[發明專利]一種基于蜂擁控制的移動傳感器目標跟蹤的方法

有效

• 申請號: 201310205840.7
• 申請日: 2013-05-27
• 公開（公告）號: CN104185310B
• 公開（公告）日: 2017-12-05
• 發明（設計）人: 樊春霞;劉云岫
• 申請（專利權）人: 南京郵電大學
• 主分類號: H04W84/18
• 分類號: H04W84/18
• 代理公司: 南京正聯知識產權代理有限公司32243
• 代理人: 王素琴

技術領域

本發明涉及移動傳感器的目標跟蹤，具體是移動傳感器網絡基于蜂擁控制的單目標跟蹤。

背景技術

近年來，移動傳感器的使用越來越廣泛，一般用于人為無法到達的監測的環境，或者超出靜態傳感器的感知半徑，例如：室內危險品跟蹤監測，火場監測，野外標本數據監測，化工廠氣體監測等。

實現以上所有監測的前提是鎖定跟蹤目標，以往的移動傳感器目標跟蹤，需要每個節點獲知目標信息（位置，速度等），這樣節點的運動控制需要投入很高的成本。從控制的角度來說，能夠進行計算的移動傳感器實質上是智能體。

經對現有技術文獻的檢索發現，Saber等人提出了三種蜂擁控制算法，其中之一就是所有智能體獲知目標信息時追蹤目標的蜂擁控制算法。Saber提出的追蹤目標的蜂擁控制算法，控制所有節點，成本最高。將牽制控制的思想引入蜂擁控制取得了一些重要的成果，即對少數節點施加控制以實現群集行為，蘇厚勝等人提出少數節點具有虛擬領導者信息的蜂擁控制算法，汪小帆等人進一步基于人工勢場法實現多智能體網絡的牽制蜂擁同步，但這兩種控制方法在跟蹤者和目標之間沒有引入保護跟蹤者的勢能函數。涂志亮等人針對移動傳感器網絡中動態目標的監測優化問題，提出基于蜂擁控制的傳感器節點部署分布式控制算法，這種控制方法在實現跟蹤者避免碰撞目標時對所有跟蹤者都引入人工勢能，這種控制成本高于對部分跟蹤者引入人工勢能。

發明內容

本發明是針對現有技術中同時確保控制少量節點降低成本和引入保護跟蹤者的勢能函數，提供了可以同時兼顧成本和安全的一種基于蜂擁控制的移動傳感器目標跟蹤的方法。

為解決上述技術問題，本發明提出了一種基于蜂擁控制的移動傳感器目標跟蹤的方法，包括以下步驟：

步驟一：建立移動傳感器網絡MSN（Mobile Sensor Network），所述移動傳感器網絡是一個由N個相同節點組成的移動傳感器網絡，并用無向圖用來表示；

步驟二：設MSN的運動學方程為：

其中，i=1,2,…,N；x_i,v_i,u_i∈Rⁿ分別是節點i的位置、速度和加速度控制輸入，且v_i,u_i有界；

步驟三：設MSN跟蹤目標的運動學方程為：

步驟四：傳感器節點的通信半徑或觀測半徑為R，即與所述傳感器的距離小于R的目標信息都可以被觀測到，傳感半徑為Rs，采用布爾傳感器模型，所述目標信息包括位置、速度和加速度；

步驟五：傳感器需要與目標之間設置安全距離，建立勢能函數：

則有

步驟六：設計如下u_i控制律，對于每個所述節點i：

其中，c₁,c₂為正值。

進一步的，前述的一種基于蜂擁控制的移動傳感器目標跟蹤的方法，步驟一中所述無向圖由G=(V,E,A)來表示，集合V={1,2,…,N}表示所有傳感器節點，邊集E={(i,j)|i,j∈V,i≠j}。用A=[a_ij]∈R^N×N表示節點之間的鄰接關系，稱之為鄰接矩陣，其中a_ij≠0是(i,j)∈E的等價表示，所述節點i和所述節點j之間的距離越近，鄰接權值a_ij就越大，相互的影響也就越大；當距離大于一定值時，相互的影響可以不計。

進一步的，前述的一種基于蜂擁控制的移動傳感器目標跟蹤的方法，步驟二中所述u_i為控制律，在只有本地和單跳鄰居節點的信息可用時，得到穩定的網絡拓撲結構，協同所有節點速度與目標一致，覆蓋目標，并且所有節點與目標保持安全距離。

進一步的，前述的一種基于蜂擁控制的移動傳感器目標跟蹤的方法，步驟四中所述布爾傳感器模型，位于x_i處的傳感器檢測到x_T處目標的概率為

所述節點i的單跳鄰居集合為N_i＝{j|‖x_i-x_j‖≤R}，且使用GPS等定位系統的單跳通信使得傳感器獲知目標信息，若j∈N_i，那么所述節點i可以自身觀測獲取所述節點j的位置，速度和加速度的信息。