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专利号: 2020113933394
申请人: 浙江树人学院(浙江树人大学)
专利类型:发明专利
专利状态:已下证
更新日期:2024-12-10
缴费截止日期: 暂无
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摘要:

权利要求书:

1.一种基于移动锚点的三维无线传感网节点定位方法,其特征在于,包括传感节点的定位过程和移动锚点的移动路径规划过程,所述传感节点的定位过程包括:程序初始化,初始化延时时间范围;

根据所述延时时间范围,传感节点随机设定延时时间,并进行等待;

在所述延时时间内,所述传感节点是否接收到其他传感节点的连接树组建信息包;若是,则所述传感节点加入所述其他传感节点的连接树组建信息包,并广播发送加入后的所述连接树组建信息包;若否,则所述传感节点以自身为根传感节点建立连接树组建信息包,并广播发送建立的所述连接树组建信息包;

监听所述传感节点的周围传感节点和移动锚点,并接收所述周围传感节点和移动锚点的位置坐标和链路通信的RSSI值;

直至监听获取4个以上不共面的所述周围传感节点和移动锚点的位置坐标后,采用极大似然估计方法计算所述传感节点的位置坐标和定位类型,并将所述传感节点的位置坐标和定位类型广播发送到移动锚点;

所述移动锚点的移动路径规划过程包括:将监控区域分成多个大小相同的正方体网格,所述移动锚点从当前位置随机探测一个未访问的与其相邻的所述正方体网格,若所述正方体网格中全部为已知定位的传感节点,则将所述正方体网格标记为已探测,并重新探测下一个未访问的与其相邻的所述正方体网格;若在所述正方体网格中发现未定位的传感节点,则所述移动锚点与所述未定位的传感节点通信,并获取所述未定位的传感节点所在连接树组建信息包中所有传感节点的连接信息;

以所述移动锚点的移动路径长度最小和定位误差最小为目标,并选择邻居位置选择约束、单跳覆盖范围约束,建立移动路径长度和定位误差最小化模型;

令所述移动锚点的移动路径为猎物,根据所述最小化模型,迭代更新每一个所述猎物,计算每个所述猎物的适应度,并从中选择适应度最小的猎物,得到最优化路径;

所述移动锚点沿着所述最优化路径移动,到达所述最优化路径中每一个停留位置后,发送所述移动锚点的位置坐标,并接收邻居传感节点的位置坐标;

当所述移动锚点完成所述最优化路径移动后,获取所述未定位的传感节点的位置坐标,并将所述未定位的传感节点所在的所述正方体网格标记为已探测,并重新探测下一个所述正方体网格。

2.如权利要求1所述的基于移动锚点的三维无线传感网节点定位方法,其特征在于,所述采用极大似然估计方法计算所述传感节点的位置坐标的步骤包括:若获取的位置坐标为4个以上不共面的移动锚点的位置坐标,则读取所有所述移动锚点的位置坐标和链路通信的RSSI值;否则,获取的位置坐标为所述移动锚点和已定位传感节点的位置坐标,读取所有获取的位置坐标和链路通信的RSSI值;

根据所述RSSI值计算所述传感节点到获取所述周围节点的距离,分别为d1、d2、d3……dn;

根据公式求解所述传感节点的坐标:R R R

其中,(x ,y ,z)为所述传感节点的坐标,(x1,y1,z1)、(x2,y2,z2)……(xn,yn,zn)为获取的位置坐标;

若获取的位置坐标为4个以上不共面的移动锚点的位置坐标,则所述传感节点标记为锚点定位传感节点,否则将所述传感节点标记为邻居定位传感节点。

3.如权利要求1所述的基于移动锚点的三维无线传感网节点定位方法,其特征在于,所述建立移动路径长度和定位误差最小化模型的步骤包括:令xj表示传感节点j,则获得两个传感节点的连接关系为:其中,L(xj)为传感节点xj所在位置的父节点,link(xj,xk)为传感节点xj和xk的连接关系;

令Path为所述移动锚点的移动路径,即为传感节点的集合{p1,p2,…,pi};令所述移动路径中的每个传感节点的位置坐标需要满足所述邻居位置选择约束为:其中,link(pi,pi+1)表示位置pi和pi+1的邻居关系指示符;

令C(xj)表示传感节点xj是否被覆盖的指示符,则所述单跳覆盖范围约束为:则所述最小化模型为:

min(Len(path)×D);

其中,Len(path)为所述移动路径Path的长度;N2为所述移动路径Path中坐标的数量;D为所述传感节点到所述移动锚点停留位置的平均距离。

4.如权利要求1所述的基于移动锚点的三维无线传感网节点定位方法,其特征在于,所述迭代更新每一个所述猎物,计算每个所述猎物的适应度,并从中选择适应度最小的猎物作为掠食者,得到最优化路径的步骤包括:初始化最大迭代次数K,当前迭代次数K=1;

所述猎物适应度公式为:

fi=Len(path)×D;

其中,fi为所述猎物i的适应度;

对所述猎物进行修正,并对修正后的所述猎物进行迭代计算;

令 和 分别为最大迭代次数的两个阈值,且判断当前迭代次数K,并所述移动锚点对所述猎物进行变异操作、交叉操作或变异和交叉操作,产生新的猎物;

根据所述猎物适应度公式计算每个新的猎物的适应度,并根据适应度从小到大选择前ξ个猎物,选择适应度最小的猎物作为掠食者;

根据以下公式计算所述前ξ个猎物的漩涡效应值,并判断所述前ξ个猎物中每个所述猎物的漩涡效应值是否>M,将所述前ξ个猎物中漩涡效应值>M的猎物初始化,并得到新的前ξ个猎物;

其中,τi为所述猎物i的漩涡效应值,λ为所述猎物适应度的权重参数,M为所述漩涡效应值的阈值;

判断当前迭代次数K的次数,若当前迭代次数 则当前迭代次数K+1后重新对所述新的前ξ个猎物进行迭代计算;若当前迭代次数 选择所述新的前ξ个猎物中的掠食者为最优路径。

5.如权利要求4所述的基于移动锚点的三维无线传感网节点定位方法,其特征在于,所述对所述猎物进行修正的步骤包括:判断所述猎物是否存在重复的移动位置,若存在,在所述猎物中寻找不是首次出现的移动位置,并删除该移动位置;

判断所述猎物是否满足单跳覆盖范围约束,若不满足,则从所述猎物中选择一个邻居节点数量最多的节点,通过最近邻插入方法将所述节点加入到已获知节点位置的路径后,直至完成满足单跳覆盖范围约束;

判断所述猎物中每一个传感节点的下一跳传感节点是否是当前移动锚点的未停留且已定位的传感节点,若不是,根据所述邻居位置选择约束重新初始化一个猎物进行替换,并判断每个所述猎物是否满足所述单跳覆盖范围约束,若不满足,重新执行所述猎物的修正,直至满足所述单跳覆盖范围约束,得到修正后的猎物。

6.如权利要求4所述的基于移动锚点的三维无线传感网节点定位方法,其特征在于,所述判断当前迭代次数K,并所述移动锚点对所述猎物进行变异操作、交叉操作或变异和交叉操作,产生新的猎物的步骤包括:若当前迭代次数 对所述新的前ξ个猎物进行变异操作,产生新的猎物;

若当前迭代次数 对所述新的前ξ个猎物中一半的猎物进行所述变异操作,另一半猎物进行交叉操作,产生新的猎物;

若当前迭代次数 对所述新的前ξ个猎物进行交叉操作,产生新的猎物。

7.如权利要求4所述的基于移动锚点的三维无线传感网节点定位方法,其特征在于,所述变异操作步骤包括:

设定变异概率κ,所述移动锚点对所述猎物产生一个[0,1]范围内的随机数,若所述随机数<所述变异概率κ,则根据公式计算所述移动锚点当前位置下一步中可选择移动位置的评价值,所述公式为:

scorel=η2nl+η1/el;

其中,scorel为下一步中第l个可选择移动位置的评价值;nl为下一步中第l个可选择移动位置在单跳范围内的节点数量;el为下一步中第l个可选择移动位置到单跳范围内的节点距离和;η1为节点数量的权重参数;η2为节点距离和;

根据公式计算选择概率,同时选择需要插入的移动位置,所述公式为:其中,Pl为下一步中第l个可选择移动位置的选择概率;N3为下一步中可选择移动位置数量;

保留与原来所述猎物相同位置数量的移动路径,最终获得新的猎物。

8.如权利要求4所述的基于移动锚点的三维无线传感网节点定位方法,其特征在于,所述交叉操作步骤包括:

将每个所述猎物与所述掠食者进行对比,将相同位置的传感节点放入到集合QN中,若所述集合QN中的元素数量少于3个,则直接结束交叉操作,否则在所述集合QN中随机挑选两个相邻的元素作为交换路径的上下界限,从而将所述掠食者与所述猎物中的交换路径进行互换,产生新的猎物。