專利名稱：一種基于預(yù)測的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)目標(biāo)跟蹤方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及無線傳感器網(wǎng)絡(luò)目標(biāo)跟蹤技術(shù)，具體來說是涉及一種基于預(yù)測的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)目標(biāo)跟蹤方法。

背景技術(shù)：
目標(biāo)跟蹤是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的重要應(yīng)用之一。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)通常部署在人們難以接近的危險區(qū)域，電池替換十分不便，優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)能耗進而延長網(wǎng)絡(luò)壽命已成為無線傳感器網(wǎng)絡(luò)商用的關(guān)鍵技術(shù)。由于運動預(yù)測能顯著減少所需活動監(jiān)控節(jié)點的數(shù)目和監(jiān)控時長，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)測機制勢在必行。
目前基于預(yù)測的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)目標(biāo)跟蹤方法主要包括基于頻繁運動模式抽取的目標(biāo)跟蹤方法和基于運動模型的目標(biāo)跟蹤方法。其中基于頻繁運動模式抽取的目標(biāo)跟蹤方法根據(jù)目標(biāo)運動路徑的歷史記錄信息抽取頻繁運動模式，并結(jié)合目標(biāo)的當(dāng)前運動狀態(tài)預(yù)測下一監(jiān)控節(jié)點?；谶\動模型的目標(biāo)跟蹤方法根據(jù)目標(biāo)的先驗運動模型，預(yù)測目標(biāo)的各種運動屬性，包括目標(biāo)的下一監(jiān)控節(jié)點。
顯然，上述現(xiàn)有技術(shù)存在許多不足，具體來講，基于頻繁運動模式抽取的目標(biāo)跟蹤方法沒有考慮某些目標(biāo)運動行為的隨機性，因此只能實現(xiàn)規(guī)則運動目標(biāo)的跟蹤預(yù)測。而基于運動模型的目標(biāo)跟蹤方法未能充分利用某些目標(biāo)運動行為的規(guī)律性，同時由于未充分利用目標(biāo)運動歷史信息，無法提供有效的預(yù)測失敗恢復(fù)機制，造成預(yù)測監(jiān)控區(qū)域偏大，節(jié)點能耗增加。


發(fā)明內(nèi)容
針對背景技術(shù)中存在的問題，本發(fā)明的目的在于提供一種基于預(yù)測的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)目標(biāo)跟蹤方法，是以跟蹤精度和能耗為指標(biāo)來實現(xiàn)分類預(yù)測的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)目標(biāo)跟蹤方法。
為了實現(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)運動的當(dāng)前測量數(shù)據(jù)或者從前一監(jiān)控節(jié)點接收到的喚醒分組所攜帶的歷史測量數(shù)據(jù)確定目標(biāo)的運動特征； b、當(dāng)前監(jiān)控節(jié)點結(jié)合目標(biāo)的當(dāng)前位置、速度、運動方向信息預(yù)測目標(biāo)的未來位置以及下一監(jiān)控節(jié)點的喚醒時刻； c、當(dāng)目標(biāo)位置預(yù)測失敗時，網(wǎng)絡(luò)根據(jù)目標(biāo)的運動歷史記錄和先驗知識逐級啟動預(yù)測失敗恢復(fù)過程。
其中，所述的步驟a中，如果喚醒分組攜帶目標(biāo)運動的歷史測量數(shù)據(jù)，則本監(jiān)控節(jié)點直接根據(jù)該歷史測量數(shù)據(jù)確定目標(biāo)的運動特征，否則根據(jù)目標(biāo)運動的當(dāng)前測量數(shù)據(jù)確定目標(biāo)的運動特征。
所述的步驟b中，當(dāng)前監(jiān)控節(jié)點先根據(jù)目標(biāo)的運動特征結(jié)合其當(dāng)前位置、速度、運動方向信息估計其運動模式類別，然后采用各運動模式類別相應(yīng)的估計方法預(yù)測目標(biāo)的未來位置以及下一監(jiān)控節(jié)點的喚醒時刻。
所述的步驟c更進一步包含如下步驟 1)預(yù)測失敗恢復(fù)節(jié)點以最后感知時刻目標(biāo)位置為參考點，以最后感知時刻到本恢復(fù)過程啟動時刻的時間間隔為運動時間，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動參數(shù)，預(yù)測目標(biāo)的最大運動范圍。預(yù)測失敗恢復(fù)節(jié)點向預(yù)測最大運動范圍內(nèi)的所有節(jié)點發(fā)送喚醒分組。
2)如果預(yù)測失敗恢復(fù)節(jié)點在規(guī)定的時間間隔內(nèi)仍未接收到有效的喚醒確認(rèn)消息，啟動本恢復(fù)過程。此時預(yù)測失敗恢復(fù)節(jié)點以最后感知時刻目標(biāo)位置為參考點，以最后感知時刻到本恢復(fù)過程啟動時刻的時間間隔為運動時間，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動參數(shù)先驗知識，預(yù)測目標(biāo)的最大運動范圍。預(yù)測失敗恢復(fù)節(jié)點向預(yù)測最大運動范圍內(nèi)的所有節(jié)點發(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)運動的歷史測量數(shù)據(jù)或者當(dāng)前測量數(shù)據(jù)確定目標(biāo)運動特征，并根據(jù)運動特征類別進行運動預(yù)測的無線傳感器網(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)運動類型采用不同的運動預(yù)測方法，其與基于頻繁運動模式抽取的目標(biāo)跟蹤方法相比，能夠?qū)崿F(xiàn)運動軌跡變化的目標(biāo)運動預(yù)測，與基于運動模型的目標(biāo)跟蹤方法相比，能夠?qū)崿F(xiàn)具有不同運動特征的目標(biāo)運動預(yù)測，同時，本發(fā)明采用了一種高可靠、低能耗的跟蹤失敗恢復(fù)機制，當(dāng)目標(biāo)位置預(yù)測失敗時，網(wǎng)絡(luò)根據(jù)目標(biāo)的運動歷史記錄和先驗知識逐級啟動預(yù)測失敗恢復(fù)過程。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)點的數(shù)目，從而降低了節(jié)點的能耗，延長了目標(biāo)跟蹤傳感器網(wǎng)絡(luò)的壽命，具有很好的可用性和實用性。



圖1是本發(fā)明所述基于預(yù)測的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)目標(biāo)跟蹤方法流程圖。
圖2是本發(fā)明實施例中在當(dāng)前監(jiān)控區(qū)域目標(biāo)作直線運動的示意圖。
圖3是本發(fā)明實施例中在當(dāng)前監(jiān)控區(qū)域目標(biāo)作圓周運動的示意圖。
圖4是本發(fā)明實施例中在當(dāng)前監(jiān)控區(qū)域目標(biāo)同時作直線和圓周運動的示意圖。

具體實施例方式 下面結(jié)合附圖和具體實施例對本發(fā)明作進一步的說明。
本實施例應(yīng)用于目標(biāo)跟蹤傳感器網(wǎng)絡(luò)的傳感器節(jié)點，以跟蹤精度和能耗為指標(biāo)來實現(xiàn)分類預(yù)測的無線傳感器網(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)運動的當(dāng)前測量數(shù)據(jù)或者歷史測量數(shù)據(jù)確定目標(biāo)的運動特征。
根據(jù)運動目標(biāo)在相繼感知時刻的位置數(shù)據(jù)可以估算目標(biāo)的速度和方向，從而獲得目標(biāo)的各種運動特性數(shù)據(jù)，包括方向特性、速度或角速度隨機特性。例如由于節(jié)點能夠獲知目標(biāo)的位置信息，因此可以通過計算感知間隔內(nèi)目標(biāo)的位移估計當(dāng)前感知時刻目標(biāo)的速度，設(shè)目標(biāo)在前一感知時刻的位置坐標(biāo)為(xi-1，yi-1)(i＞0)，當(dāng)前感知時刻的位置坐標(biāo)為(xi，yi)，感知間隔長度為ti-1，則當(dāng)前感知時刻的速度vi-1如式(1)所示。
采用類似的方法可用式(2)估計當(dāng)前感知時刻目標(biāo)的加速度ai-1。
ai-1＝(vi-vi-1)/ti(i＞0)(2) 如果目標(biāo)在相繼感知時刻的加速度相等并且運動方向不變，則我們認(rèn)為該目標(biāo)正在作勻速直線運動；如果目標(biāo)在相繼感知時刻的加速度線性增大或減小并且運動方向不變，則我們認(rèn)為該目標(biāo)正在作勻加速直線運動；如果目標(biāo)在感知時段t移動的距離d可用該時段起始時刻的速度v0、加速度a0和加速度變化率Δa0以式(3)近似預(yù)測并且運動方向不變，則我們認(rèn)為該目標(biāo)正在作近似可預(yù)測變加速直線運動。
d＝v0t+a0t2/2+Δa0t3/6(3) 如果目標(biāo)運動方向不變并且其速度、加速度變化不符合上述三種運動規(guī)律，則我們認(rèn)為該目標(biāo)正在作隨機速度直線運動。
類似地根據(jù)運動目標(biāo)在相繼感知時刻的位置數(shù)據(jù)，我們可以判定目標(biāo)是否作勻速圓周運動、勻加速圓周運動、近似可預(yù)測變加速圓周運動、隨機角速度圓周運動以及是否同時作直線和圓周運動。
當(dāng)前一監(jiān)控節(jié)點預(yù)測本監(jiān)控區(qū)域監(jiān)控時長過短時，前一監(jiān)控節(jié)點在喚醒分組中添加目標(biāo)運動的歷史測量數(shù)據(jù)，本監(jiān)控節(jié)點直接根據(jù)該歷史測量數(shù)據(jù)確定目標(biāo)的運動特征，否則根據(jù)目標(biāo)運動的當(dāng)前測量數(shù)據(jù)確定目標(biāo)的運動特征。
第二、結(jié)合目標(biāo)的當(dāng)前位置、速度、運動方向等信息預(yù)測目標(biāo)的未來位置以及下一監(jiān)控節(jié)點的喚醒時刻。
目標(biāo)運動的速度和方向決定了目標(biāo)在當(dāng)前監(jiān)控區(qū)域停留的時間以及未來位置，而目標(biāo)運動的隨機性特征則決定了上述停留時間和未來位置預(yù)測的精確性。我們分若干種情況討論在不同運動隨機性前提下，目標(biāo)在當(dāng)前監(jiān)控區(qū)域的停留時間以及在下一監(jiān)控區(qū)域的起始位置。這里我們假設(shè)傳感器節(jié)點的感知各向同性，即其感知區(qū)域為以傳感器節(jié)點為圓心的一個圓，并假設(shè)感知半徑為r，傳感器網(wǎng)絡(luò)中所有節(jié)點的感知半徑相同。
情形1目標(biāo)作直線運動 當(dāng)目標(biāo)作直線運動時，目標(biāo)運動的方向不變，并且該方向可由二個感知時刻目標(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)上述信息可以計算出目標(biāo)在當(dāng)前監(jiān)控區(qū)域的移動距離。圖2給出了在當(dāng)前監(jiān)控區(qū)域目標(biāo)作直線運動的示意圖。
設(shè)當(dāng)前監(jiān)控節(jié)點o為坐標(biāo)原點，運動目標(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，在下一感知時刻的位置B坐標(biāo)為(x1，y1)，由于目標(biāo)作直線運動，因此目標(biāo)運動的軌跡方程如式(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)域的移動距離dm如式(6)所示。
情形1.1目標(biāo)作勻速直線運動 在這種情形中，目標(biāo)運動的規(guī)律性很強，根據(jù)式(1)我們可以求出目標(biāo)的運動速度v0，據(jù)此可以計算出目標(biāo)在當(dāng)前監(jiān)控區(qū)域的停留時間tstay如式(7)所示。
tstay＝dm/v0(7) 情形1.2目標(biāo)作勻加速直線運動 在這種情形中，目標(biāo)運動的規(guī)律性也很強，根據(jù)式(1)、(2)我們可以求出目標(biāo)的運動速度v0和加速度a0，據(jù)此可以計算出目標(biāo)在當(dāng)前監(jiān)控區(qū)域的停留時間tstay如式(8)所示。
情形1.3目標(biāo)作近似可預(yù)測變加速直線運動 在這種情形中，目標(biāo)運動具有一定的規(guī)律性和隨機性，假設(shè)目標(biāo)移動的距離d與所花時間t滿足如式(9)所示的關(guān)系。
d＝f(t)(9) 現(xiàn)對f(t)進行泰勒展開，并以三次多項式近似表示，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)在前一感知時刻的加速度為ai-1(i＞0)，當(dāng)前感知時刻的加速度為ai，感知間隔長度為ti，則當(dāng)前感知時刻的加速度變化率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)域的停留時間tstay。
情形1.4目標(biāo)作隨機速度直線運動 在這種情形中目標(biāo)運動具有較大的隨機性，我們以最近一段時間目標(biāo)運動的平均速度近似作為目標(biāo)離開當(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)計樣本數(shù)，我們有式(13) 據(jù)此可以計算出目標(biāo)在當(dāng)前監(jiān)控區(qū)域的停留時間tstay如式(14)所示。
情形2目標(biāo)作圓周運動 當(dāng)目標(biāo)作圓周運動時，與圓心距離不變，并且可由三個感知時刻目標(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)上述信息可以計算出目標(biāo)在當(dāng)前監(jiān)控區(qū)域的移動距離。圖3給出了在當(dāng)前監(jiān)控區(qū)域目標(biāo)作圓周運動的示意圖。
設(shè)當(dāng)前監(jiān)控節(jié)點o為坐標(biāo)原點，運動目標(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)二個感知時刻的位置B、C坐標(biāo)分別為(x1，y1)和(x1，y2)。由于目標(biāo)作圓周運動，圓心坐標(biāo)滿足式(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)運動的軌跡方程如式(19)所示。
當(dāng)前監(jiān)控區(qū)域邊界曲線方程如式(5)所示，設(shè)則目標(biāo)離開當(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同時也是目標(biāo)在下一監(jiān)控區(qū)域F的起始位置，實際上(xd，yd)僅取目標(biāo)從當(dāng)前監(jiān)控區(qū)域的起始位置開始的運動軌跡與當(dāng)前監(jiān)控區(qū)域邊界曲線的交點坐標(biāo)。設(shè)符號函數(shù)sym(x)如式(22)所示。

則目標(biāo)在當(dāng)前監(jiān)控區(qū)域的移動距離dm如式(23)所示。
設(shè)目標(biāo)的直線運動速度為v，轉(zhuǎn)動角速度為ω，則我們有 v＝r0ω(24) 類似地目標(biāo)的直線運動加速度和轉(zhuǎn)動角加速度也滿足上述簡單線性關(guān)系，因此我們可將勻速圓周運動、勻加速圓周運動、近似可預(yù)測變加速圓周運動和隨機角速度圓周運動分別近似映射為勻速直線運動、勻加速直線運動、近似可預(yù)測變加速直線運動和隨機速度直線運動，以便計算目標(biāo)在當(dāng)前監(jiān)控區(qū)域的停留時間tstay。
情形3目標(biāo)同時作直線和圓周運動 在這種情形中，目標(biāo)運動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)上述信息可以計算出目標(biāo)離開當(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)域的停留時間。圖4給出了在當(dāng)前監(jiān)控區(qū)域目標(biāo)同時作直線和圓周運動的示意圖。
設(shè)O為第一極坐標(biāo)系原點，運動目標(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)該起始位置同時又為第二極坐標(biāo)系的坐標(biāo)原點，且在此極坐標(biāo)系中運動目標(biāo)的位移ρ1(t)和轉(zhuǎn)動角度θ1(t)滿足式(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)的運動時間，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)域的停留時間tstay，目標(biāo)離開當(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)點根據(jù)目標(biāo)在當(dāng)前監(jiān)控區(qū)域的起始位置、運動的方向特性、速度與角速度隨機特性，估計目標(biāo)離開當(dāng)前監(jiān)控區(qū)域最終位置的范圍。如果目標(biāo)作勻速、勻加速直線或者圓周運動，則最終位置范圍為最終位置點本身；否則如果目標(biāo)作近似可預(yù)測變加速直線或者圓周運動，則最終位置范圍是以最終位置點為中心，以δ＝δ1為偏移的線段范圍，或者以最終位置點相位角為中心，以δω＝δω1為角度偏移的弧段范圍；否則如果目標(biāo)作隨機速度直線運動或者隨機角速度圓周運動，則最終位置范圍是以最終位置點為中心，以δ＝δ2為偏移的線段范圍，或者以最終位置點相位角為中心，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)同時作直線和圓周運動，則最終位置范圍是以最終位置點為中心以直線運動對應(yīng)的δ為徑向偏移，同時以最終位置點相位角為中心以圓周運動對應(yīng)的δω為角度偏移的環(huán)段范圍。
當(dāng)前監(jiān)控節(jié)點根據(jù)目標(biāo)離開當(dāng)前監(jiān)控區(qū)域最終位置的范圍，預(yù)測即將被喚醒的節(jié)點或節(jié)點群。被喚醒節(jié)點或節(jié)點群的選擇原則是節(jié)點的感知范圍或者節(jié)點群內(nèi)所有節(jié)點感知范圍組合包含該最終位置的范圍。
當(dāng)前監(jiān)控節(jié)點估計目標(biāo)在當(dāng)前監(jiān)控區(qū)域的停留時間。設(shè)喚醒分組從當(dāng)前監(jiān)控節(jié)點到被喚醒的節(jié)點或者節(jié)點群的最大傳輸時延為tdelay，接收節(jié)點處理喚醒分組并啟動感知操作所需時間為tp，則感知操作從當(dāng)前監(jiān)控節(jié)點切換到下一監(jiān)控節(jié)點或者節(jié)點群所化時間tho＝tdelay+tp。當(dāng)前監(jiān)控節(jié)點在t＝tstay-tho-δt時刻向下一監(jiān)控節(jié)點或者節(jié)點群傳輸喚醒分組，這里δt表示時間誤差，其中當(dāng)目標(biāo)作勻速或者勻加速運動、近似可預(yù)測變加速運動和隨機速度運動時，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動參數(shù)。當(dāng)預(yù)測目標(biāo)在下一監(jiān)控節(jié)點的停留時間較短時，喚醒分組還應(yīng)包含目標(biāo)運動方向、運動隨機性特性、速度、加速度等運動信息。
第三、當(dāng)目標(biāo)位置預(yù)測失敗時，網(wǎng)絡(luò)根據(jù)目標(biāo)的運動歷史記錄和先驗知識逐級啟動預(yù)測失敗恢復(fù)過程。
如果被喚醒節(jié)點檢測到目標(biāo)，則向前一監(jiān)控節(jié)點發(fā)送喚醒確認(rèn)消息，否則進入睡眠狀態(tài)。如果前一監(jiān)控節(jié)點在規(guī)定的時間間隔Timeout內(nèi)接收到有效的喚醒確認(rèn)消息，則進入睡眠狀態(tài)；否則表明目標(biāo)已丟失，啟動跟蹤失敗恢復(fù)過程。
目標(biāo)跟蹤失敗恢復(fù)過程分為二個階段。在階段1前一監(jiān)控節(jié)點以最后感知時刻目標(biāo)位置為參考點，以最后感知時刻到階段1恢復(fù)過程啟動時刻的時間間隔trec1為運動時間，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動參數(shù)，預(yù)測目標(biāo)的最大運動范圍。設(shè)最后感知時刻目標(biāo)的運動速度為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)的最大運動距離如式(28)所示 設(shè)最后感知時刻目標(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)動角度為dpm(ωl，ωahm，ωhm，trec1)。目標(biāo)的預(yù)測最大運動范圍是以參考點為圓心，以dpm(vl，ahm，vhm，trec1)為半徑，以最后感知時刻目標(biāo)運動方向為參考角，±dpm(ωl，ωahm，ωhm，trec1)角度范圍內(nèi)的扇形區(qū)域。前一監(jiān)控節(jié)點向預(yù)測最大運動范圍內(nèi)的所有節(jié)點發(fā)送喚醒分組。
如果前一監(jiān)控節(jié)點在規(guī)定的時間間隔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)過程失敗，啟動階段2恢復(fù)過程。前一監(jiān)控節(jié)點以最后感知時刻目標(biāo)位置為參考點，以最后感知時刻到階段2恢復(fù)過程啟動時刻的時間間隔trec2為運動時間，根據(jù)目標(biāo)最大速度、最大加速度等極限運動參數(shù)先驗知識，預(yù)測目標(biāo)的最大運動范圍。設(shè)最后感知時刻目標(biāo)的運動速度為vl，目標(biāo)的先驗已知最大加速度為am，目標(biāo)的先驗已知最大速度為vm，則目標(biāo)的最大運動距離為dpm(vl，am，vm，trec2)，設(shè)最后感知時刻目標(biāo)的角速度為ωl，目標(biāo)的先驗已知最大角加速度為ωam，目標(biāo)的先驗已知最大角速度為ωm，則目標(biāo)的最大轉(zhuǎn)動角度為dpm(ωl，ωam，ωm，trec2)。目標(biāo)的預(yù)測最大運動范圍是以參考點為圓心，以dpm(vl，am，vm，trec2)為半徑，以最后感知時刻目標(biāo)運動方向為參考角，±dpm(ωl，ωam，ωm，trec2)角度范圍內(nèi)的扇形區(qū)域。前一監(jiān)控節(jié)點向預(yù)測最大運動范圍內(nèi)的所有節(jié)點發(fā)送喚醒分組。
權(quán)利要求
1.一種基于預(yù)測的無線傳感器網(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)運動的當(dāng)前測量數(shù)據(jù)或者從前一監(jiān)控節(jié)點接收到的喚醒分組所攜帶的歷史測量數(shù)據(jù)確定目標(biāo)的運動特征；
b、當(dāng)前監(jiān)控節(jié)點結(jié)合目標(biāo)的當(dāng)前位置、速度、運動方向信息預(yù)測目標(biāo)的未來位置以及下一監(jiān)控節(jié)點的喚醒時刻；
c、當(dāng)目標(biāo)位置預(yù)測失敗時，網(wǎng)絡(luò)根據(jù)目標(biāo)的運動歷史記錄和先驗知識逐級啟動預(yù)測失敗恢復(fù)過程。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于預(yù)測的無線傳感器網(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)運動的歷史測量數(shù)據(jù)，則本監(jiān)控節(jié)點直接根據(jù)該歷史測量數(shù)據(jù)確定目標(biāo)的運動特征，否則根據(jù)目標(biāo)運動的當(dāng)前測量數(shù)據(jù)確定目標(biāo)的運動特征。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于預(yù)測的無線傳感器網(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)點先根據(jù)目標(biāo)的運動特征結(jié)合其當(dāng)前位置、速度、運動方向信息估計其運動模式類別，然后采用各運動模式類別相應(yīng)的估計方法預(yù)測目標(biāo)的未來位置以及下一監(jiān)控節(jié)點的喚醒時刻。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于預(yù)測的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)目標(biāo)跟蹤方法，其特征在于，所述的步驟c更進一步包含如下步驟
1)預(yù)測失敗恢復(fù)節(jié)點以最后感知時刻目標(biāo)位置為參考點，以最后感知時刻到本恢復(fù)過程啟動時刻的時間間隔為運動時間，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動參數(shù)，預(yù)測目標(biāo)的最大運動范圍。預(yù)測失敗恢復(fù)節(jié)點向預(yù)測最大運動范圍內(nèi)的所有節(jié)點發(fā)送喚醒分組。
2)如果預(yù)測失敗恢復(fù)節(jié)點在規(guī)定的時間間隔內(nèi)仍未接收到有效的喚醒確認(rèn)消息，啟動本恢復(fù)過程。此時預(yù)測失敗恢復(fù)節(jié)點以最后感知時刻目標(biāo)位置為參考點，以最后感知時刻到本恢復(fù)過程啟動時刻的時間間隔為運動時間，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動參數(shù)先驗知識，預(yù)測目標(biāo)的最大運動范圍。預(yù)測失敗恢復(fù)節(jié)點向預(yù)測最大運動范圍內(nèi)的所有節(jié)點發(fā)送喚醒分組。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種基于預(yù)測的無線傳感器網(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)運動的當(dāng)前測量數(shù)據(jù)或者歷史測量數(shù)據(jù)確定目標(biāo)的運動特征；b.結(jié)合目標(biāo)的當(dāng)前位置、速度、運動方向等信息預(yù)測目標(biāo)的未來位置以及下一監(jiān)控節(jié)點的喚醒時刻；c.當(dāng)目標(biāo)位置預(yù)測失敗時，網(wǎng)絡(luò)根據(jù)目標(biāo)的運動歷史記錄和先驗知識逐級啟動預(yù)測失敗恢復(fù)過程。本發(fā)明根據(jù)目標(biāo)運動的統(tǒng)計數(shù)據(jù)確定目標(biāo)的運動特征，并據(jù)此預(yù)測目標(biāo)的未來運動。該方法的最大優(yōu)點是在確保網(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)點的數(shù)目，從而降低了節(jié)點的能耗，延長了目標(biāo)跟蹤傳感器網(wǎng)絡(luò)的壽命。
文檔編號H04L29/08GK101207638SQ200710164468
公開日2008年6月25日 申請日期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 申請人:浙江樹人大學(xué)