專(zhuān)利名稱(chēng)：一種基于預(yù)測(cè)的無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)目標(biāo)跟蹤方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)目標(biāo)跟蹤技術(shù)，具體來(lái)說(shuō)是涉及一種基于預(yù)測(cè)的無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)目標(biāo)跟蹤方法。

背景技術(shù)：
目標(biāo)跟蹤是無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)的重要應(yīng)用之一。無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)通常部署在人們難以接近的危險(xiǎn)區(qū)域，電池替換十分不便，優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)能耗進(jìn)而延長(zhǎng)網(wǎng)絡(luò)壽命已成為無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)商用的關(guān)鍵技術(shù)。由于運(yùn)動(dòng)預(yù)測(cè)能顯著減少所需活動(dòng)監(jiān)控節(jié)點(diǎn)的數(shù)目和監(jiān)控時(shí)長(zhǎng)，有效降低網(wǎng)絡(luò)能耗，因此在目標(biāo)跟蹤傳感器網(wǎng)絡(luò)中引入預(yù)測(cè)機(jī)制勢(shì)在必行。
目前基于預(yù)測(cè)的無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)目標(biāo)跟蹤方法主要包括基于頻繁運(yùn)動(dòng)模式抽取的目標(biāo)跟蹤方法和基于運(yùn)動(dòng)模型的目標(biāo)跟蹤方法。其中基于頻繁運(yùn)動(dòng)模式抽取的目標(biāo)跟蹤方法根據(jù)目標(biāo)運(yùn)動(dòng)路徑的歷史記錄信息抽取頻繁運(yùn)動(dòng)模式，并結(jié)合目標(biāo)的當(dāng)前運(yùn)動(dòng)狀態(tài)預(yù)測(cè)下一監(jiān)控節(jié)點(diǎn)?；谶\(yùn)動(dòng)模型的目標(biāo)跟蹤方法根據(jù)目標(biāo)的先驗(yàn)運(yùn)動(dòng)模型，預(yù)測(cè)目標(biāo)的各種運(yùn)動(dòng)屬性，包括目標(biāo)的下一監(jiān)控節(jié)點(diǎn)。
顯然，上述現(xiàn)有技術(shù)存在許多不足，具體來(lái)講，基于頻繁運(yùn)動(dòng)模式抽取的目標(biāo)跟蹤方法沒(méi)有考慮某些目標(biāo)運(yùn)動(dòng)行為的隨機(jī)性，因此只能實(shí)現(xiàn)規(guī)則運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的跟蹤預(yù)測(cè)。而基于運(yùn)動(dòng)模型的目標(biāo)跟蹤方法未能充分利用某些目標(biāo)運(yùn)動(dòng)行為的規(guī)律性，同時(shí)由于未充分利用目標(biāo)運(yùn)動(dòng)歷史信息，無(wú)法提供有效的預(yù)測(cè)失敗恢復(fù)機(jī)制，造成預(yù)測(cè)監(jiān)控區(qū)域偏大，節(jié)點(diǎn)能耗增加。


發(fā)明內(nèi)容
針對(duì)背景技術(shù)中存在的問(wèn)題，本發(fā)明的目的在于提供一種基于預(yù)測(cè)的無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)目標(biāo)跟蹤方法，是以跟蹤精度和能耗為指標(biāo)來(lái)實(shí)現(xiàn)分類(lèi)預(yù)測(cè)的無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)目標(biāo)跟蹤方法。
為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案是，具體包括如下步驟 a、根據(jù)目標(biāo)運(yùn)動(dòng)的當(dāng)前測(cè)量數(shù)據(jù)或者從前一監(jiān)控節(jié)點(diǎn)接收到的喚醒分組所攜帶的歷史測(cè)量數(shù)據(jù)確定目標(biāo)的運(yùn)動(dòng)特征； b、當(dāng)前監(jiān)控節(jié)點(diǎn)結(jié)合目標(biāo)的當(dāng)前位置、速度、運(yùn)動(dòng)方向信息預(yù)測(cè)目標(biāo)的未來(lái)位置以及下一監(jiān)控節(jié)點(diǎn)的喚醒時(shí)刻； c、當(dāng)目標(biāo)位置預(yù)測(cè)失敗時(shí)，網(wǎng)絡(luò)根據(jù)目標(biāo)的運(yùn)動(dòng)歷史記錄和先驗(yàn)知識(shí)逐級(jí)啟動(dòng)預(yù)測(cè)失敗恢復(fù)過(guò)程。
其中，所述的步驟a中，如果喚醒分組攜帶目標(biāo)運(yùn)動(dòng)的歷史測(cè)量數(shù)據(jù)，則本監(jiān)控節(jié)點(diǎn)直接根據(jù)該歷史測(cè)量數(shù)據(jù)確定目標(biāo)的運(yùn)動(dòng)特征，否則根據(jù)目標(biāo)運(yùn)動(dòng)的當(dāng)前測(cè)量數(shù)據(jù)確定目標(biāo)的運(yùn)動(dòng)特征。
所述的步驟b中，當(dāng)前監(jiān)控節(jié)點(diǎn)先根據(jù)目標(biāo)的運(yùn)動(dòng)特征結(jié)合其當(dāng)前位置、速度、運(yùn)動(dòng)方向信息估計(jì)其運(yùn)動(dòng)模式類(lèi)別，然后采用各運(yùn)動(dòng)模式類(lèi)別相應(yīng)的估計(jì)方法預(yù)測(cè)目標(biāo)的未來(lái)位置以及下一監(jiān)控節(jié)點(diǎn)的喚醒時(shí)刻。
所述的步驟c更進(jìn)一步包含如下步驟 1)預(yù)測(cè)失敗恢復(fù)節(jié)點(diǎn)以最后感知時(shí)刻目標(biāo)位置為參考點(diǎn)，以最后感知時(shí)刻到本恢復(fù)過(guò)程啟動(dòng)時(shí)刻的時(shí)間間隔為運(yùn)動(dòng)時(shí)間，根據(jù)接收到的喚醒分組所攜帶的歷史最大速度、最大加速度、最大角速度、最大角加速度極限運(yùn)動(dòng)參數(shù)，預(yù)測(cè)目標(biāo)的最大運(yùn)動(dòng)范圍。預(yù)測(cè)失敗恢復(fù)節(jié)點(diǎn)向預(yù)測(cè)最大運(yùn)動(dòng)范圍內(nèi)的所有節(jié)點(diǎn)發(fā)送喚醒分組。
2)如果預(yù)測(cè)失敗恢復(fù)節(jié)點(diǎn)在規(guī)定的時(shí)間間隔內(nèi)仍未接收到有效的喚醒確認(rèn)消息，啟動(dòng)本恢復(fù)過(guò)程。此時(shí)預(yù)測(cè)失敗恢復(fù)節(jié)點(diǎn)以最后感知時(shí)刻目標(biāo)位置為參考點(diǎn)，以最后感知時(shí)刻到本恢復(fù)過(guò)程啟動(dòng)時(shí)刻的時(shí)間間隔為運(yùn)動(dòng)時(shí)間，根據(jù)目標(biāo)最大速度、最大加速度、最大角速度、最大角加速度極限運(yùn)動(dòng)參數(shù)先驗(yàn)知識(shí)，預(yù)測(cè)目標(biāo)的最大運(yùn)動(dòng)范圍。預(yù)測(cè)失敗恢復(fù)節(jié)點(diǎn)向預(yù)測(cè)最大運(yùn)動(dòng)范圍內(nèi)的所有節(jié)點(diǎn)發(fā)送喚醒分組。
本發(fā)明具有的有益效果是 本發(fā)明提出了一種根據(jù)目標(biāo)運(yùn)動(dòng)的歷史測(cè)量數(shù)據(jù)或者當(dāng)前測(cè)量數(shù)據(jù)確定目標(biāo)運(yùn)動(dòng)特征，并根據(jù)運(yùn)動(dòng)特征類(lèi)別進(jìn)行運(yùn)動(dòng)預(yù)測(cè)的無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)目標(biāo)跟蹤方法。這種目標(biāo)跟蹤方法根據(jù)不同的目標(biāo)運(yùn)動(dòng)類(lèi)型采用不同的運(yùn)動(dòng)預(yù)測(cè)方法，其與基于頻繁運(yùn)動(dòng)模式抽取的目標(biāo)跟蹤方法相比，能夠?qū)崿F(xiàn)運(yùn)動(dòng)軌跡變化的目標(biāo)運(yùn)動(dòng)預(yù)測(cè)，與基于運(yùn)動(dòng)模型的目標(biāo)跟蹤方法相比，能夠?qū)崿F(xiàn)具有不同運(yùn)動(dòng)特征的目標(biāo)運(yùn)動(dòng)預(yù)測(cè)，同時(shí)，本發(fā)明采用了一種高可靠、低能耗的跟蹤失敗恢復(fù)機(jī)制，當(dāng)目標(biāo)位置預(yù)測(cè)失敗時(shí)，網(wǎng)絡(luò)根據(jù)目標(biāo)的運(yùn)動(dòng)歷史記錄和先驗(yàn)知識(shí)逐級(jí)啟動(dòng)預(yù)測(cè)失敗恢復(fù)過(guò)程。本發(fā)明在確保網(wǎng)絡(luò)可靠跟蹤目標(biāo)的前提下，減少了被喚醒傳感器節(jié)點(diǎn)的數(shù)目，從而降低了節(jié)點(diǎn)的能耗，延長(zhǎng)了目標(biāo)跟蹤傳感器網(wǎng)絡(luò)的壽命，具有很好的可用性和實(shí)用性。



圖1是本發(fā)明所述基于預(yù)測(cè)的無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)目標(biāo)跟蹤方法流程圖。
圖2是本發(fā)明實(shí)施例中在當(dāng)前監(jiān)控區(qū)域目標(biāo)作直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)的示意圖。
圖3是本發(fā)明實(shí)施例中在當(dāng)前監(jiān)控區(qū)域目標(biāo)作圓周運(yùn)動(dòng)的示意圖。
圖4是本發(fā)明實(shí)施例中在當(dāng)前監(jiān)控區(qū)域目標(biāo)同時(shí)作直線(xiàn)和圓周運(yùn)動(dòng)的示意圖。

具體實(shí)施例方式 下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的說(shuō)明。
本實(shí)施例應(yīng)用于目標(biāo)跟蹤傳感器網(wǎng)絡(luò)的傳感器節(jié)點(diǎn)，以跟蹤精度和能耗為指標(biāo)來(lái)實(shí)現(xiàn)分類(lèi)預(yù)測(cè)的無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)目標(biāo)跟蹤方法。如圖1所示，其具體包含如下步驟 第一、根據(jù)目標(biāo)運(yùn)動(dòng)的當(dāng)前測(cè)量數(shù)據(jù)或者歷史測(cè)量數(shù)據(jù)確定目標(biāo)的運(yùn)動(dòng)特征。
根據(jù)運(yùn)動(dòng)目標(biāo)在相繼感知時(shí)刻的位置數(shù)據(jù)可以估算目標(biāo)的速度和方向，從而獲得目標(biāo)的各種運(yùn)動(dòng)特性數(shù)據(jù)，包括方向特性、速度或角速度隨機(jī)特性。例如由于節(jié)點(diǎn)能夠獲知目標(biāo)的位置信息，因此可以通過(guò)計(jì)算感知間隔內(nèi)目標(biāo)的位移估計(jì)當(dāng)前感知時(shí)刻目標(biāo)的速度，設(shè)目標(biāo)在前一感知時(shí)刻的位置坐標(biāo)為(xi-1，yi-1)(i＞0)，當(dāng)前感知時(shí)刻的位置坐標(biāo)為(xi，yi)，感知間隔長(zhǎng)度為ti-1，則當(dāng)前感知時(shí)刻的速度vi-1如式(1)所示。
采用類(lèi)似的方法可用式(2)估計(jì)當(dāng)前感知時(shí)刻目標(biāo)的加速度ai-1。
ai-1＝(vi-vi-1)/ti(i＞0)(2) 如果目標(biāo)在相繼感知時(shí)刻的加速度相等并且運(yùn)動(dòng)方向不變，則我們認(rèn)為該目標(biāo)正在作勻速直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)；如果目標(biāo)在相繼感知時(shí)刻的加速度線(xiàn)性增大或減小并且運(yùn)動(dòng)方向不變，則我們認(rèn)為該目標(biāo)正在作勻加速直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)；如果目標(biāo)在感知時(shí)段t移動(dòng)的距離d可用該時(shí)段起始時(shí)刻的速度v0、加速度a0和加速度變化率Δa0以式(3)近似預(yù)測(cè)并且運(yùn)動(dòng)方向不變，則我們認(rèn)為該目標(biāo)正在作近似可預(yù)測(cè)變加速直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)。
d＝v0t+a0t2/2+Δa0t3/6(3) 如果目標(biāo)運(yùn)動(dòng)方向不變并且其速度、加速度變化不符合上述三種運(yùn)動(dòng)規(guī)律，則我們認(rèn)為該目標(biāo)正在作隨機(jī)速度直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)。
類(lèi)似地根據(jù)運(yùn)動(dòng)目標(biāo)在相繼感知時(shí)刻的位置數(shù)據(jù)，我們可以判定目標(biāo)是否作勻速圓周運(yùn)動(dòng)、勻加速圓周運(yùn)動(dòng)、近似可預(yù)測(cè)變加速圓周運(yùn)動(dòng)、隨機(jī)角速度圓周運(yùn)動(dòng)以及是否同時(shí)作直線(xiàn)和圓周運(yùn)動(dòng)。
當(dāng)前一監(jiān)控節(jié)點(diǎn)預(yù)測(cè)本監(jiān)控區(qū)域監(jiān)控時(shí)長(zhǎng)過(guò)短時(shí)，前一監(jiān)控節(jié)點(diǎn)在喚醒分組中添加目標(biāo)運(yùn)動(dòng)的歷史測(cè)量數(shù)據(jù)，本監(jiān)控節(jié)點(diǎn)直接根據(jù)該歷史測(cè)量數(shù)據(jù)確定目標(biāo)的運(yùn)動(dòng)特征，否則根據(jù)目標(biāo)運(yùn)動(dòng)的當(dāng)前測(cè)量數(shù)據(jù)確定目標(biāo)的運(yùn)動(dòng)特征。
第二、結(jié)合目標(biāo)的當(dāng)前位置、速度、運(yùn)動(dòng)方向等信息預(yù)測(cè)目標(biāo)的未來(lái)位置以及下一監(jiān)控節(jié)點(diǎn)的喚醒時(shí)刻。
目標(biāo)運(yùn)動(dòng)的速度和方向決定了目標(biāo)在當(dāng)前監(jiān)控區(qū)域停留的時(shí)間以及未來(lái)位置，而目標(biāo)運(yùn)動(dòng)的隨機(jī)性特征則決定了上述停留時(shí)間和未來(lái)位置預(yù)測(cè)的精確性。我們分若干種情況討論在不同運(yùn)動(dòng)隨機(jī)性前提下，目標(biāo)在當(dāng)前監(jiān)控區(qū)域的停留時(shí)間以及在下一監(jiān)控區(qū)域的起始位置。這里我們假設(shè)傳感器節(jié)點(diǎn)的感知各向同性，即其感知區(qū)域?yàn)橐詡鞲衅鞴?jié)點(diǎn)為圓心的一個(gè)圓，并假設(shè)感知半徑為r，傳感器網(wǎng)絡(luò)中所有節(jié)點(diǎn)的感知半徑相同。
情形1目標(biāo)作直線(xiàn)運(yùn)動(dòng) 當(dāng)目標(biāo)作直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)時(shí)，目標(biāo)運(yùn)動(dòng)的方向不變，并且該方向可由二個(gè)感知時(shí)刻目標(biāo)的位置數(shù)據(jù)確定；另一方面當(dāng)前監(jiān)控節(jié)點(diǎn)知道目標(biāo)在當(dāng)前監(jiān)控區(qū)域的起始位置，根據(jù)上述信息可以計(jì)算出目標(biāo)在當(dāng)前監(jiān)控區(qū)域的移動(dòng)距離。圖2給出了在當(dāng)前監(jiān)控區(qū)域目標(biāo)作直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)的示意圖。
設(shè)當(dāng)前監(jiān)控節(jié)點(diǎn)o為坐標(biāo)原點(diǎn)，運(yùn)動(dòng)目標(biāo)在當(dāng)前監(jiān)控區(qū)域的起始位置A坐標(biāo)為(x0，y0)，該起始位置A同時(shí)也是目標(biāo)在前一監(jiān)控區(qū)域E的退出位置，在下一感知時(shí)刻的位置B坐標(biāo)為(x1，y1)，由于目標(biāo)作直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)，因此目標(biāo)運(yùn)動(dòng)的軌跡方程如式(4)所示。
(y-y0)/(x-x0)＝(y1-y0)/(x1-x0)(4) 當(dāng)前監(jiān)控區(qū)域邊界曲線(xiàn)方程如式(5)所示。
x2+y2＝r2(5) 設(shè)(yj-yi)/(xj-xi)＝λi，j，(y0x1-y1x0)/(x1-x0)＝c1，由式(4)和(5)我們可求出目標(biāo)離開(kāi)當(dāng)前監(jiān)控區(qū)域的最終位置D坐標(biāo)為(cx，1，λ0，1 cx，1+c1)，該最終位置D同時(shí)也是目標(biāo)在下一監(jiān)控區(qū)域F的起始位置，目標(biāo)在當(dāng)前監(jiān)控區(qū)域的移動(dòng)距離dm如式(6)所示。
情形1.1目標(biāo)作勻速直線(xiàn)運(yùn)動(dòng) 在這種情形中，目標(biāo)運(yùn)動(dòng)的規(guī)律性很強(qiáng)，根據(jù)式(1)我們可以求出目標(biāo)的運(yùn)動(dòng)速度v0，據(jù)此可以計(jì)算出目標(biāo)在當(dāng)前監(jiān)控區(qū)域的停留時(shí)間tstay如式(7)所示。
tstay＝dm/v0(7) 情形1.2目標(biāo)作勻加速直線(xiàn)運(yùn)動(dòng) 在這種情形中，目標(biāo)運(yùn)動(dòng)的規(guī)律性也很強(qiáng)，根據(jù)式(1)、(2)我們可以求出目標(biāo)的運(yùn)動(dòng)速度v0和加速度a0，據(jù)此可以計(jì)算出目標(biāo)在當(dāng)前監(jiān)控區(qū)域的停留時(shí)間tstay如式(8)所示。
情形1.3目標(biāo)作近似可預(yù)測(cè)變加速直線(xiàn)運(yùn)動(dòng) 在這種情形中，目標(biāo)運(yùn)動(dòng)具有一定的規(guī)律性和隨機(jī)性，假設(shè)目標(biāo)移動(dòng)的距離d與所花時(shí)間t滿(mǎn)足如式(9)所示的關(guān)系。
d＝f(t)(9) 現(xiàn)對(duì)f(t)進(jìn)行泰勒展開(kāi)，并以三次多項(xiàng)式近似表示，我們有式(10) d≈f(t0)+f′(t0)(t-t0)+f″(t0)(t-t0)2/2！+f(3)(t0)(t-t0)3/3！(10) 設(shè)目標(biāo)在前一感知時(shí)刻的加速度為ai-1(i＞0)，當(dāng)前感知時(shí)刻的加速度為ai，感知間隔長(zhǎng)度為ti，則當(dāng)前感知時(shí)刻的加速度變化率Δai-1如式(11)所示。
Δai-1＝(ai-ai-1)/ti-1(i＞0)(11) 我們以v0近似f′(t0)，a0近似f″(t0)，Δa0近似f(3)(t0)，并設(shè)t0＝0，f(t0)＝0，d＝dm，我們有式(12) dm＝v0t+a0t2/2+Δa0t3/6(12) 采用切線(xiàn)法、二分法等方法求出的上述三次方程的根即為目標(biāo)在當(dāng)前監(jiān)控區(qū)域的停留時(shí)間tstay。
情形1.4目標(biāo)作隨機(jī)速度直線(xiàn)運(yùn)動(dòng) 在這種情形中目標(biāo)運(yùn)動(dòng)具有較大的隨機(jī)性，我們以最近一段時(shí)間目標(biāo)運(yùn)動(dòng)的平均速度近似作為目標(biāo)離開(kāi)當(dāng)前監(jiān)控區(qū)域前的平均速度

設(shè)vn為目標(biāo)當(dāng)前速度，k為速度統(tǒng)計(jì)樣本數(shù)，我們有式(13) 據(jù)此可以計(jì)算出目標(biāo)在當(dāng)前監(jiān)控區(qū)域的停留時(shí)間tstay如式(14)所示。
情形2目標(biāo)作圓周運(yùn)動(dòng) 當(dāng)目標(biāo)作圓周運(yùn)動(dòng)時(shí)，與圓心距離不變，并且可由三個(gè)感知時(shí)刻目標(biāo)的位置數(shù)據(jù)確定；另一方面當(dāng)前監(jiān)控節(jié)點(diǎn)知道目標(biāo)在當(dāng)前監(jiān)控區(qū)域的起始位置，根據(jù)上述信息可以計(jì)算出目標(biāo)在當(dāng)前監(jiān)控區(qū)域的移動(dòng)距離。圖3給出了在當(dāng)前監(jiān)控區(qū)域目標(biāo)作圓周運(yùn)動(dòng)的示意圖。
設(shè)當(dāng)前監(jiān)控節(jié)點(diǎn)o為坐標(biāo)原點(diǎn)，運(yùn)動(dòng)目標(biāo)在當(dāng)前監(jiān)控區(qū)域的起始位置A坐標(biāo)為(x0，y0)，該起始位置A同時(shí)也是目標(biāo)在前一監(jiān)控區(qū)域E的退出位置，在后續(xù)二個(gè)感知時(shí)刻的位置B、C坐標(biāo)分別為(x1，y1)和(x1，y2)。由于目標(biāo)作圓周運(yùn)動(dòng)，圓心坐標(biāo)滿(mǎn)足式(15)所示方程。
(x-x0)2+(y-y0)2＝(x-x1)2+(y-y1)2＝(x-x2)2+(y-y2)2(15) 設(shè)則圓心坐標(biāo)xo，c、yo，c、半徑ro如式(16)、(17)、(18)所示。
xo，c＝(c0，2λ0，1-c0，1λ0，2)/2(λ0，1-λ0，2)(16) yo，c＝(c0，1-c0，2)/2(λ0，1-λ0，2)(17) 目標(biāo)運(yùn)動(dòng)的軌跡方程如式(19)所示。
當(dāng)前監(jiān)控區(qū)域邊界曲線(xiàn)方程如式(5)所示，設(shè)則目標(biāo)離開(kāi)當(dāng)前監(jiān)控區(qū)域的最終位置D坐標(biāo)(xd，yd)為 該最終位置D同時(shí)也是目標(biāo)在下一監(jiān)控區(qū)域F的起始位置，實(shí)際上(xd，yd)僅取目標(biāo)從當(dāng)前監(jiān)控區(qū)域的起始位置開(kāi)始的運(yùn)動(dòng)軌跡與當(dāng)前監(jiān)控區(qū)域邊界曲線(xiàn)的交點(diǎn)坐標(biāo)。設(shè)符號(hào)函數(shù)sym(x)如式(22)所示。

則目標(biāo)在當(dāng)前監(jiān)控區(qū)域的移動(dòng)距離dm如式(23)所示。
設(shè)目標(biāo)的直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)速度為v，轉(zhuǎn)動(dòng)角速度為ω，則我們有 v＝r0ω(24) 類(lèi)似地目標(biāo)的直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)加速度和轉(zhuǎn)動(dòng)角加速度也滿(mǎn)足上述簡(jiǎn)單線(xiàn)性關(guān)系，因此我們可將勻速圓周運(yùn)動(dòng)、勻加速圓周運(yùn)動(dòng)、近似可預(yù)測(cè)變加速圓周運(yùn)動(dòng)和隨機(jī)角速度圓周運(yùn)動(dòng)分別近似映射為勻速直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)、勻加速直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)、近似可預(yù)測(cè)變加速直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)和隨機(jī)速度直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)，以便計(jì)算目標(biāo)在當(dāng)前監(jiān)控區(qū)域的停留時(shí)間tstay。
情形3目標(biāo)同時(shí)作直線(xiàn)和圓周運(yùn)動(dòng) 在這種情形中，目標(biāo)運(yùn)動(dòng)的方向和法向距離均發(fā)生改變，但二者存在某種相關(guān)性，由于當(dāng)前監(jiān)控節(jié)點(diǎn)知道目標(biāo)在當(dāng)前監(jiān)控區(qū)域的起始位置，根據(jù)上述信息可以計(jì)算出目標(biāo)離開(kāi)當(dāng)前監(jiān)控區(qū)域的最終位置坐標(biāo)和目標(biāo)在當(dāng)前監(jiān)控區(qū)域的停留時(shí)間。圖4給出了在當(dāng)前監(jiān)控區(qū)域目標(biāo)同時(shí)作直線(xiàn)和圓周運(yùn)動(dòng)的示意圖。
設(shè)O為第一極坐標(biāo)系原點(diǎn)，運(yùn)動(dòng)目標(biāo)在當(dāng)前監(jiān)控區(qū)域的起始位置A在該極坐標(biāo)系中的極坐標(biāo)為(ρ0，θ0)，該起始位置A也是目標(biāo)在前一監(jiān)控區(qū)域E的退出位置；設(shè)該起始位置同時(shí)又為第二極坐標(biāo)系的坐標(biāo)原點(diǎn)，且在此極坐標(biāo)系中運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的位移ρ1(t)和轉(zhuǎn)動(dòng)角度θ1(t)滿(mǎn)足式(25)、(26)所示關(guān)系。
ρ1(t)＝f(t)(25) θ1(t)＝g(t)(26) 這里t表示目標(biāo)的運(yùn)動(dòng)時(shí)間，設(shè)ρ0sinθ0＝h0，我們有 方程式(27)的根即為目標(biāo)在當(dāng)前監(jiān)控區(qū)域的停留時(shí)間tstay，目標(biāo)離開(kāi)當(dāng)前監(jiān)控區(qū)域的最終位置D在第二極坐標(biāo)系中的極坐標(biāo)為(f(tstay)，g(tstay))，該最終位置D同時(shí)也是目標(biāo)在下一監(jiān)控區(qū)域F的起始位置。
當(dāng)前監(jiān)控節(jié)點(diǎn)根據(jù)目標(biāo)在當(dāng)前監(jiān)控區(qū)域的起始位置、運(yùn)動(dòng)的方向特性、速度與角速度隨機(jī)特性，估計(jì)目標(biāo)離開(kāi)當(dāng)前監(jiān)控區(qū)域最終位置的范圍。如果目標(biāo)作勻速、勻加速直線(xiàn)或者圓周運(yùn)動(dòng)，則最終位置范圍為最終位置點(diǎn)本身；否則如果目標(biāo)作近似可預(yù)測(cè)變加速直線(xiàn)或者圓周運(yùn)動(dòng)，則最終位置范圍是以最終位置點(diǎn)為中心，以δ＝δ1為偏移的線(xiàn)段范圍，或者以最終位置點(diǎn)相位角為中心，以δω＝δω1為角度偏移的弧段范圍；否則如果目標(biāo)作隨機(jī)速度直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)或者隨機(jī)角速度圓周運(yùn)動(dòng)，則最終位置范圍是以最終位置點(diǎn)為中心，以δ＝δ2為偏移的線(xiàn)段范圍，或者以最終位置點(diǎn)相位角為中心，以δω＝δω2為角度偏移的弧段范圍。這里δ2＞δ1、δω2＞δω1；否則如果目標(biāo)同時(shí)作直線(xiàn)和圓周運(yùn)動(dòng)，則最終位置范圍是以最終位置點(diǎn)為中心以直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)對(duì)應(yīng)的δ為徑向偏移，同時(shí)以最終位置點(diǎn)相位角為中心以圓周運(yùn)動(dòng)對(duì)應(yīng)的δω為角度偏移的環(huán)段范圍。
當(dāng)前監(jiān)控節(jié)點(diǎn)根據(jù)目標(biāo)離開(kāi)當(dāng)前監(jiān)控區(qū)域最終位置的范圍，預(yù)測(cè)即將被喚醒的節(jié)點(diǎn)或節(jié)點(diǎn)群。被喚醒節(jié)點(diǎn)或節(jié)點(diǎn)群的選擇原則是節(jié)點(diǎn)的感知范圍或者節(jié)點(diǎn)群內(nèi)所有節(jié)點(diǎn)感知范圍組合包含該最終位置的范圍。
當(dāng)前監(jiān)控節(jié)點(diǎn)估計(jì)目標(biāo)在當(dāng)前監(jiān)控區(qū)域的停留時(shí)間。設(shè)喚醒分組從當(dāng)前監(jiān)控節(jié)點(diǎn)到被喚醒的節(jié)點(diǎn)或者節(jié)點(diǎn)群的最大傳輸時(shí)延為tdelay，接收節(jié)點(diǎn)處理喚醒分組并啟動(dòng)感知操作所需時(shí)間為tp，則感知操作從當(dāng)前監(jiān)控節(jié)點(diǎn)切換到下一監(jiān)控節(jié)點(diǎn)或者節(jié)點(diǎn)群所化時(shí)間tho＝tdelay+tp。當(dāng)前監(jiān)控節(jié)點(diǎn)在t＝tstay-tho-δt時(shí)刻向下一監(jiān)控節(jié)點(diǎn)或者節(jié)點(diǎn)群傳輸喚醒分組，這里δt表示時(shí)間誤差，其中當(dāng)目標(biāo)作勻速或者勻加速運(yùn)動(dòng)、近似可預(yù)測(cè)變加速運(yùn)動(dòng)和隨機(jī)速度運(yùn)動(dòng)時(shí)，δt分別取δt1、δt2、δt3值，這里δt1＜δt2＜δt3。喚醒分組應(yīng)包含歷史最大速度、最大加速度等極限運(yùn)動(dòng)參數(shù)。當(dāng)預(yù)測(cè)目標(biāo)在下一監(jiān)控節(jié)點(diǎn)的停留時(shí)間較短時(shí)，喚醒分組還應(yīng)包含目標(biāo)運(yùn)動(dòng)方向、運(yùn)動(dòng)隨機(jī)性特性、速度、加速度等運(yùn)動(dòng)信息。
第三、當(dāng)目標(biāo)位置預(yù)測(cè)失敗時(shí)，網(wǎng)絡(luò)根據(jù)目標(biāo)的運(yùn)動(dòng)歷史記錄和先驗(yàn)知識(shí)逐級(jí)啟動(dòng)預(yù)測(cè)失敗恢復(fù)過(guò)程。
如果被喚醒節(jié)點(diǎn)檢測(cè)到目標(biāo)，則向前一監(jiān)控節(jié)點(diǎn)發(fā)送喚醒確認(rèn)消息，否則進(jìn)入睡眠狀態(tài)。如果前一監(jiān)控節(jié)點(diǎn)在規(guī)定的時(shí)間間隔Timeout內(nèi)接收到有效的喚醒確認(rèn)消息，則進(jìn)入睡眠狀態(tài)；否則表明目標(biāo)已丟失，啟動(dòng)跟蹤失敗恢復(fù)過(guò)程。
目標(biāo)跟蹤失敗恢復(fù)過(guò)程分為二個(gè)階段。在階段1前一監(jiān)控節(jié)點(diǎn)以最后感知時(shí)刻目標(biāo)位置為參考點(diǎn)，以最后感知時(shí)刻到階段1恢復(fù)過(guò)程啟動(dòng)時(shí)刻的時(shí)間間隔trec1為運(yùn)動(dòng)時(shí)間，根據(jù)喚醒分組攜帶的歷史最大速度、最大加速度等極限運(yùn)動(dòng)參數(shù)，預(yù)測(cè)目標(biāo)的最大運(yùn)動(dòng)范圍。設(shè)最后感知時(shí)刻目標(biāo)的運(yùn)動(dòng)速度為vl，目標(biāo)的歷史最大加速度為ahm，目標(biāo)的歷史最大速度為vhm，則目標(biāo)的最大運(yùn)動(dòng)距離如式(28)所示 設(shè)最后感知時(shí)刻目標(biāo)的角速度為ωl，目標(biāo)的歷史最大角加速度為ωahm，目標(biāo)的歷史最大角速度為ωhm，則目標(biāo)的最大轉(zhuǎn)動(dòng)角度為dpm(ωl，ωahm，ωhm，trec1)。目標(biāo)的預(yù)測(cè)最大運(yùn)動(dòng)范圍是以參考點(diǎn)為圓心，以dpm(vl，ahm，vhm，trec1)為半徑，以最后感知時(shí)刻目標(biāo)運(yùn)動(dòng)方向?yàn)閰⒖冀?，±dpm(ωl，ωahm，ωhm，trec1)角度范圍內(nèi)的扇形區(qū)域。前一監(jiān)控節(jié)點(diǎn)向預(yù)測(cè)最大運(yùn)動(dòng)范圍內(nèi)的所有節(jié)點(diǎn)發(fā)送喚醒分組。
如果前一監(jiān)控節(jié)點(diǎn)在規(guī)定的時(shí)間間隔Timeout內(nèi)仍未接收到有效的喚醒確認(rèn)消息，表明階段1恢復(fù)過(guò)程失敗，啟動(dòng)階段2恢復(fù)過(guò)程。前一監(jiān)控節(jié)點(diǎn)以最后感知時(shí)刻目標(biāo)位置為參考點(diǎn)，以最后感知時(shí)刻到階段2恢復(fù)過(guò)程啟動(dòng)時(shí)刻的時(shí)間間隔trec2為運(yùn)動(dòng)時(shí)間，根據(jù)目標(biāo)最大速度、最大加速度等極限運(yùn)動(dòng)參數(shù)先驗(yàn)知識(shí)，預(yù)測(cè)目標(biāo)的最大運(yùn)動(dòng)范圍。設(shè)最后感知時(shí)刻目標(biāo)的運(yùn)動(dòng)速度為vl，目標(biāo)的先驗(yàn)已知最大加速度為am，目標(biāo)的先驗(yàn)已知最大速度為vm，則目標(biāo)的最大運(yùn)動(dòng)距離為dpm(vl，am，vm，trec2)，設(shè)最后感知時(shí)刻目標(biāo)的角速度為ωl，目標(biāo)的先驗(yàn)已知最大角加速度為ωam，目標(biāo)的先驗(yàn)已知最大角速度為ωm，則目標(biāo)的最大轉(zhuǎn)動(dòng)角度為dpm(ωl，ωam，ωm，trec2)。目標(biāo)的預(yù)測(cè)最大運(yùn)動(dòng)范圍是以參考點(diǎn)為圓心，以dpm(vl，am，vm，trec2)為半徑，以最后感知時(shí)刻目標(biāo)運(yùn)動(dòng)方向?yàn)閰⒖冀牵纃pm(ωl，ωam，ωm，trec2)角度范圍內(nèi)的扇形區(qū)域。前一監(jiān)控節(jié)點(diǎn)向預(yù)測(cè)最大運(yùn)動(dòng)范圍內(nèi)的所有節(jié)點(diǎn)發(fā)送喚醒分組。
權(quán)利要求
1.一種基于預(yù)測(cè)的無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)目標(biāo)跟蹤方法，其特征在于該方法包括如下步驟
a、根據(jù)目標(biāo)運(yùn)動(dòng)的當(dāng)前測(cè)量數(shù)據(jù)或者從前一監(jiān)控節(jié)點(diǎn)接收到的喚醒分組所攜帶的歷史測(cè)量數(shù)據(jù)確定目標(biāo)的運(yùn)動(dòng)特征；
b、當(dāng)前監(jiān)控節(jié)點(diǎn)結(jié)合目標(biāo)的當(dāng)前位置、速度、運(yùn)動(dòng)方向信息預(yù)測(cè)目標(biāo)的未來(lái)位置以及下一監(jiān)控節(jié)點(diǎn)的喚醒時(shí)刻；
c、當(dāng)目標(biāo)位置預(yù)測(cè)失敗時(shí)，網(wǎng)絡(luò)根據(jù)目標(biāo)的運(yùn)動(dòng)歷史記錄和先驗(yàn)知識(shí)逐級(jí)啟動(dòng)預(yù)測(cè)失敗恢復(fù)過(guò)程。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于預(yù)測(cè)的無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)目標(biāo)跟蹤方法，其特征在于，所述的步驟a中，如果喚醒分組攜帶目標(biāo)運(yùn)動(dòng)的歷史測(cè)量數(shù)據(jù)，則本監(jiān)控節(jié)點(diǎn)直接根據(jù)該歷史測(cè)量數(shù)據(jù)確定目標(biāo)的運(yùn)動(dòng)特征，否則根據(jù)目標(biāo)運(yùn)動(dòng)的當(dāng)前測(cè)量數(shù)據(jù)確定目標(biāo)的運(yùn)動(dòng)特征。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于預(yù)測(cè)的無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)目標(biāo)跟蹤方法，其特征在于，所述的步驟b中，當(dāng)前監(jiān)控節(jié)點(diǎn)先根據(jù)目標(biāo)的運(yùn)動(dòng)特征結(jié)合其當(dāng)前位置、速度、運(yùn)動(dòng)方向信息估計(jì)其運(yùn)動(dòng)模式類(lèi)別，然后采用各運(yùn)動(dòng)模式類(lèi)別相應(yīng)的估計(jì)方法預(yù)測(cè)目標(biāo)的未來(lái)位置以及下一監(jiān)控節(jié)點(diǎn)的喚醒時(shí)刻。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于預(yù)測(cè)的無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)目標(biāo)跟蹤方法，其特征在于，所述的步驟c更進(jìn)一步包含如下步驟
1)預(yù)測(cè)失敗恢復(fù)節(jié)點(diǎn)以最后感知時(shí)刻目標(biāo)位置為參考點(diǎn)，以最后感知時(shí)刻到本恢復(fù)過(guò)程啟動(dòng)時(shí)刻的時(shí)間間隔為運(yùn)動(dòng)時(shí)間，根據(jù)接收到的喚醒分組所攜帶的歷史最大速度、最大加速度、最大角速度、最大角加速度極限運(yùn)動(dòng)參數(shù)，預(yù)測(cè)目標(biāo)的最大運(yùn)動(dòng)范圍。預(yù)測(cè)失敗恢復(fù)節(jié)點(diǎn)向預(yù)測(cè)最大運(yùn)動(dòng)范圍內(nèi)的所有節(jié)點(diǎn)發(fā)送喚醒分組。
2)如果預(yù)測(cè)失敗恢復(fù)節(jié)點(diǎn)在規(guī)定的時(shí)間間隔內(nèi)仍未接收到有效的喚醒確認(rèn)消息，啟動(dòng)本恢復(fù)過(guò)程。此時(shí)預(yù)測(cè)失敗恢復(fù)節(jié)點(diǎn)以最后感知時(shí)刻目標(biāo)位置為參考點(diǎn)，以最后感知時(shí)刻到本恢復(fù)過(guò)程啟動(dòng)時(shí)刻的時(shí)間間隔為運(yùn)動(dòng)時(shí)間，根據(jù)目標(biāo)最大速度、最大加速度、最大角速度、最大角加速度極限運(yùn)動(dòng)參數(shù)先驗(yàn)知識(shí)，預(yù)測(cè)目標(biāo)的最大運(yùn)動(dòng)范圍。預(yù)測(cè)失敗恢復(fù)節(jié)點(diǎn)向預(yù)測(cè)最大運(yùn)動(dòng)范圍內(nèi)的所有節(jié)點(diǎn)發(fā)送喚醒分組。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種基于預(yù)測(cè)的無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)目標(biāo)跟蹤方法，該方法包含如下步驟a.根據(jù)目標(biāo)運(yùn)動(dòng)的當(dāng)前測(cè)量數(shù)據(jù)或者歷史測(cè)量數(shù)據(jù)確定目標(biāo)的運(yùn)動(dòng)特征；b.結(jié)合目標(biāo)的當(dāng)前位置、速度、運(yùn)動(dòng)方向等信息預(yù)測(cè)目標(biāo)的未來(lái)位置以及下一監(jiān)控節(jié)點(diǎn)的喚醒時(shí)刻；c.當(dāng)目標(biāo)位置預(yù)測(cè)失敗時(shí)，網(wǎng)絡(luò)根據(jù)目標(biāo)的運(yùn)動(dòng)歷史記錄和先驗(yàn)知識(shí)逐級(jí)啟動(dòng)預(yù)測(cè)失敗恢復(fù)過(guò)程。本發(fā)明根據(jù)目標(biāo)運(yùn)動(dòng)的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)確定目標(biāo)的運(yùn)動(dòng)特征，并據(jù)此預(yù)測(cè)目標(biāo)的未來(lái)運(yùn)動(dòng)。該方法的最大優(yōu)點(diǎn)是在確保網(wǎng)絡(luò)可靠跟蹤目標(biāo)的前提下，減少了被喚醒傳感器節(jié)點(diǎn)的數(shù)目，從而降低了節(jié)點(diǎn)的能耗，延長(zhǎng)了目標(biāo)跟蹤傳感器網(wǎng)絡(luò)的壽命。
文檔編號(hào)H04L29/08GK101207638SQ200710164468
公開(kāi)日2008年6月25日 申請(qǐng)日期2007年12月3日 優(yōu)先權(quán)日2007年12月3日
發(fā)明者楊海波, 陳友榮, 蔡文郁 申請(qǐng)人:浙江樹(shù)人大學(xué)