基于移动路径位置的启发式光电-雷达传感器部署方法

技术领域

本发明涉及光电-雷达传感器网络、传感器节点部署等技术领域，特别是指一种基于移动路径位置的启发式光电-雷达传感器部署方法。

背景技术

无线传感器网络具备实用性高、设置灵活、可扩展性强等优势，通过多跳、自组织或者协作的方式进行通信和信息传输，自主智能地感知周围环境并完成目标任务，在边境防护、海域防走私、运动跟踪、军情监控等领域有着重要的作用。对于面向边境防护的光电-雷达传感器网络中的节点，部署技术可以通过多种途径将固定的、随机的或者动态可移动的节点布置到监测区域中。采用不同的网络节点部署方式，会对网络的拓扑结构、连通性、网络生存期和服务质量带来巨大的影响。由于有向传感器节点感知范围的局限性特征，其感知能力与节点距离目标对象的距离、相对位置有很大关系。近年来智能算法的兴起和发展为解决复杂问题提供了新的思路和手段。文献中指出,可以利用遗传算法和模拟退火算法求解无线传感器网络的构成优化问题。但它们的收敛速度和搜索时间还有待于进一步地改善。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的是提供一种基于移动路径位置的启发式光电-雷达传感器部署方法，该方法可以实时地跟踪监测移动目标对象，降低了网络部署成本。

为了实现上述目的，本发明采用了如下技术方案：

一种基于移动路径位置的启发式光电-雷达传感器部署方法，包括以下步骤：

步骤1：获取待监测矩形区域与目标移动路径path，所述待监测矩形区域的长度为Length，宽度为Width，以待监测矩形区域的左下角为原点，目标进入待监测矩形区域的坐标为(a

步骤2：确定第一个传感器位置p

步骤3：确定第i个传感器位置p

y

其中：i>1，(x

步骤4：判断

步骤5：根据步骤3得到的传感器位置对传感器进行部署，实现对移动目标路径的全覆盖；

步骤6：根据t时刻的目标位置(c

步骤7：调整第i个传感器的感知方向α

其中，(c,d)为以该传感器节点为坐标轴原点建立的坐标系中的目标位置；

步骤8：不断执行步骤6，直至目标离开待监测矩形区域，完成对移动目标的监测。

本发明具有如下有益效果：

1、本发明针对基于移动目标覆盖的传感器网络节点部署问题，提出了基于移动路径位置的启发式求解算法。首先，基于移动路径位置信息，使用启发式方法确定传感器节点的位置。然后，固定传感器节点位置不动，根据移动目标对象的位置信息，调整节点的状态和感知方向。

2、本发明针对具体的应用场景，设计可行的节点部署方案。该方案可以实时地跟踪监测移动目标对象，降低了网络部署成本。

附图说明

图1为光电-雷达感知模型示意图。

图2为传感器节点位置示意图。

图3为t＝1时的节点跟踪监测情况示意图。

图4为t＝2时的节点跟踪监测情况示意图。

图5为t＝3时的节点跟踪监测情况示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明做进一步的详细说明。

一种基于移动路径位置的启发式光电-雷达传感器部署方法，包括以下步骤：

步骤1：获取待监测矩形区域与目标移动路径path。在大尺度下，不平整的边境线可以近似为平稳的直线段，因此，可以以边境线为矩形长边，以待监测区域的最外侧点坐标确定一个长为Length、宽为Width的覆盖待监测区域的矩形区域。此外，利用先验信息和定位技术，可以假设移动目标对象穿越监测区域的移动路径是已知的，也就是目标对象会沿着移动路径移动，因此，可以得到目标进入矩形区域的坐标为(a

步骤2：确定第一个传感器位置p

步骤3：确定第i个传感器位置p

y

其中：i>1，(x

步骤4：判断

步骤5：根据步骤3得到的传感器位置对传感器进行部署，实现对移动目标路径的全覆盖；

步骤6：根据t时刻的目标位置(c

步骤7：调整第i个传感器感知方向α

其中：(c,d)为以该传感器节点为坐标轴原点建立的坐标系中的目标位置；

步骤8：不断执行步骤6，直至目标离开待检测区域，即可完成对移动目标的检测。

以下为一个更具体的例子：

一种基于移动路径位置的启发式光电-雷达传感器移动目标覆盖部署方法，该方法为了解决光点-雷达传感器节点的移动目标覆盖优化问题，将光电-雷达传感器节点的感知模型使用四元组(p

在传感器网络的节点部署过程中，对于可移动的目标对象，比如人、车、船等，可以利用传感器节点感知方向的调整或者移动传感器节点对目标对象进行跟踪覆盖，以避免单纯依靠静态节点监测而产生大量数据传输和能量消耗。

为了方便分析，需要对光电-雷达传感器网络做出以下假设：

(1)所有传感器节点经过前期部署后，位置保持不变，感知角度和感知半径在调整过程中也保持不变，只能够调整感知方向；

(2)相同类型的传感器节点具备相同的物理特征，即感知角度、感知半径、感知能力和范围等参数均相同，且感知半角β为45°，即感知角度为90°；

(3)所有传感器节点可以通过GPS获得自身位置和感知方向等信息，并且各个传感器节点可以通过转动感知视域范围对自身感知方向进行调整；

(4)所有传感器节点可以自由切换休眠或者工作状态。

因此，基于移动目标覆盖的传感器网络节点部署问题是考虑监测的目标对象具有移动性，当目标对象跨越边境线，逐渐进入监测区域时，在保证跟踪监测质量的条件下，如何部署最少的传感器节点数量来对其进行实时跟踪监测的问题。

根据假设，相同类型的传感器节点的感知角度和感知半径均相同，因此可以将第n个传感器节点的感知模型四元组(p

本方法首先基于移动路径位置信息，使用启发式方法确定传感器节点的位置。然后，固定传感器节点位置不动，根据移动目标对象的位置信息，调整节点的状态和感知方向。

具体来说，该方法的步骤如下：

(1)假设待监测区域是一个长Length为100km、宽Width为30km的矩形区域。传感器节点的感知半径R为10km，根据假设，传感器节点的探测范围β为45°，也就是感知角度为90°。假设得到目标进入矩形区域的坐标为(a

(2)确定第一个传感器位置：p

(3)确定第二个传感器位置：

其中c为移动路径与第一个传感器感知范围交点的横坐标。

(4)计算

(5)将上述得到的两个传感器部署到待监测区域，即可完成对目标移动路径的全覆盖，如图2所示。

(6)如图3所示，假设t＝1时，目标移动到节点S

(7)如图4所示，假设t＝2时，目标移动到节点S

(8)如图5所示，假设t＝3时，目标离开矩形监测区域，则节点S