面向目标跟踪的自组织传感网研究

论文摘要

传感器网络是由大量自治的微型感知设备以Ad-Hoc等方式构建形成，并能够协同地对某种物理现象进行感知的网络，目标跟踪是传感器网络应用的重要方面。本文详细分析了将自组织传感器网络应用于目标跟踪应用所必须解决的多个关键问题——布局、覆盖和节点定位，并针对这些相互关联的问题提出了一套较完整的创新性解决方案。本文所做的主要工作如下： 1．提出了一种目标相关的传感器网络布局方法。针对实物实验中发现的传感器布局方面的问题，本文提出了目标相关的虚拟力布局方法，用这种方法可令原本随机分布的传感器自组织地合理排布于“感兴趣区域”（ROI）中，基于这种传感器布局，传感器之间可以根据目标位置动态调整自身位置，以获取更好的观测效果。在此基础上，我们还进一步提出了根据传感器重要性进行节点保护的策略。 2．提出了基于覆盖的传感器网络布局分析和改进策略。为了分析布局的性能并对布局进行改进，本文针对区域覆盖进行了分析，提出了一种新颖的对ROI的正三角形区域划分方法，并基于此分析得出了传感器网络的覆盖和连通概率与节点感知半径、发射半径、失效概率及节点数量的关系，该关系对传感器网络的构建具有一定的指导意义。同时，本文还分析了栅栏覆盖问题，并基于对最大支撑路径的分析和实验得出了增量式传感器布局的启发式规则，这些规则可以用来分析和完善已有布局中存在的弱点或漏洞。 3．提出了一种新的基于移动灯塔最优路径的传感器定位方法。当布局和覆盖分析完成后，本文针对矩形ROI和任意形状ROI分别给出了移动最优灯塔信号发射点获取算法，并结合旅行商算法得到周游发射点的最优路径作为灯塔移动路径。当移动灯塔按最优路径移动并在预定发射点发送无线电信号时，待定位的传感器节点即可根据三边测量法计算自身坐标，完成定位。此外，这种方法中体现了基于最优位置遍历的移动灯塔路径设计思想，这一想法很容易与现有的各种基于灯塔布局的定位算法相结合，得到一系列满足不同性能要求的灯塔路径，从而可利用移动灯塔完成原本需要多个灯塔形成特定布局方能完成的定位工作，这大大扩展了移动灯塔定位方法的适用范围。 根据以上各部分成果，我们进行了基于传感器网络的目标跟踪实验，

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 自组织传感器网络
• 1.2.1 传感器节点组成
• 1.2.2 自组织传感器网络体系结构
• 1.2.3 自组织传感器网络的特点
• 1.2.4 自组织传感器网络中的一些基本问题
• 1.2.5 传感器网络中的目标跟踪
• 1.3 本文内容组织
• 第2章 问题引出——基于声学传感器网络的声源定位与跟踪
• 2.1 声源定位与跟踪原理
• 2.1.1 传感器网络声源定位
• 2.1.2 基于时延估计的定位方法
• 2.1.3 声学传感器网络声源定位算法
• 2.2 基于声学传感器网络的声源定位及目标跟踪实验
• 2.2.1 实验方案
• 2.2.2 误差分析与讨论
• 2.2.3 小结
• 第3章 自组织传感器节点布局
• 3.1 涉及目标的虚拟力算法
• 3.1.1 问题描述
• 3.1.2 传感器感知模型
• 3.1.3 TIVFA算法
• 3.2 传感器重要性排序算法及节点保护策略
• 3.2.1 涉及目标的感知单位
• 3.2.2 TISRA算法
• 3.2.3 小结
• 3.3 仿真实验
• 3.4 本章小结
• 第4章 节点布局分析——区域覆盖与连通
• 4.1 传感器网络中的覆盖问题
• 4.2 区域覆盖和连通
• 4.2.1 传感器网络模型
• 4.2.2 传感器网络感知模型
• 4.2.3 正三角形区域划分方法
• 4.3 实验结果
• 4.4 本章小结
• 第5章 节点布局优化——栅栏覆盖
• 5.1 相关工作
• 5.1.1 最大突破路径和最大支撑路径
• 5.1.2 暴露问题及基于暴露的最优突破路径
• 5.2 最差情形覆盖和最大突破路径算法
• 5.3 最好情形覆盖和最大支撑路径算法
• 5.4 启发式配置传感器实验
• 5.5 本章小结
• 第6章 面向传感器节点定位的移动灯塔路径设计
• 6.1 相关工作
• 6.2 移动灯塔位置选择算法
• 6.2.1 移动灯塔发射位置拓扑选择
• 6.2.2 移动灯塔最优路径获取
• 6.2.3 与定位过程相关的其他算法
• 6.3 实验
• 6.4 结论
• 第7章 基于自组织传感器网络的目标跟踪
• 7.1 目标跟踪仿真实验
• 7.1.1 传感器网络在目标跟踪中的应用
• 7.1.2 目标模型
• 7.1.3 目标跟踪仿真实验
• 7.1.4 实验小结
• 7.2 INSECTS平台简介
• 7.3 INSECTS平台设计与实现
• 7.3.1 传感器网络仿真
• 7.3.2 基于三维 GIS的态势可视化子系统
• 7.4 运行实例
• 7.4.1 仿真环境配置及传感器准备
• 7.4.2 仿真脚本设定和目标跟踪
• 7.4.3 其他功能——最大突破路径和最大支持路径
• 7.5 本章小结
• 第8章 总结与展望
• 8.1 本文总结
• 8.2 主要创新
• 8.3 未来工作
• 参考文献
• 攻读学位期间发表和录用的学术论文
• 攻读学位期间主要参与的项目
• 致谢