无线移动传感器网络的分布式目标跟踪算法研究

论文摘要

无线移动传感器网络是无线传感器网络的一种,由分散的移动节点组成,每个节点除了具有传统静态节点的传感、计算和通信能力外,还具有一定的机动能力,节点可以独立布置而不必依附其它物体。无线移动传感器网络对移动目标的跟踪,要求网络整体随目标的移动而移动,保持目标对网络可见,这是无线移动传感器网络的动态目标跟踪不同于传统无线传感器网络目标跟踪的最显著特点。本文主要研究了无线移动传感器网络的能量有效性、动态网络拓扑、低复杂度定位算法、分布式目标跟踪算法,并提出了无线移动传感器网络实验平台的设计方案。在分析传统ISO七层体系结构和现有无线传感器网络体系结构的基础上,提出了符合应用需求的无线移动传感器网络节点的跨层体系结构。分析现有基于跨层的功率算法的基础上,指出现有功率控制算法存在的不足,有针对性的进行大量的实测数据实验,在对数据进行分析和处理的基础上,提出新的跨层功率控制算法的设计和实现方法。分析现有无线传感器网络的网络拓扑算法,指出其不适合无线移动传感器网络的原因,进而提出满足无线移动传感器网络要求的层次型动态网络拓扑算法和节点自主布置算法,为实现目标定位和跟踪提供了前提。无线移动传感器网络目标跟踪的前提是获得节点位置坐标。在大量实验数据的基础上,对数据进行统计分析,得出统计分析模型,提出一种采用RSSI测距方法、低复杂度的无线节点定位算法。算法在实际使用过程中,采用最小二乘法对数据进行修正以消除各种干扰对测量数据的影响。无线移动传感器网络的目标跟踪算法具体划分为目标运动趋势预测和后续节点引导两个阶段,本文对每个阶段中涉及到的算法都进行了详细的论述。提出基于分布式粒子滤波DPF、结合高斯混合模型GMM和平均consensus滤波的分布式目标跟踪算法,以完成运动趋势预测;提出基于广度优先搜索BFS的节点引导算法,实现节点的后续引导。最后,为验证无线移动传感器网络的各方面性能,缩短系统软、硬件的开发周期,通过分析和研究节点硬件和网络通信协议的开发流程,提出无线移动传感器网络实验平台的设计方案。有关无线移动传感器网络的各方面研究,涉及微电子、机器人技术、计算技术和无线通信等多个领域,许多知识和技术都是若干学科的交叉,因此,其理论的深入研究和技术的开发应用尚有大量艰巨的工作。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 序论
• 1.1 研究背景
• 1.1.1 课题来源
• 1.1.2 研究的目的和意义
• 1.2 无线移动传感器网络的研究现状
• 1.3 相关领域的国内外研究现状
• 1.3.1 能量有效性
• 1.3.2 无线定位算法
• 1.3.3 目标跟踪算法
• 1.4 本文的主要创新点
• 1.4.1 设计节点跨层协议和网络动态拓扑以保证目标跟踪的性能
• 1.4.2 设计低复杂度的节点定位算法作为目标跟踪的基础
• 1.4.3 结合GMM和平均consensus滤波的分布式目标跟踪算法
• 1.4.4 设计引导算法指引移动节点向预测区域靠拢完成目标跟踪
• 1.5 文章的结构组织
• 第2章 基于无线移动传感器网络的目标定位和跟踪算法
• 2.1 目标定位和跟踪的前提
• 2.1.1 无线移动传感器网络的拓扑结构
• 2.1.2 能量有效性研究
• 2.2 移动节点定位算法
• 2.2.1 定位及测距方法的选择
• 2.2.2 基于RSSI定位算法的不足
• 2.2.3 定位算法的评估指标
• 2.3 动态目标跟踪算法
• 2.3.1 已有目标跟踪算法的不足
• 2.3.2 目标跟踪策略的选择
• 2.3.3 目标跟踪原理
• 2.3.4 数据融合
• 2.3.5 目标跟踪算法的评估指标
• 2.4 本章小结
• 第3章 无线移动传感器网络的能量有效性研究
• 3.1 能量有效性的实现方法
• 3.1.1 跨层设计和功率控制的结合
• 3.1.2 移动节点的自主布置
• 3.2 跨层体系结构WCLS的设计
• 3.2.1 对现有跨层体系结构的分析
• 3.2.2 网络层次结构
• 3.2.3 全局代理WA
• 3.2.4 跨层协议设计
• 3.3 跨层高效功率控制算法的设计
• 3.3.1 对传统功率控制算法的评价
• 3.3.2 算法设计思路
• 3.3.3 实验环境的建立
• 3.3.4 数据的测量和分析
• 3.3.5 BL-CLPC的提出
• 3.4 BL-CLPC的实验评估
• 3.4.1 评估环境的建立
• 3.4.2 数据到达率评估
• 3.4.3 网络功耗评估
• 3.4.4 控制帧数量评估
• 3.4.5 评估数据分析和结论
• 3.5 基于网格的无线移动传感器网络节点的自主布置
• 3.5.1 节点移动模型
• 3.5.2 FLPC算法设计
• 3.6 算法评估
• 3.6.1 网络动态拓扑算法评估
• 3.6.2 FLPC算法评估
• 3.7 本章小结
• 第4章 无线移动传感器网络的低复杂度节点定位算法
• 4.1 算法设计思路与实验环境建立
• 4.1.1 设计思路
• 4.1.2 实验环境
• 4.2 距离评估
• 4.2.1 基于RSSI的距离评估
• 4.2.2 基于丢包率的距离评估
• 4.2.3 测距与BL-CLPC的关系
• 4.3 算法设计
• 4.4 算法性能评估
• 4.5 采用最小二乘法对测量数据进行修正
• 4.5.1 最小二乘法拟合的基本原理
• 4.5.2 数据修正过程
• 4.5.3 数据修正结果
• 4.6 算法的使用和改进方向
• 4.7 本章小结
• 第5章 无线移动传感器网络的分布式目标跟踪算法
• 5.1 目标跟踪算法的设计思想
• 5.2 跟踪算法的前提
• 5.2.1 R&L-LA算法
• 5.2.2 BL-CLPC和FLPC算法
• 5.3 目标跟踪节点选择
• 5.4 目标运动趋势预测
• 5.4.1 算法的设计思路
• 5.4.2 降低节点通信开销
• 5.4.3 分布式数据融合的优化
• 5.5 后续节点引导
• 5.5.1 连通性和BFS
• 5.5.2 BFS和后续引导
• 5.6 算法性能评估
• 5.6.1 数据融合与目标跟踪的性能评估
• 5.6.2 后续引导算法的性能评估
• 5.7 本章小结
• 第6章 无线移动传感器网络实验系统的设计
• 6.1 实验系统的构成
• 6.2 硬件设计
• 6.2.1 节点的基本结构
• 6.2.2 定位引擎
• 6.2.3 射频部分的特殊设计
• 6.3 软件设计
• 6.4 评估指标与方法
• 6.5 实验过程
• 6.6 本章小结
• 第7章 总结和展望
• 7.1 本文的主要工作和创新点
• 7.2 下一步主要工作
• 参考文献
• 致谢
• 攻读博士学位期间发表的学术论文和其它相关研究成果