一種基于直線掃描事件及移動(dòng)錨節(jié)點(diǎn)的定位算法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)(Wireless Sensor Network，WSN)研究中的定位技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種基于直線掃描事件及移動(dòng)錨節(jié)點(diǎn)的定位算法。
【背景技術(shù)】
[0002]無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)(WSN)作為當(dāng)今信息領(lǐng)域新的研究熱點(diǎn)，有非常多的關(guān)鍵技術(shù)有待發(fā)現(xiàn)和研究，定位技術(shù)就是其關(guān)鍵技術(shù)之一。位置信息是傳感器節(jié)點(diǎn)采集數(shù)據(jù)中不可缺少的部分，沒(méi)有位置信息的監(jiān)測(cè)消息通常毫無(wú)意義。為了提供有效的位置信息，傳感器節(jié)點(diǎn)必須能夠在部署后確定自身的位置，但是由于傳感器節(jié)點(diǎn)的能量有限及通信易受周圍環(huán)境的影響，就要求定位機(jī)制必須滿足自組織性，健壯性，能量高效，分布式計(jì)算等要求。
[0003]在無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中，所謂節(jié)點(diǎn)定位，是指在無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中，借助少量位置已知的錨節(jié)點(diǎn)，結(jié)合一定的計(jì)算策略來(lái)計(jì)算網(wǎng)絡(luò)中其他位置未知的節(jié)點(diǎn)的位置。
[0004]定位算法可以有多種分類方法。根據(jù)定位過(guò)程中是否需要測(cè)量節(jié)點(diǎn)間的歐式距離，可將定位算法分為:基于距離的(range-based)定位算法和距離無(wú)關(guān)的(range-free)定位算法；根據(jù)節(jié)點(diǎn)定位的先后次序不同，可將定位算法分為:遞增式的(incremental)定位算法和并發(fā)式的(concurrent)定位算法；根據(jù)節(jié)點(diǎn)定位過(guò)程中是否需要借助于銷節(jié)點(diǎn)，可將定位算法分為:基于銷節(jié)點(diǎn)的(anchor-based)定位算法和無(wú)銷節(jié)點(diǎn)的(anchor-free)定位算法。
[0005]其中，根據(jù)定位過(guò)程中是否需要測(cè)量節(jié)點(diǎn)間距離的定位算法被學(xué)者們使用的最多，在此基礎(chǔ)上，根據(jù)定位過(guò)程中是否需要使用外部事件，可將定位算法分為:事件驅(qū)動(dòng)(event-driven)的定位算法和事件無(wú)關(guān)(event-free)的定位算法。
[0006]距離無(wú)關(guān)定位算法的定位思路有很多，其中有一種是通過(guò)一定的策略來(lái)確定節(jié)點(diǎn)所處的一塊區(qū)域，稱為目標(biāo)區(qū)域，然后通過(guò)一定的方法來(lái)不斷縮小節(jié)點(diǎn)的目標(biāo)區(qū)域，當(dāng)目標(biāo)區(qū)域足夠小時(shí)再利用一定的策略(如質(zhì)心法)從該區(qū)域中選擇一點(diǎn)作為節(jié)點(diǎn)的最終位置?；谑录亩ㄎ凰惴ㄗ鳛橐环N新的定位途徑，也經(jīng)歷了一個(gè)不斷求精、不斷優(yōu)化的過(guò)程，該文獻(xiàn)將基于無(wú)控事件的定位算法確定為第三代基于事件的定位算法，并定義了前兩代定位算法，以下對(duì)第一、二代基于事件的定位算法作簡(jiǎn)略的介紹。
[0007]第一代基于事件的定位算法要求產(chǎn)生極其精確的外部事件，并且對(duì)于事件的傳播和擴(kuò)散也要求有精確的控制，所以又稱為基于精確控制事件的定位算法
[0008]第二代基于事件的定位算法對(duì)于事件的產(chǎn)生與控制要求都寬松了許多，更多的是通過(guò)建立數(shù)學(xué)模型來(lái)提高定位精度和定位效率，因此這一代算法又被稱為基于半控制事件的定位算法。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0009]針對(duì)基于無(wú)控事件的定位算法在同一錨節(jié)點(diǎn)分布條件下總是存在事件冗余的情況，使得定位的效率較低。為了解決事件冗余的問(wèn)題，本發(fā)明提出了一種基于直線掃描事件及移動(dòng)錨節(jié)點(diǎn)的定位算法。
[0010]本發(fā)明的目的是這樣實(shí)現(xiàn)的:
[0011]基于直線掃描事件及移動(dòng)錨節(jié)點(diǎn)的定位算法，包括:
[0012](1)每輪定位產(chǎn)生兩個(gè)事件，兩個(gè)事件的光束掃描角度相差90度，分別對(duì)兩個(gè)事件進(jìn)行一次定位，A、B、C為錨節(jié)點(diǎn)，M、P、Q為網(wǎng)絡(luò)中的未知節(jié)點(diǎn)；
[0013](2)按照感知到光束的先后順序?qū)⑺泄?jié)點(diǎn)的ID排成一個(gè)序列稱為節(jié)點(diǎn)序列，從節(jié)點(diǎn)序列中提取出錨節(jié)點(diǎn)序列；
[0014](3)根據(jù)錨節(jié)點(diǎn)序列估計(jì)出光束掃描的角度范圍Θ ；
[0015](4)將整個(gè)網(wǎng)絡(luò)區(qū)域劃分成網(wǎng)格，確定網(wǎng)格內(nèi)的未知節(jié)點(diǎn)P的區(qū)域范圍；依次判斷未知節(jié)點(diǎn)P與連續(xù)的兩個(gè)錨節(jié)點(diǎn)構(gòu)成的角與光束掃描角度是否有重疊部分；從而確定出未知節(jié)點(diǎn)P可能的區(qū)域范圍；
[0016](5)經(jīng)過(guò)一輪定位后，如果定位輪數(shù)沒(méi)有達(dá)到指定值，隨機(jī)移動(dòng)錨節(jié)點(diǎn)；
[0017](6)重復(fù)⑴、⑵、(3)、(4)、(5)五個(gè)步驟直到定位輪數(shù)達(dá)到指定值；
[0018](7)未知節(jié)點(diǎn)將每個(gè)事件得到的位置區(qū)域取交集，對(duì)得到的交集區(qū)域用質(zhì)心法求未知節(jié)點(diǎn)的位置坐標(biāo)，定位結(jié)束。
[0019]所述步驟(1)隨機(jī)產(chǎn)生一個(gè)角度，然后沿著該角度掃描，另一個(gè)光束與前一個(gè)光束成90度角即可；所述步驟(3)取錨節(jié)點(diǎn)序列中連續(xù)的三個(gè)錨結(jié)節(jié)點(diǎn)組成估計(jì)單元，共n-2個(gè)，兩個(gè)估計(jì)單元都是按同一個(gè)角度和方向掃描得到的序列，所有估計(jì)單元所確定的掃描角度范圍之間都進(jìn)行交運(yùn)算而取重疊部分，不斷的減小掃描角度的估計(jì)范圍，最后的重疊范圍就是要估計(jì)的真實(shí)掃描角度的可能范圍。
[0020]所述步驟(4)中將整個(gè)區(qū)域劃分成X個(gè)小區(qū)域，過(guò)錨節(jié)點(diǎn)序列中連續(xù)的兩個(gè)錨節(jié)點(diǎn)畫一條直線，再過(guò)其他錨節(jié)點(diǎn)作該直線的平行線，取所有連續(xù)的錨節(jié)點(diǎn)對(duì)重復(fù)上述過(guò)程即完成劃分。
[0021]所述步驟(7)中根據(jù)每個(gè)事件得到的位置區(qū)域取交集部分，再用質(zhì)心算法最終定位節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)，進(jìn)一步提高定位精度。
[0022]本發(fā)明具有的有益效果:
[0023]本發(fā)明引入了移動(dòng)錨節(jié)點(diǎn)的思想，要求兩次移動(dòng)之間只取兩個(gè)事件，且這兩個(gè)事件的掃描角度相差π/2。從總體上看，LLSEMA是利用少量的外部代價(jià)換取了更加高效，更加精確的定位結(jié)果。所以LLSEMA算法相對(duì)于LLSE算法總體性能上更優(yōu)。
【附圖說(shuō)明】
[0024]圖1為本發(fā)明基于直線掃描事件及移動(dòng)錨節(jié)點(diǎn)的定位算法的流程圖。
[0025]圖2(a)為本發(fā)明基于直線掃描事件及移動(dòng)錨節(jié)點(diǎn)的定位算法光束垂直向下掃描區(qū)域。
[0026]圖2(b)為本發(fā)明基于直線掃描事件及移動(dòng)錨節(jié)點(diǎn)的定位算法由圖2(a)得到的掃描角度范圍。
[0027]圖3(a)為本發(fā)明基于直線掃描事件及移動(dòng)錨節(jié)點(diǎn)的定位算法的錨節(jié)點(diǎn)組成的兩個(gè)估計(jì)單元分別確定的掃描角度。
[0028]圖3(b)為本發(fā)明基于直線掃描事件及移動(dòng)錨節(jié)點(diǎn)的定位算法圖3 (a)組成的兩個(gè)估計(jì)單元確定的掃描角度的交集。
[0029]圖4(a)為本發(fā)明基于直線掃描事件及移動(dòng)錨節(jié)點(diǎn)的定位算法的區(qū)域劃分示意圖。
[0030]圖4(b)為本發(fā)明基于直線掃描事件及移動(dòng)錨節(jié)點(diǎn)的定位算法區(qū)域劃分后未知節(jié)點(diǎn)的目標(biāo)區(qū)域。
[0031]圖5(a)為本發(fā)明基于直線掃描事件及移動(dòng)錨節(jié)點(diǎn)的定位算法的光束垂直向下掃描時(shí)未知節(jié)點(diǎn)3的目標(biāo)區(qū)域。
[0032]圖5(b)為本發(fā)明基于直線掃描事件及移動(dòng)錨節(jié)點(diǎn)的定位算法的光束水平向右掃描時(shí)未知節(jié)點(diǎn)3的目標(biāo)區(qū)域。
[0033]圖5(c)為本發(fā)明基于直線掃描事件及移動(dòng)錨節(jié)點(diǎn)的定位算法由圖5(a)和圖5(b)中得到的未知節(jié)點(diǎn)3的目標(biāo)區(qū)域的交集。
[0034]圖6為本發(fā)明基于直線掃描事件及移動(dòng)錨節(jié)點(diǎn)的定位算法的定位精度與錨節(jié)點(diǎn)數(shù)量關(guān)系。
[0035]圖7為本發(fā)明基于直線掃描事件及移動(dòng)錨節(jié)點(diǎn)的定位算法的定位精度與事件數(shù)量的關(guān)系。
[0036]圖8為本發(fā)明基于直線掃描事件及移動(dòng)錨節(jié)點(diǎn)的定位算法的定位精度與事件數(shù)量的關(guān)系。
【具體實(shí)施方式】
[0037]下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步描述。
[0038]本發(fā)明提供了一種基于直線掃描事件及移動(dòng)錨節(jié)點(diǎn)的定位算法(LLSEMA)。LLSEMA算法是在LLSE定位算法基礎(chǔ)上引入移動(dòng)錨節(jié)點(diǎn)思想，按輪次進(jìn)行定位，同一輪次內(nèi)錨節(jié)點(diǎn)固定不動(dòng)，產(chǎn)生兩個(gè)事件，第一個(gè)事件隨機(jī)產(chǎn)生，亦即用隨機(jī)方向和隨機(jī)掃描角度的光束對(duì)傳感器網(wǎng)絡(luò)區(qū)域掃描，第二個(gè)事件光束掃描角度與第一個(gè)事件中光束掃描角度相差90度，對(duì)兩個(gè)事件分別進(jìn)行一次定位，本算法將這兩次定位稱為一輪定位。首先，獲取節(jié)點(diǎn)序列，即各個(gè)節(jié)點(diǎn)根據(jù)自身感知到光束的時(shí)間順序排成一個(gè)序列，這里假設(shè)光束可以掃描到所有節(jié)點(diǎn)；其次，根據(jù)得到的節(jié)點(diǎn)序列，取序列中任意三個(gè)錨節(jié)點(diǎn)組成不同的估計(jì)單元，所有估計(jì)單元確定掃描角度范圍的重疊區(qū)域就是要估計(jì)的真實(shí)掃描角度的可能范圍；再次，將無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)區(qū)域劃分成網(wǎng)格，根據(jù)估計(jì)出來(lái)的光束掃描角度范圍，估計(jì)在網(wǎng)格內(nèi)每個(gè)未知節(jié)點(diǎn)的位置區(qū)域；最后對(duì)估計(jì)出的未知節(jié)點(diǎn)區(qū)域使用質(zhì)心法得到未知節(jié)點(diǎn)的位置坐標(biāo)。
[0039]—種基于直線掃描事件及移動(dòng)錨節(jié)點(diǎn)的定位算法，對(duì)節(jié)點(diǎn)序列差異度的分析可知，各事件所得到的節(jié)點(diǎn)序列差異越大，LLSEMA算法的定位效率越尚，經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)使廣生的事件的掃描角度之間相差盡量接近90度角時(shí)可以取得最大的節(jié)點(diǎn)序列差異，同時(shí)在未知節(jié)點(diǎn)數(shù)量一定時(shí)，節(jié)點(diǎn)序列差異度總體上隨著錨節(jié)點(diǎn)數(shù)量的增加呈上升趨勢(shì)。我們可以將無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)定位描述如下。
[0040]步驟1:將A，B，C定義為無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)區(qū)域內(nèi)的錨節(jié)點(diǎn)，1，2，3，4，5，6，7，8為無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)區(qū)域內(nèi)的未知節(jié)點(diǎn)，用一束隨機(jī)的光束掃描無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)區(qū)域；
[0041]步驟2:按照感知到的時(shí)間順序得到節(jié)點(diǎn)序列和錨節(jié)點(diǎn)序列。并且假設(shè)掃描得到的節(jié)點(diǎn)序列為3A1648C2B75，錨節(jié)點(diǎn)序列為ACB ;
[0042]步驟3