專利名稱：分布式自適應(yīng)粒子濾波的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)目標(biāo)跟蹤方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的目標(biāo)跟蹤方法，屬于傳感器和無線通信技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
無線傳感器網(wǎng)絡(luò)由大量隨機(jī)分布傳感器節(jié)點組成，是一種能夠自組織的網(wǎng)絡(luò)，能夠感知覆蓋區(qū)域內(nèi)被檢測對象的信息。由于傳感器節(jié)點具有體積小、價格低廉、無線通信、 自組織性、健壯性和隱蔽性等特點，被廣泛應(yīng)用于國防軍事、環(huán)境檢測等領(lǐng)域。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的典型應(yīng)用之一是目標(biāo)跟蹤，通過節(jié)點間的相互協(xié)作，對進(jìn)入覆蓋區(qū)域的目標(biāo)進(jìn)行跟蹤，利用多節(jié)點觀測值，運用濾波對目標(biāo)的位置等信息進(jìn)行估計。傳統(tǒng)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)目標(biāo)跟蹤方法有其自身缺陷1)能量有限，一般的傳感器節(jié)點都是用電池供電，而且無法再充電，信息的傳送會消耗大量能量；幻帶寬有限，節(jié)點之間的協(xié)同工作需要傳送大量數(shù)據(jù)；3)節(jié)點計算能量有限。目前，大多數(shù)基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的目標(biāo)跟蹤方法中都采用角度或者信號強(qiáng)度作為量測，使傳感器傳送數(shù)據(jù)過多，造成數(shù)據(jù)擁塞，而且會占用大量帶寬。相對于上述傳統(tǒng)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，二進(jìn)制無線傳感器網(wǎng)絡(luò)只傳送” 0”或” 1”，可以有效節(jié)約帶寬和能量?，F(xiàn)有的二進(jìn)制無線傳感器網(wǎng)絡(luò)目標(biāo)跟蹤時利用網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)、傳感器探測半徑以及幾何知識進(jìn)行定位，在精度上有所欠缺；或者利用濾波法跟蹤目標(biāo)，如粒子濾波法，但是大多是集中式，消耗太多的能量而且實時性不能滿足要求。因此基于分布式粒子濾波法更符合實際應(yīng)用，其中的分簇算法一般都是根據(jù)當(dāng)前的目標(biāo)位置進(jìn)行動態(tài)組簇，雖然在組簇上可進(jìn)行優(yōu)化，但是卻要在簇頭交替過程中傳送大量數(shù)據(jù)，從而占據(jù)大量帶寬，消耗大量言旨量。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所要解決的問題是針對上述現(xiàn)有技術(shù)的不足而提出了一種基于分布式自適應(yīng)粒子濾波的二進(jìn)制無線傳感器網(wǎng)絡(luò)目標(biāo)跟蹤方法，實時性好，能量消耗少，目標(biāo)跟蹤的
精度尚。本發(fā)明采用的技術(shù)方案是包括如下步驟(1)初始化無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，使所有節(jié)點都具有統(tǒng)一的規(guī)格且都處于休眠狀態(tài)；( 選擇信號接收強(qiáng)度最大的節(jié)點作為簇頭節(jié)點，與簇頭節(jié)點在單跳通信范圍內(nèi)的節(jié)點和簇頭節(jié)點組簇，其余節(jié)點繼續(xù)在休眠狀態(tài)；(3) 簇內(nèi)節(jié)點對目標(biāo)進(jìn)行觀測，將接收到的信號與預(yù)設(shè)門限相比較，若高于預(yù)設(shè)門限則發(fā)送二進(jìn)制數(shù)據(jù)給簇頭節(jié)點，反之不發(fā)送。(4)使用常規(guī)的粒子濾波算法估計初始狀態(tài)估計值和初始方差估計值；( 在t時刻根據(jù)步驟( 組簇，并將上一時刻粒子濾波估計的狀態(tài)估計值和方差估計值打包傳送給此t時刻的簇頭節(jié)點；(6)進(jìn)行t時刻的自適應(yīng)粒子濾波在線調(diào)
Im ρ
整粒子數(shù)，包括先由決策規(guī)則# O) =確定所需的粒子數(shù)，然后從重要密度函數(shù)中采樣N(t)個粒子，再更新采樣粒子，最后輸出目標(biāo)的位置狀態(tài)估計值和方差估計值， 每一時刻更新所需的粒子數(shù)根據(jù)方差估計值在線調(diào)整；m為比例系數(shù)，ζ是處理一個粒子的平均時間損耗，Pt^1是上一時刻的方差，t-Ι是完成上一次仿真的耗時；(7) t時刻自加1，根據(jù)目標(biāo)的運動不斷地更新簇頭節(jié)點，在簇頭節(jié)點更換時將上一簇頭節(jié)點的信息傳送給當(dāng)前簇頭節(jié)點；(8)重復(fù)步驟(5)-(7)，直至目標(biāo)脫離無線傳感器網(wǎng)絡(luò)覆蓋區(qū)域為止。本發(fā)明提供的技術(shù)方案的有益效果是通過采用二進(jìn)制傳感器網(wǎng)絡(luò)，在節(jié)點與簇頭節(jié)點之間只傳送“0”，“1”信號，根據(jù)一定的原則選擇簇頭節(jié)點，可以有效地減少帶寬。并采用自適應(yīng)粒子濾波算法，當(dāng)簇頭更換時，在簇頭之間無需傳遞大量的粒子，簇頭之間只需要傳送濾波值和誤差方差即可，同時根據(jù)濾波方差在線調(diào)整粒子數(shù)，降低了算法的計算量， 進(jìn)一步有效減少帶寬，并且采用分布式算法，大大提高無線傳感器網(wǎng)絡(luò)目標(biāo)跟蹤的實時性和跟蹤精度，減少通信量，降低能量消耗。
以下結(jié)合附圖和具體實施方式
對本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)說明

圖1是本發(fā)明的目標(biāo)跟蹤方法流程圖。
具體實施例方式本發(fā)明采用分布式自適應(yīng)粒子濾波來跟蹤目標(biāo)的位置，在當(dāng)前時刻，目標(biāo)移動到某個位置，根據(jù)一定的原則喚醒部分傳感器節(jié)點參與目標(biāo)跟蹤，以減少通信量和降低能耗。 首先讓傳感器節(jié)點處于一種休眠狀態(tài)，當(dāng)目標(biāo)進(jìn)入傳感器節(jié)點后，喚醒節(jié)點，在規(guī)定范圍內(nèi)的節(jié)點自組織成簇，然后根據(jù)一定的原則選擇簇頭節(jié)點，簇內(nèi)節(jié)點對目標(biāo)進(jìn)行觀測，并發(fā)送二進(jìn)制數(shù)據(jù)給簇頭節(jié)點，不符合組簇原則的節(jié)點重新進(jìn)入休眠狀態(tài)，以節(jié)省傳感器節(jié)點的能量。目標(biāo)跟蹤節(jié)點用自適應(yīng)粒子濾波對當(dāng)前時刻的目標(biāo)位置進(jìn)行估計，根據(jù)目標(biāo)的運動不斷地更新簇和簇頭，當(dāng)簇頭更換時，將上一簇頭的信息傳送給當(dāng)前簇頭。因為傳感器節(jié)點向簇頭之間傳送的是二進(jìn)制數(shù)據(jù)，而且可以在線調(diào)節(jié)粒子數(shù)，因此可以進(jìn)一步節(jié)省帶寬和能量。參見圖1，本發(fā)明具體實施步驟如下步驟101 初始化無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，在區(qū)域內(nèi)隨機(jī)播撒無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點，所有節(jié)點都具有統(tǒng)一的規(guī)格，如通信距離、探測距離等，所有節(jié)點都處于休眠狀態(tài)，只保持簡單的探測功能，即只能探測出有或無目標(biāo)存在，關(guān)閉通信功能。步驟102 傳感器節(jié)點探測到目標(biāo)，喚醒在探測范圍的節(jié)點。這些在探測范圍的節(jié)點根據(jù)原則組簇，即選擇信號接收強(qiáng)度最大的節(jié)點k作為簇頭節(jié)點，與簇頭節(jié)點k在單跳通信范圍內(nèi)的節(jié)點和簇頭節(jié)點組簇，其余節(jié)點繼續(xù)進(jìn)入休眠狀態(tài)；步驟103 簇內(nèi)節(jié)點對目標(biāo)進(jìn)行觀測，并發(fā)送二進(jìn)制數(shù)據(jù)給簇頭節(jié)點。當(dāng)觀測到數(shù)據(jù)，發(fā)送“1”，未觀測到數(shù)據(jù)則發(fā)送“0”，對于沒有發(fā)送數(shù)據(jù)的節(jié)點，簇頭默認(rèn)該節(jié)點發(fā)送的為“0”。節(jié)點接收信號的強(qiáng)度模型是ynJ=gn(xt) + vnJ=-——^ + Vni η = 1, 2，...，N(1)其中hOO是第η個節(jié)點接收信號強(qiáng)度的函數(shù)，Vn,t是獨立于Ut的噪聲， 從，σν2)，Γη是第n個節(jié)點的位置，It是目標(biāo)在時刻t所處的位置，I Irn-ItI |是目標(biāo)和節(jié)點之間的歐幾里得距離，Ψ是在目標(biāo)距離為Cltl時的信號能量，α是傳輸介質(zhì)參數(shù)。第η個節(jié)點接收到的信號強(qiáng)度在本地進(jìn)行處理，然后根據(jù)準(zhǔn)則發(fā)送二進(jìn)制信息給簇頭節(jié)點，該準(zhǔn)則是將接收到的信號yn,t與預(yù)設(shè)的門限Y相比較，如果值低于門限Y，則不發(fā)送任何信息；如果值高于Y，則發(fā)送信息給簇頭節(jié)點。因此，節(jié)點只有當(dāng)yn,t高于門限 Y的時候才向簇頭節(jié)點傳送信息。簇頭節(jié)點接收到來自第η個節(jié)點的量測為βη8η,
權(quán)利要求
1. 一種分布式自適應(yīng)粒子濾波的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)目標(biāo)跟蹤方法，其特征是包括如下步驟(1)初始化無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，使所有節(jié)點都具有統(tǒng)一的規(guī)格且都處于休眠狀態(tài)；(2)選擇信號接收強(qiáng)度最大的節(jié)點作為簇頭節(jié)點，與簇頭節(jié)點在單跳通信范圍內(nèi)的節(jié)點和簇頭節(jié)點組簇，其余節(jié)點繼續(xù)在休眠狀態(tài)；(3)簇內(nèi)節(jié)點對目標(biāo)進(jìn)行觀測，將接收到的信號與預(yù)設(shè)門限相比較，若高于預(yù)設(shè)門限則發(fā)送二進(jìn)制數(shù)據(jù)給簇頭節(jié)點，反之不發(fā)送；(4)使用常規(guī)的粒子濾波算法估計初始狀態(tài)估計值和初始方差估計值；(5)在t時刻根據(jù)步驟(2)組簇，并將上一時刻粒子濾波估計的狀態(tài)估計值和方差估計值打包傳送給此t時刻的簇頭節(jié)點；(6)進(jìn)行t時刻的自適應(yīng)粒子濾波在線調(diào)整粒子數(shù)，包括先由決策規(guī)則
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的分布式自適應(yīng)粒子濾波的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)目標(biāo)跟蹤方法，其特征是步驟(7)中，當(dāng)目標(biāo)在下一時刻移動到另一個位置，按步驟( 重新組簇，當(dāng)選出的簇頭節(jié)點與上一時刻的簇頭節(jié)點不相同時，上一簇頭節(jié)點將信息傳送給當(dāng)前簇頭節(jié)點，簇頭節(jié)點之間傳送的信息為上一時刻目標(biāo)的狀態(tài)估計值和方差估計值。
全文摘要
本發(fā)明公開一種分布式自適應(yīng)粒子濾波的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)目標(biāo)跟蹤方法，先根據(jù)原則喚醒部分傳感器節(jié)點參與目標(biāo)跟蹤，發(fā)送二進(jìn)制數(shù)據(jù)給簇頭節(jié)點，再用自適應(yīng)粒子濾波對當(dāng)前時刻的目標(biāo)位置進(jìn)行估計，在線調(diào)節(jié)粒子數(shù)，最后根據(jù)目標(biāo)的運動不斷地更新簇頭節(jié)點，將上一簇頭節(jié)點狀態(tài)估計值和方差估計值傳送給當(dāng)前簇頭節(jié)點；本發(fā)明在簇頭之間無需傳遞大量的粒子，降低算法的計算量，減少通信量，有效減少帶寬，降低能量消耗，大大提高目標(biāo)跟蹤的實時性和跟蹤精度。
文檔編號H04W84/18GK102256381SQ20111008673
公開日2011年11月23日 申請日期2011年4月7日 優(yōu)先權(quán)日2011年4月7日
發(fā)明者伍雪冬, 馮友兵, 朱志宇, 王彪, 蘇嶺東, 趙成 申請人:江蘇科技大學(xué)