專利名稱：分布式自適應粒子濾波的無線傳感器網絡目標跟蹤方法
技術領域：
本發明涉及一種無線傳感器網絡的目標跟蹤方法，屬于傳感器和無線通信技術領域。
背景技術：
無線傳感器網絡由大量隨機分布傳感器節點組成，是一種能夠自組織的網絡，能夠感知覆蓋區域內被檢測對象的信息。由于傳感器節點具有體積小、價格低廉、無線通信、 自組織性、健壯性和隱蔽性等特點，被廣泛應用于國防軍事、環境檢測等領域。無線傳感器網絡的典型應用之一是目標跟蹤，通過節點間的相互協作，對進入覆蓋區域的目標進行跟蹤，利用多節點觀測值，運用濾波對目標的位置等信息進行估計。傳統的無線傳感器網絡目標跟蹤方法有其自身缺陷1)能量有限，一般的傳感器節點都是用電池供電，而且無法再充電，信息的傳送會消耗大量能量；幻帶寬有限，節點之間的協同工作需要傳送大量數據；3)節點計算能量有限。目前，大多數基于無線傳感器網絡的目標跟蹤方法中都采用角度或者信號強度作為量測，使傳感器傳送數據過多，造成數據擁塞，而且會占用大量帶寬。相對于上述傳統的無線傳感器網絡，二進制無線傳感器網絡只傳送” 0”或” 1”，可以有效節約帶寬和能量。現有的二進制無線傳感器網絡目標跟蹤時利用網絡結構、傳感器探測半徑以及幾何知識進行定位，在精度上有所欠缺；或者利用濾波法跟蹤目標，如粒子濾波法，但是大多是集中式，消耗太多的能量而且實時性不能滿足要求。因此基于分布式粒子濾波法更符合實際應用，其中的分簇算法一般都是根據當前的目標位置進行動態組簇，雖然在組簇上可進行優化，但是卻要在簇頭交替過程中傳送大量數據，從而占據大量帶寬，消耗大量言旨量。
發明內容
本發明所要解決的問題是針對上述現有技術的不足而提出了一種基于分布式自適應粒子濾波的二進制無線傳感器網絡目標跟蹤方法，實時性好，能量消耗少，目標跟蹤的
精度尚。本發明采用的技術方案是包括如下步驟(1)初始化無線傳感器網絡，使所有節點都具有統一的規格且都處于休眠狀態；( 選擇信號接收強度最大的節點作為簇頭節點，與簇頭節點在單跳通信范圍內的節點和簇頭節點組簇，其余節點繼續在休眠狀態；(3) 簇內節點對目標進行觀測，將接收到的信號與預設門限相比較，若高于預設門限則發送二進制數據給簇頭節點，反之不發送。(4)使用常規的粒子濾波算法估計初始狀態估計值和初始方差估計值；( 在t時刻根據步驟( 組簇，并將上一時刻粒子濾波估計的狀態估計值和方差估計值打包傳送給此t時刻的簇頭節點；(6)進行t時刻的自適應粒子濾波在線調
Im ρ
整粒子數，包括先由決策規則# O) =確定所需的粒子數，然后從重要密度函數中采樣N(t)個粒子，再更新采樣粒子，最后輸出目標的位置狀態估計值和方差估計值， 每一時刻更新所需的粒子數根據方差估計值在線調整；m為比例系數，ζ是處理一個粒子的平均時間損耗，Pt^1是上一時刻的方差，t-Ι是完成上一次仿真的耗時；(7) t時刻自加1，根據目標的運動不斷地更新簇頭節點，在簇頭節點更換時將上一簇頭節點的信息傳送給當前簇頭節點；(8)重復步驟(5)-(7)，直至目標脫離無線傳感器網絡覆蓋區域為止。本發明提供的技術方案的有益效果是通過采用二進制傳感器網絡，在節點與簇頭節點之間只傳送“0”，“1”信號，根據一定的原則選擇簇頭節點，可以有效地減少帶寬。并采用自適應粒子濾波算法，當簇頭更換時，在簇頭之間無需傳遞大量的粒子，簇頭之間只需要傳送濾波值和誤差方差即可，同時根據濾波方差在線調整粒子數，降低了算法的計算量， 進一步有效減少帶寬，并且采用分布式算法，大大提高無線傳感器網絡目標跟蹤的實時性和跟蹤精度，減少通信量，降低能量消耗。
以下結合附圖和具體實施方式
對本發明作進一步詳細說明
圖1是本發明的目標跟蹤方法流程圖。
具體實施例方式本發明采用分布式自適應粒子濾波來跟蹤目標的位置，在當前時刻，目標移動到某個位置，根據一定的原則喚醒部分傳感器節點參與目標跟蹤，以減少通信量和降低能耗。 首先讓傳感器節點處于一種休眠狀態，當目標進入傳感器節點后，喚醒節點，在規定范圍內的節點自組織成簇，然后根據一定的原則選擇簇頭節點，簇內節點對目標進行觀測，并發送二進制數據給簇頭節點，不符合組簇原則的節點重新進入休眠狀態，以節省傳感器節點的能量。目標跟蹤節點用自適應粒子濾波對當前時刻的目標位置進行估計，根據目標的運動不斷地更新簇和簇頭，當簇頭更換時，將上一簇頭的信息傳送給當前簇頭。因為傳感器節點向簇頭之間傳送的是二進制數據，而且可以在線調節粒子數，因此可以進一步節省帶寬和能量。參見圖1，本發明具體實施步驟如下步驟101 初始化無線傳感器網絡，在區域內隨機播撒無線傳感器網絡節點，所有節點都具有統一的規格，如通信距離、探測距離等，所有節點都處于休眠狀態，只保持簡單的探測功能，即只能探測出有或無目標存在，關閉通信功能。步驟102 傳感器節點探測到目標，喚醒在探測范圍的節點。這些在探測范圍的節點根據原則組簇，即選擇信號接收強度最大的節點k作為簇頭節點，與簇頭節點k在單跳通信范圍內的節點和簇頭節點組簇，其余節點繼續進入休眠狀態；步驟103 簇內節點對目標進行觀測，并發送二進制數據給簇頭節點。當觀測到數據，發送“1”，未觀測到數據則發送“0”，對于沒有發送數據的節點，簇頭默認該節點發送的為“0”。節點接收信號的強度模型是ynJ=gn(xt) + vnJ=-——^ + Vni η = 1, 2，...，N(1)其中hOO是第η個節點接收信號強度的函數，Vn,t是獨立于Ut的噪聲， 從，σν2)，Γη是第n個節點的位置，It是目標在時刻t所處的位置，I Irn-ItI |是目標和節點之間的歐幾里得距離，Ψ是在目標距離為Cltl時的信號能量，α是傳輸介質參數。第η個節點接收到的信號強度在本地進行處理，然后根據準則發送二進制信息給簇頭節點，該準則是將接收到的信號yn,t與預設的門限Y相比較，如果值低于門限Y，則不發送任何信息；如果值高于Y，則發送信息給簇頭節點。因此，節點只有當yn,t高于門限 Y的時候才向簇頭節點傳送信息。簇頭節點接收到來自第η個節點的量測為βη8η,
權利要求
1. 一種分布式自適應粒子濾波的無線傳感器網絡目標跟蹤方法，其特征是包括如下步驟(1)初始化無線傳感器網絡，使所有節點都具有統一的規格且都處于休眠狀態；(2)選擇信號接收強度最大的節點作為簇頭節點，與簇頭節點在單跳通信范圍內的節點和簇頭節點組簇，其余節點繼續在休眠狀態；(3)簇內節點對目標進行觀測，將接收到的信號與預設門限相比較，若高于預設門限則發送二進制數據給簇頭節點，反之不發送；(4)使用常規的粒子濾波算法估計初始狀態估計值和初始方差估計值；(5)在t時刻根據步驟(2)組簇，并將上一時刻粒子濾波估計的狀態估計值和方差估計值打包傳送給此t時刻的簇頭節點；(6)進行t時刻的自適應粒子濾波在線調整粒子數，包括先由決策規則
2.根據權利要求1所述的分布式自適應粒子濾波的無線傳感器網絡目標跟蹤方法，其特征是步驟(7)中，當目標在下一時刻移動到另一個位置，按步驟( 重新組簇，當選出的簇頭節點與上一時刻的簇頭節點不相同時，上一簇頭節點將信息傳送給當前簇頭節點，簇頭節點之間傳送的信息為上一時刻目標的狀態估計值和方差估計值。
全文摘要
本發明公開一種分布式自適應粒子濾波的無線傳感器網絡目標跟蹤方法，先根據原則喚醒部分傳感器節點參與目標跟蹤，發送二進制數據給簇頭節點，再用自適應粒子濾波對當前時刻的目標位置進行估計，在線調節粒子數，最后根據目標的運動不斷地更新簇頭節點，將上一簇頭節點狀態估計值和方差估計值傳送給當前簇頭節點；本發明在簇頭之間無需傳遞大量的粒子，降低算法的計算量，減少通信量，有效減少帶寬，降低能量消耗，大大提高目標跟蹤的實時性和跟蹤精度。
文檔編號H04W84/18GK102256381SQ20111008673
公開日2011年11月23日 申請日期2011年4月7日 優先權日2011年4月7日
發明者伍雪冬, 馮友兵, 朱志宇, 王彪, 蘇嶺東, 趙成 申請人:江蘇科技大學