基于自適應(yīng)差分的粒子群定位算法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)領(lǐng)域，設(shè)及一種基于自適應(yīng)差分的粒子群定位算 法。
【背景技術(shù)】
[0002] 隨著物聯(lián)網(wǎng)研究和應(yīng)用深入，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)在其中起到了關(guān)鍵的推動作用。無 線傳感器網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)在軍事、民用等領(lǐng)域有很多應(yīng)用，包括環(huán)境監(jiān)測、網(wǎng)站安全、醫(yī)療診斷、戰(zhàn) 場監(jiān)視、災(zāi)害救助和輔助生活等。生活中很多應(yīng)用與位置有關(guān)，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)易于部署、 可擴(kuò)展性高、成本低等特點(diǎn)使其在室內(nèi)定位中具有很大的優(yōu)勢
[0003] 定位技術(shù)是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的主要支撐技術(shù)之一，受到研究人員的廣泛關(guān)注。現(xiàn) 有的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)定位主要可分為基于測距的定位和無需測距的定位算法，其主要區(qū)別 在于是否需要距離信息?；跍y距的定位算法中節(jié)點(diǎn)使用測距技術(shù)獲得距離信息，定位精 度較高但是需要額外的設(shè)備，而無需測距的定位算法僅依靠相鄰節(jié)點(diǎn)間的連通關(guān)系進(jìn)行定 位，無需基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)設(shè)施的支持，定位精度較低。
[0004] 在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中，最小二乘算法是比較常用的定位方法，定位原理簡單易于 實(shí)現(xiàn)，只需要利用目標(biāo)到3個參考節(jié)點(diǎn)距離相交于一點(diǎn)，只要3個參考節(jié)點(diǎn)不在一條直線上， 就可W計(jì)算出目標(biāo)的位置，如圖1(a)所示。當(dāng)網(wǎng)絡(luò)中的錯節(jié)點(diǎn)的部署密度十分高時，利用多 個錯節(jié)點(diǎn)的信息往往可W取得較高的定位精度。在實(shí)際應(yīng)用中，需要考慮到得不僅僅是定 位的精度，還有錯節(jié)點(diǎn)的密度、計(jì)算開銷和硬件成本。為了提高定位精度和降低成本，通常 對最小二乘算法進(jìn)行加權(quán)或者采用粒子群算法捜索目標(biāo)位置。如圖1(b)所示，由于測距產(chǎn) 生的誤差，定位所需的圓大多數(shù)都是交匯于一個區(qū)域，造成定位結(jié)果估算誤差大和誤差累 積嚴(yán)重的現(xiàn)象。而利用最小二乘算法容易受到環(huán)境的影響，往往測得信號強(qiáng)度小于實(shí)際測 量的信號強(qiáng)度，會造成定位結(jié)果的誤差累積;通過粒子群算法迭代捜尋目標(biāo)位置，易陷入局 部最優(yōu)解，造成較大的定位誤差。對于粒子群算法，種群的多樣性和加強(qiáng)局部捜索能力成為 影響定位的主要問題，改進(jìn)粒子群算法提高定位精度顯得尤為重要。
[0005] 假設(shè)(x，y)為未知節(jié)點(diǎn)的位置，（xi，yi)為錯節(jié)點(diǎn)的位置，di為未知節(jié)點(diǎn)到錯節(jié)點(diǎn)的 距離，最小二乘算法的定位模型為：
H)
[0007]改寫成矩陣形式：
[000引 n
一 ". . 'I \ ' .1 -. I I ./ (' 2 )
[0009] 簡寫為
[0010] Hx=b
[0013] 運(yùn)個方程的最小方差解為
[0014] X=化化)-1腫 (3)

【發(fā)明內(nèi)容】

[0015] 本文發(fā)明的目的是解決基于粒子群定位收斂速度慢和定位不穩(wěn)定的問題，提出一 種基于自適應(yīng)差分粒子群定位算法。首先利用未知節(jié)點(diǎn)收到錯節(jié)點(diǎn)的距離信息，采用最小 二乘算法計(jì)算位置，然后利用改進(jìn)的自適應(yīng)差分算法生成新的種群，再用粒子群算法和新 的變異策略進(jìn)行局部捜索，與適應(yīng)值比較反復(fù)迭代逐漸漸近收斂，最后得出未知節(jié)點(diǎn)位置。
[0016] 按照本發(fā)明提供的技術(shù)方案，基于自適應(yīng)差分的粒子群算法在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中 的定位方法，具體如下。
[0017] (1)在目標(biāo)區(qū)域隨機(jī)部署一定數(shù)量的錯節(jié)點(diǎn)和未知節(jié)點(diǎn)，錯節(jié)點(diǎn)周期性地廣播自 身的信息；
[0018] (2)未知節(jié)點(diǎn)根據(jù)錯節(jié)點(diǎn)發(fā)送的信號強(qiáng)度估算出其錯節(jié)點(diǎn)之間距離，計(jì)算錯節(jié)點(diǎn) 到未知節(jié)點(diǎn)的距離采用公式(5);
[0019] (3)網(wǎng)絡(luò)中與未知節(jié)點(diǎn)相鄰的錯節(jié)點(diǎn)在硬件環(huán)境下運(yùn)行后，根據(jù)提出的算法初始 化確定種群規(guī)模m，劃分種群個數(shù)j，W及各粒子的位置矢量pi = (pii，pi2,…，PU)和速度矢 mvi=(vii,vi2,-"Vij)；
[0020] (4)為了保障種群的多樣性，利用差分算法生成新的粒子群和新的算子，采用公式 (6)變異粒子群；
[0021] (5)對新生成的粒子群，采用公式（11)更新新的粒子群位置和速度矢量，并且采用 公式(13)獲取各個粒子的適應(yīng)值；
[0022] (6)通過粒子適應(yīng)值與最優(yōu)解Pbest的適應(yīng)值對比不斷更新Pibest;
[0023] (7)對比粒子最優(yōu)解Pibest和全局最優(yōu)解Pbest的適應(yīng)值，不斷更新Pbest;
[0024] (8)假如當(dāng)前迭代次數(shù)達(dá)到滿意解則算法終止，否則進(jìn)入(4)進(jìn)行循環(huán)迭代直到滿 意為止；
[002引（9)輸出Pbest,即可得到未知節(jié)點(diǎn)的位置，算法結(jié)束。
[00%]本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)是：
[0027] (1)采用粒子群算法和權(quán)重調(diào)節(jié)在全局中捜索最優(yōu)解，通過與適應(yīng)值的比對，最終 獲得未知節(jié)點(diǎn)的位置。本發(fā)明采用自適應(yīng)差分算法生成新的粒子群，保證了粒子群的多樣 性，擴(kuò)大目標(biāo)在個體種群中的捜索范圍，增強(qiáng)算法的探索能力，粒子群算法和差分算法聯(lián)合 捜索局部最優(yōu)解，加快了收斂速度。
[0028] (2)傳統(tǒng)的差分算法都是靠經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ驮O(shè)置參數(shù)，種群規(guī)模、縮放因子和交叉概率因 子對算法的全局尋優(yōu)能力、收斂速度和穩(wěn)定性等都有較大影響。本發(fā)明的自適應(yīng)差分算法 在變異策略和參數(shù)設(shè)置都加 W改進(jìn)，參數(shù)隨著進(jìn)化不斷的調(diào)整，在收斂速度和魯棒性上具 有明顯的優(yōu)勢。
[0029] (3)在室內(nèi)情況下，由于受到環(huán)境的干擾，造成較大測距誤差，采用最小二乘算法 定位精度不太理想，往往需要大量的錯節(jié)點(diǎn)才能高的定位精度，增加了定位的硬件成本。本 發(fā)明充分利用了定位節(jié)點(diǎn)的資源，減小了定位成本。
【附圖說明】
[0030] 圖1為S邊距離測量對比圖。圖1(a)為理想狀態(tài)下的距離交匯圖，圖1(b)為實(shí)際情 況下的距離交匯圖
[0031] 圖2為不同迭代次數(shù)的平均定位誤差曲線。
[0032] 圖3為不同錯節(jié)點(diǎn)比例的平均定位誤差曲線。
[0033] 圖4為不同網(wǎng)絡(luò)連通度的平均定位誤差曲線。
[0034] 圖5為不同測距誤差的平均定位誤差曲線。
【具體實(shí)施方式】
[0035] 基于自適應(yīng)差分的粒子群定位算法，主要包括差分變異粒子群、選擇算子和粒子 群算法與差分算法聯(lián)合捜索局部最優(yōu)解和比較適應(yīng)值。本發(fā)明WlOOmX IOOm作為實(shí)驗(yàn)仿真 的區(qū)域，仿真區(qū)域內(nèi)所有節(jié)點(diǎn)之間通信正常，通信半徑為30m;種群規(guī)模為NP = 30,最大迭代 次數(shù)為gmax = 60，最大速度Vmax = 10，初始慣性權(quán)重Wmax = O . 8，最終權(quán)重Wmin = O . 1，Cl = C2 = 2， 所有仿真試驗(yàn)均進(jìn)行500次，利用平均定位誤差判斷算法定位精度：
(41
[0037] 其中，J為未知節(jié)點(diǎn)估計(jì)的平均位置，X為未知節(jié)點(diǎn)實(shí)際位置，Q為網(wǎng)絡(luò)中未知節(jié)點(diǎn) 個數(shù)，R為通信半徑。
[0038] 本發(fā)明基于自適應(yīng)差分的粒子群定位算法包括W下步驟：
[0039] (1)在目標(biāo)區(qū)域隨機(jī)部署一定數(shù)量的錯節(jié)點(diǎn)和未知節(jié)點(diǎn)，錯節(jié)點(diǎn)周期性地廣播自 身的信息；
[0040] (2)未知節(jié)點(diǎn)根據(jù)錯節(jié)點(diǎn)發(fā)送的信號強(qiáng)度估算出其錯節(jié)點(diǎn)之間距離，其計(jì)算方式 如下
巧）
[0042] 其中，Po(do)為參考節(jié)點(diǎn)do處的信號強(qiáng)度，Pr(d)為在距離d處的未知節(jié)點(diǎn)的信號強(qiáng) 度，n為路徑損耗系數(shù)，通常取值在2~