所述的有向移動傳感器網絡三維空間路徑自主部署方法，其特征在 于，所述鄰居虛擬力為所有鄰居節(jié)點對當前節(jié)點產生的虛擬引力和虛擬斥力的合力。9.如權利要求1所述的有向移動傳感器網絡三維空間路徑自主部署方法，其特征在 于，所述投影點為當前節(jié)點投影到目標路徑上的垂足點。10. 如權利要求1所述的有向移動傳感器網絡三維空間路徑自主部署方法，其特征在 于，當前節(jié)點部署到目標路徑上后，目標路徑虛擬引力的大小為〇。
【專利摘要】本發(fā)明提供了一種有向移動傳感器網絡三維空間路徑自主部署方法，該方法首次提出了適用于有向移動傳感器網絡三維空間的自主覆蓋部署，通過構建節(jié)點之間、節(jié)點與目標路徑之間、節(jié)點與目標方向之間的虛擬作用力，將有向移動傳感器網絡節(jié)點的協(xié)同自主部署過程轉化為節(jié)點在虛擬力場中受虛擬力作用而自主移動、自主轉動的過程。本發(fā)明解決了現(xiàn)有技術中有向移動傳感器網絡無法在三維空間進行路徑覆蓋部署的問題。
【IPC分類】H04W16/18, H04W84/18
【公開號】CN105228166
【申請?zhí)枴緾N201510673709
【發(fā)明人】譚勵, 楊明華, 楊朝玉, 王云會, 胡計鵬
【申請人】北京工商大學
【公開日】2016年1月6日
【申請日】2015年10月16日