面向三維場景的無線傳感器網絡區域覆蓋兩級映射方法
【專利摘要】本發明是一種面向三維場景的無線傳感器網絡區域覆蓋兩級映射方法，其目的是提供一種三維場景下無線傳感器網絡覆蓋區域的映射方法。該方法側重于從三維場景到二維平面的映射過程，采用兩級映射的思想，先將表面不規則的三維模型地形上各離散點映射到表面規則的圓錐上，再將圓錐沿母線側面展開為扇形，同時將圓錐表面各離散點映射到二維平面上，實現三維地形上各離散點到二維平面上對應點的映射轉換。通過本發明提出的方法，可充分利用無線傳感器網絡中節點感知的三維地形信息，真正從三維角度實現對監測區域的覆蓋。
【專利說明】面向三維場景的無線傳感器網絡區域覆蓋兩級映射方法
【技術領域】
[0001]本發明適用于三維場景下的無線傳感器網絡區域覆蓋，通過將三維地形表面各點映射至圓錐表面實現一級映射，在此基礎上，再將圓錐表面各點映射至二維平面進行二級映射，結合二維無線傳感器網絡區域覆蓋算法，實現對三維場景的覆蓋控制。本技術屬于計算機網絡領域。
【背景技術】
[0002]隨著機電系統技術、無線通信技術以及計算機技術的飛速發展和日益成熟，低成本、低功耗的微型傳感設備通過近距離無線通信自組織而形成的無線傳感器網絡得到了廣泛關注，目前已成為一個極具活力和影響力的研究領域。事實上，與人類生活息息相關的信息絕大部分來自于三維場景中，相比當前研究中普遍采用的二維感知模型及簡化場景，現實三維監測環境更為復雜，實際的監測場景很難采用傳統二維簡化模型進行描述。軍事上雷達組網的空天監測即為典型的三維空間覆蓋，而海洋水質監測更是面向三維場景的。因此迫切需要研究與實際環境更為貼近的無線傳感器網絡三維覆蓋控制機制，以指導現實場景中傳感器節點的部署，從而為場景監測及數據獲取奠定基礎設施保障。本發明的意義在于:局限于傳感器假設簡略，傳統傳感器網絡節點二維感知模型及其相關覆蓋控制理論和成熟算法很難直接應用于真實的人類生活場景中；本發明設計了一種面向三維感知的無線傳感器網絡覆蓋優化控制機制，為無線傳感器網絡的場景監測部署和數據采集奠定基礎。
[0003]當前對于無線傳感器網絡的研究，無論是覆蓋控制或是從能量優化角度大多基于傳統的感知模型，并面向理想的二維平面而進行。實際應用中傳感器節點一般部署于具體的三維場景中，而當前對于面向三維場景的無線傳感器網絡覆蓋問題的相關研究工作較少。因此有必要對三維感知模型下不規則表面的覆蓋增強控制機制展開深入研究。總的來看，目前無線傳感器節點感知模型和覆蓋增強控制
[0004]方案大都是面向二維感知空間和理想監測平面區域，已有的部分三維感知模型則通過二維感知模型推廣主要面向水下傳感器節點設計的，很難準確刻畫無線傳感器節點的數據感知特性。
【發明內容】
[0005]技術問題:本發明的目的是提供一種面向三維場景的無線傳感器網絡區域覆蓋兩級映射方法。通過將三維地形表面各點映射至圓錐表面的第一級映射，再將圓錐表面各點映射至二維平面的第二級映射，結合平面無線傳感器網絡區域覆蓋算法，實現對三維場景的區域覆蓋。通過本發明提出的方法，可充分利用無線傳感器網絡中節點感知的三維地形信息，真正從三維角度實現對監測區域的覆蓋。
[0006]技術方案:本發明的面向三維場景的無線傳感器網絡區域覆蓋兩級映射方法側重于從三維場景到二維平面的映射過程，采用兩級映射的思想，先將表面不規則的三維模型地形上各離散點映射到表面規則的圓錐上，再將圓錐沿母線側面展開為扇形，同時將圓錐表面各離散點映射到二維平面上，實現三維地形上各離散點到二維平面上對應點的映射轉換。相比傳統覆蓋方法所采用的將三維場景簡化為二維平面，即將三維空間中的點直接投影到二維平面上來進行研究的方式，本方法更好地保留了場景中各離散點的三維特性。
[0007]面向區域覆蓋計算的無線傳感器網絡三維場景兩級映射方法，包含在以下具體步驟中:
[0008]初始場景設置:
[0009]步驟I)
[0010]配置監測場景及傳感器節點:設置需要采用無線傳感器網絡監測的區域場景大小；初始化監測場景中無線傳感器節點的數量、布撒位置、主感知方向及感知半徑；
[0011]模型地形:
[0012]步驟2)設置模型地形:模型地形定義為，表面凹凸不規則的整體單個凸起的三維地形，
[0013]步驟3)基于模型地形的三維復雜場景離散處理:將三維場景中的地形段與模型地形進行類比處理，對于凸型地形，類比為模型地形；對于凹形地形，類比為倒置的模型地形；而對于平地，則跳過兩級映射的步驟，直接采用已有的二維地形覆蓋方法求解；
[0014]第一級映射:
[0015]步驟4)為模型地形配置對應圓錐:對于由不同的三維地形所得到的模型地形，設計能將其全部包含的三維圓錐體，且該圓錐與模型地形表面至少有一個切點，作為此模型地形的對應圓錐；
[0016]步驟5)三維模型地形離散點與圓錐表面對應映射關系計算:當模型地形被包含在對應圓錐內時，以步驟4)所得的對應圓錐的中心軸為三維模型地形的軸，將模型地形表面的離散點，在平行于底面的平面內，沿軸到該點的方向，映射到對應圓錐表面；
[0017]至此，實現三維場景表面的第一級映射，即將三維地形表面的離散點映射至對應圓錐表面；
[0018]第二級映射:
[0019]步驟6)將圓錐展開成扇形:將步驟4)所得的對應圓錐沿其任一母線展開，得到對應扇形；以扇形的頂點為極點，以所選展開母線對應扇形的邊為極軸，建立極坐標系，
[0020]步驟7)圓錐表面各離散點映射到二維平面上的對應點:此步驟是將步驟4)所得到的對應圓錐上的離散點映射到由步驟6)所得的扇形二維平面上，因此，各點之間存在一一對應的映射關系；
[0021]至此，得到第二級映射后，實現了三維地形表面的離散點與二維平面點的對應。
[0022]以上步驟中所涉及的一些關鍵操作定義如下:
[0023]配置對應圓錐:
[0024]對于附圖1所示的模型地形，需設計一個能將其全部涵蓋，且與模型地形表面至少有一個切點的圓錐作為其對應圓錐。設對應圓錐的頂點距離地面的高度為h，底面半徑為r，選擇合適的h和r，使得對應圓錐滿足上述條件且與模型地形盡可能接近。示意圖如附圖3所示；
[0025]模型地形上各點映射到圓錐表面:
[0026]由附圖3示意的模型地形與其對應圓錐，對模型地形表面各點在各平行于底面的平面內進行映射。以圓錐底面圓心為原點建立空間直角坐標系。設其中某平行于底面的平面如附圖4所示，坐標原點為O'，若已知模型地形表面一點Q的坐標為O^ycZtl),將Q點
沿
【權利要求】
1.一種面向三維場景的無線傳感器網絡區域覆蓋兩級映射方法，其特征在于該方法包含在以下具體步驟中: 初始場景設置: 步驟I)配置監測場景及傳感器節點:設置需要采用無線傳感器網絡監測的區域場景大小；初始化監測場景中無線傳感器節點的數量、布撒位置、主感知方向及感知半徑； 模型地形: 步驟2)設置模型地形:模型地形定義為，表面凹凸不規則的整體單個凸起的三維地形， 步驟3)基于模型地形的三維復雜場景離散處理:將三維場景中的地形段與模型地形進行類比處理，對于凸型地形，類比為模型地形；對于凹形地形，類比為倒置的模型地形；而對于平地，則跳過兩級映射的步驟，直接采用已有的二維地形覆蓋方法求解； 第一級映射: 步驟4)為模型地形配置對應圓錐:對于由不同的三維地形所得到的模型地形，設計能將其全部包含的三維圓錐體，且該圓錐與模型地形表面至少有一個切點，作為此模型地形的對應圓錐； 步驟5)三維模型地形離散點與圓錐表面對應映射關系計算:當模型地形被包含在對應圓錐內時，以步驟4)所得的對應圓錐的中心軸為三維模型地形的軸，將模型地形表面的離散點，在平行于底面的平面內，沿軸到該點的方向，映射到對應圓錐表面； 至此，實現三維場景表面的第一級映射，即將三維地形表面的離散點映射至對應圓錐表面； 第二級映射: 步驟6)將圓錐展開成扇形:將步驟4)所得的對應圓錐沿其任一母線展開，得到對應扇形；以扇形的頂點為極點，以所選展開母線對應扇形的邊為極軸，建 立極坐標系， 步驟7)圓錐表面各離散點映射到二維平面上的對應點:此步驟是將步驟4)所得到的對應圓錐上的離散點映射到由步驟6)所得的扇形二維平面上，因此，各點之間存在一一對應的映射關系； 至此，得到第二級映射后，實現了三維地形表面的離散點與二維平面點的對應。
【文檔編號】H04W84/18GK103763711SQ201310613198
【公開日】2014年4月30日 申請日期:2013年11月26日 優先權日:2013年11月26日
【發明者】肖甫, 丁文江, 謝星宇, 孫力娟, 王汝傳, 郭劍 申請人:南京郵電大學