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基于空中传感网的三维部署分析.pdf

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中北大学学位论文 基于空中传感网的三维部署研究 摘要 无线传感器网络 是一种通过在目标区域部署大量的无线传感器节点对周围的环境或者我们感兴趣的目标进行实时探测,数据采集,信息回传的分布式网络。 空中传感网是无线传感 器网络中的一种,网络中的无线传感器节点由飞行器进行搭载,从而能够主动的调整控制节点群的位置和形态,对空中或地面的区域进行覆盖探测。在网络执行任务中,其节点群的部署形态和位置直接关系到整个网络的性能,因此在无线传感器网络中,其部署算法是整个网络 的核心之一。 由于空中传感网中一般都是 处于三维空间中,而三维空间中的覆盖问题至今都是未解的难题之一, 因此对于三维部署算法的研究和分析 就显得至关重要。 本文对于无线传感器网络的部署算法进行了深入的研究和讨论,对现有的部署算法进行了归纳和总结。在分析其中的利弊后, 本文 挑选了经 典的人工智能算法 虚拟力算法进行改进,针对空中传感网所遇到的情况和问题,提出了三种改进的三维部署算法三维虚拟力算法( VFA3D)、基于人工势场的三维部署算法( APFA3D)、基于未知目标精确覆盖的三维部署算法( ECA3D)。 VFA3D 算法 是在虚拟力算法( VFA)基础上,将算法从二维平面扩展至三维空间并对虚拟力 计算做出适当的调整以适应三维空间部署,力求将算法在三维空间中也能够发挥其本身的优势和特点。该算法是后边两种算法的基础,为后面应对情况更为复杂的空中传感网部署算法指明了方向。 APFA3D 算法 是在认 识到采用 VFA3D 算法应对更为复杂的部署形态时的不足,提出了一种基于人工势场理论与虚拟力算法相结合的三维部署算法。在这两种理论的基础上,算法 还提出 了 基于 最低势能区域 的路径规划改进和部署完成后的节能策略,延长了网络生存时间,提高了的网络部署效率。 ECA3D 算法是考虑到对未知的复杂目标进行精确覆盖部署时,以上两种算法均不能达到预期的效果,因此提出了一种针对复杂目标精确覆盖的三维部署算法。该算法创新的提出了目标斥力场与自适应目标引力相结合的方式,使整个网络能够均匀的吸附在探测目标表面,网络具有高效性和一定的普遍 适用性。 本文通过使用 MATLAB 平台对三种算法均做了模拟仿真实验,并与其他算法做出了对比,实验结果图和数据曲线可以进一步证明算法的理论分析中的正确性,同时也检验出算法中的一些问题,确定了今后的研究方向。 关键词 空中传感网,三维部署 , 虚拟力 , 人工势场 , 精确覆盖 中北大学学位论文 Three-Dimensional Disposition Algorithm in Aerial Mobile Sensor Network research Abstract Wireless Sensor Networks WSN is distributed Networks which can do real-time detection, data acquisition, ination returns from surrounding environment or target we are interested through the deployment of a large number of wireless sensor nodes in the target area. Air sensor network is a kind of wireless sensor networks. Wireless sensor nodes in networks equipped by the aircraft, which can take the initiative to adjust the location and morphology of the control node cluster, cover the detection area of the air or the ground. When the network per the task, the deployment shape and location of the node cluster directly related to the perance of the entire network so that the deployment algorithm is one of the core of wireless sensor networks. Although air sensor networks are generally in three-dimensional space, the coverage problem in three-dimensional space is one of unsolved problems. So it is particularly important for the study and analysis of three-dimensional deployment algorithm. This article provided insight to study and discuss the deployment of a wireless sensor network algorithm and summarized existing deployment algorithms. After analyzing the advantages and disadvantages of some algorithms, this article selected classic artificial intelligence algorithms - virtual force algorithm to improve and proposed three improved three-dimensional deployment algorithm for the air sensor networks encountered situations and problems virtual force algorithm in three-dimensional space VFA3D, artificial potential field algorithm in three-dimensional space APFA3D, exact covering algorithm in three-dimensional space ECA3D. The VFA3D algorithm which is based on VFA extended the the VFA algorithm in the 中北大学学位论文 two-dimensional plane to the three-dimensional space and make appropriate adjustments of the virtual force calculation to adapt to the three-dimensional space deployment. It is in order to strive to make VFA3D also be able to play the original advantages and characteristics in three-dimensional space. The algorithm is the basis behind two algorithms and specified in the direction for them, to deal with more complex aerial sensor networks. Because of recognizing inadequate in dealing with the more complex deployment patterns using VFA3D algorithm, APFA3D algorithm which is a three-dimensional deployment algorithm of combination of artificial potential field theory and virtual force algorithm is proposed. The algorithm proposed the improvement of path planning based on the lowest potential area and energy-saving strategies in the deployment is complete. Therefore network lifetime is extended and network deployment efficiency is improved. Because VFA3D and APFA3D can not achieve the desired results when WSN is deployed to covering the unknown complex target, ECA3D algorithm which can exactly cover a complex in three-dimensional space target are proposed. Combination of target repulsive and adaptive target gravity was first proposed in the algorithm in order to node cluster can be unily adsorbed on the surface of the probe target. So the algorithm is efficient and certain universal applicability In this paper, three algorithms have done a simulation experiment using MATLAB plat and made a comparison with other algorithms. The correctness of the theoretical analysis of the algorithms can further be proved by the chart and the data curve in the experimental results. The direction of future research have also been identified because of finding some problems in the algorithms from the experimental results. Keywords Air Sensor Networks, Three-Dimensional Deployment, Virtual force, Artificial Potential Field, accurate coverage 中北大学学位论文 I 目录 1 绪论 ................................................................................................................................... 1 1.1 研究背景及意义 ..................................................................................................... 1 1.2 无线传感网络概述 ................................................................................................. 2 1.3 经典无线传感网络部署算法 .................................................................................. 4 1.3.1 基于图论的部署算法 ................................................................................... 4 1.3.2 基于计算几何的部署算法 ........................................................................... 4 1.3.3 基于人工智能的部署算法 ........................................................................... 5 1.4 本课题主要研究内容及论文组织结构 .................................................................. 7 2 三维空间中的虚拟力算法 ................................................................................................ 8 2.1 虚拟力算法简介 ..................................................................................................... 8 2.2 VFA.......................................................................................................................... 8 2.2.1 节点间作用力 .............................................................................................. 9 2.2.2 障碍物斥力 ................................................................................................ 10 2.2.3 目标引力 .................................................................................................... 11 2.3 VFA3D ................................................................................................................... 11 2.3.1 三维空间中的节点间作用力 ..................................................................... 12 2.3.2 三维空间中的障碍物斥力 ......................................................................... 14 2.3.3 三维空间中的目标引力 ............................................................................. 15 2.4 实验分析 ............................................................................................................... 16 2.4.1 经典的 VFA 算法仿真实验 ....................................................................... 16 2.4.2 新型 VFA3D 算法的仿真实验 ................................................................... 20 2.5 本章小结 ............................................................................................................... 23 3 基于势场的三维部署算法 .............................................................................................. 24 3.1 APFA3D ................................................................................................................. 24 3.1.1 节点间作用力 ............................................................................................ 24 中北大学学位论文 II 3.1.2 人工势场 .................................................................................................... 25 3.1.3 基于最低势能区域的路径规划策略 .......................................................... 29 3.1.1 节能策略 .................................................................................................... 30 3.2 实验分析 ............................................................................................................... 31 3.2.1 空间直线部署实验 ..................................................................................... 31 3.2.2 空间平面部署实验 ..................................................................................... 35 3.2 本章小结 ............................................................................................................... 40 4 对未知目标进行精确覆盖的三维部署算法 ................................................................... 42 4.1 ECA3D .................................................................................................................. 42 4.1.1 ECA3D 中的节点定义 ................................................................................ 42 4.1.2 目标斥力场 ................................................................................................ 43 4.1.3 基于自适应目标引力的改进策略 ............................................................. 45 4.2 实验分析 ............................................................................................................... 47 4.2.1 锥面覆盖实验 ............................................................................................ 47 4.2.2 马鞍面覆盖实验 ........................................................................................ 49 4.3 本章小结 ............................................................................................................... 52 5 总结与展望 ..................................................................................................................... 53 5.1 课题研究内容总结 ............................................................................................... 53 5.2 未来研究内容与展望 ........................................................................................... 54 参考文献 ............................................................................................................................. 55 攻读硕士学位期间发表的论文及所取得的研究成果 ........................................................ 59 致谢 ....................................................................................................................................... 0 中北大学学位论文 1 1 绪论 1.1 研究背景及意义 随着 微机电系统 、 片上系统 、无线通信 技术 和低功耗 嵌入式技术 的 迅猛 发展,无线传感器网络以其低功耗、低成本、分布式和 自组织的特点带来了信息感知的一场 重大 变革 [1]。无线传感器网络 是在目标区域部署 大量的 无线 传感器节点 组成的 一 种 多跳自组织网络 。 从传感器节点的分布空间上划分,我们可以把无线传感器网络分为二维无线传感器网络和三维无线传感器网络;从传感器节点的 部 署策略 来划分,我们又可以把无线传感器网络分为 固定无线传感器网络和移动无线传感器网络;从传感器节点的探测区域来看,无线传感器网络的部署区域可以分为规则区域和不规则区域。 在传统的无线传感网络中,无线 传感器节点 一般 都是 分布在二维空间中的。 这种二维空间 的 假设 是由于在探测任务中只需考虑在一个平面内的水平变化,而 高度 参数的变化 对任务影响很小,因此 可以 忽略不计 。 例如在平坦的地面上部署的无线传感网络 ,相对于传感器节点的感知范围,较为平坦地表的海拔高度差就可以忽略不计 。 传感器节点一般采用 固定部署 的方式 为主,即 传感器 节点 根 据已经 计算好所有 节点的位置坐标 进行投放 ,然后 进行数据的采集计算和转发,在此期间 节点的位置 不 会移动。无线传感网 进行探测的目标区域 通常情况都是 一个 二维平面中的 矩形 ,圆 或是其他规则图形。 但是随着任务目标的要求不断地提高,传统的二维 无线传感网络 已经不能满足 探测的 需求,因为节点的高度这一参数已经无法被忽略了 ,高度甚至还是重要的数据信息之一 。而固定部署策略在 探测目标 的区域中 情况 十分 复杂时,也很难完成任务。 例如当探测目标不固定时,还将所有的传感器节点均匀的部署在整个目标区域内将会浪费大量的资源,导致任务的开销过大。 随着 任务目标的复杂化,目标区域逐步由规则的 二维 平面图形转变为不规则的 三维 点集,曲线,甚至是曲面和多面体。 因此如果我们依旧使用传统的无线传感网络,将会很难完成探测任务。 在 无线传感 器 网 络 中,部署 算法 是其核心问题之一 [2]。因为部署 算法 的 选择会 对中北大学学位论文 2 目标的覆盖率、网络 生存时间 [3]和 部署 完成速度起到至关重要的作用 ,这 直接影响到数据 手机的完整性、精确度和采集速度 [4]。 由于现在三维无线传感器网络的研究还比较少,所以 三维部署 算法的不断研究和更新对 未来 无线传感 器 网 络 技术 的进步有着深远的意义 。 三维部署算法 的空间 复杂度 和二维 部署算法 完全不在一个级别上 [5],因此 绝大多数的研究者 还都停留在对二维部署算法的研究 当中 。但是 虽然人们慢慢发现在 精确地描述现实世界 中三维无线传感网具有更强大的优势 , 它能比二维无线传感网更加准确地反映现实世界的位置关系,因此三维部署算法逐渐 成为了人们研究的热点 。 尽管很多研究人员 做出了 不懈的 尝试 和努力,但是依然不能找出一种应对所有情况的万能 算法, 而大多数情况下都是针对某种特定的环境进行研究 。例如可以应用在空中侦查、航拍等领域 的空中无线传感网, 可以应用在水下水质分析、洋流探测、深海检测等领域 的水下无线传感网 络 [6],以及 应用在 土壤污染检测 、地震预警系统 等 领域 的地下无线传感网 络 [7]。这些网络涉及到了多种学科和部门,应用十分广泛,它们都需要 在一个 规定的三维空间中对目标进行数据采集 。 目前对于三维无线传感网 络 的研究还处于起步阶段,对于水下和地下的无线传感网 络 的研究较多,对于空中的无线传感网 络 研究还相对较少。在本课题中,创新的提出了一种空中三维传感网络,并对于这种新型的空中网络提出了对于三维空间部署的新型算法。我们将具有感知能力和通讯能力的无线传感器节点和小型 飞行器 绑定在一起,从而实现了这种可移动空中感知网络。 1.2 无 线传感网 络 概述 无线传感网 络 是由 很多 自动装置组成的一种无线通讯 计算机网络 [8]。 这些装置 我们称之为传感器节点,它们具有一定的通信和计算能力并且自身携带供电装置。当把这些传感器节点部署在一个无人值守的待测环境中,它们能够根据已设定好的流程自适应的完成探测任务。即在复杂多变或是不适合人类活动的物理环境中,无线传 感网 络 可以代替人类收集和探测大量的数据,为任务的完成节约了人力物力。 使 用无线传感网 络 可以监测空间中的 声音 、 温度 、 压力 、 振动 、 污染物或 运动 等项目 [9],传感器节点采集到信息后就会通过其他的节点将待测信息沿着某条路径传递到网关节点,网关节点再将数据发回上位机进行数据的分析和记中北大学学位论文 3 录。 无线传感网 络 最 早用 于 监测 和收集战场中的情报 等军事应用。而 现在 无线传感器网 被应用于很多民用领域,如环境与生态 环境 监测、 自然灾害监测 、交通控制等 [10]。 无线传感器节点的硬件 结构示意图如图 1.1 所示。节点分为四大部分感知模块,处理模块,通信模块,能量供应模块。其中能量供应模块是为了其他模块的正常运转提供能源保障。感知模块负责对周围的环境进行探测,根据环境的变化收集待测数据。通信模块则是负责与其他传感器节点和网关节点进行数据的传递。而处理模块则是用于数据转换储存和转发,在其中起到一个中转站的作用。单个传感器节点的尺寸大到一个鞋盒,小到一粒尘埃。传感器节点的成本也是不定的,从几百美元到几美分,这取决于传感器网络的规模以及单个传感器节点所需的复杂度 [11]。传感器节点尺寸与复杂度的 限制决定了能量、存储、计算速度与带宽的受限 [12]。 图 1.1 无线传感器节点的硬件结构 中北大学学位论文 4 1.3 经典无线传感网络部署算法 在无线传感网络中,传感器节点的部署策略决定着整个网络完成探测任务的时间,资金消耗以及完成程度,所以其部署算法是整个网络的核心技术。经过无数人的不断探索和研究, 现 在已有的无线传感网络部署算法大致可分为以下几类 基于图论的部署算法、基于计算几何的部署算法和基于人工智能的部署算法 [13]。 1.3.1 基于图论的部署算法 图论是 数学 的一个分支,它以 图 为研究对象,研究 图中 顶点 和 边 组成的图形的数学理论和方法。图是区域在头脑和纸面上的反映,图论就是研究区域关系的学科。图论中的图是由若干给定的顶点及连接两顶点的边所构成的图形,这种图形通常用来描述某些事物之间的某种特定关系,用顶点代表事物,用连接两顶点的边表示相应两个事物间具有这种关系。 在无线传感网的部署算法中, 图中的点就代表了传感器节点,图中的连线就代表了各个节点之间的拓扑结构,我们可以通过分析图中的这些信息来不断调整整个无线传感网络,以找到一个最优的部署策略来完成探测任务 [14]。 Kemal A.提出了在水下传感器网络 中的节点最优覆盖算法 [15]。算法通过增大每一个节点的有效覆盖面积,提高节点的利用率,从而使用最少的节点来覆盖目标区域,高效的完成探测任务。算法通过分簇,分组,深度调节,附加循环四个部分高效高质量的进行部署,只有相邻节点之间相互通信降低了算法的复杂度,并且延长了网络的运行时间。只是在节点部署过程中并非是完全的三维运动,而是先进行平面覆盖,再进行深度调整,这样就使整个部署时间延长了很多。 1.3.2 基于计算几何的部署算法 计算几何是一门研究几何模型和数据处理的学科,它兴起于二十世纪七十年代末的一个计算机科学 的一个分支。通过分析和综合几何形体的计算机表示,研究如何灵活有效的建立几何形体的数学模型以及在计算机中更好的储存和管理这些模型。在实际的应用中常常以 voronoi 图, Delaunay 三角图等几何结构为基础建立网络的拓扑结构, 从而达到某种特性或目标 [16]。
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