[發明專利]基于無線聲傳感器網絡的K均值聚類加權聲源定位方法

有效

• 申請號: 201710116866.2
• 申請日: 2017-03-01
• 公開（公告）號: CN106940439B
• 公開（公告）日: 2019-05-21
• 發明（設計）人: 韋娟;趙滿;岳鳳麗;計永祥;寧方立;付衛紅
• 申請（專利權）人: 西安電子科技大學
• 主分類號: G01S5/22
• 分類號: G01S5/22;G06K9/62;H04W84/18
• 代理公司: 陜西電子工業專利中心 61205
• 代理人: 田文英;王品華

1.一種基于無線聲傳感器網絡的K均值聚類加權聲源定位方法，其特征在于，采用K均值聚類方法，對聲源的遠場位置構造的聚類樣本集進行聚類，通過更新初始聚類樣本集和更新聚類結果集的方法，去除聚類過程中的較大誤差數據；采用分配權值的方法，對無線聲傳感器網絡中聲源的近場位置和聚類結果集中的各樣本進行有效權值的加權；該方法的具體步驟包括如下：

(1)初始化節點數據集：

(1a)將遠場麥克風陣列節點的波達方向估計值和節點位置信息，組成遠場節點數據集，遠場節點數據集中節點的總數為q，q為大于4的正整數；

(1b)將近場麥克風陣列節點的波達方向估計值、距離信息、節點位置信息，組成近場節點數據集，近場節點數據集中節點的總數為m，m為大于1的正整數，并且滿足m+q＝9；

(2)按照下式，計算無線聲傳感器網絡中聲源的近場位置：

其中，P表示無線聲傳感器網絡中聲源的近場位置，∑表示求和操作，i表示節點標號，r_i表示近場節點數據集中第i個節點的距離信息，cos表示余弦操作，θ_i表示近場節點數據集中第i個節點的波達方向估計值，sin表示正弦操作；

(3)構造初始聚類樣本集：

(3a)將迭代次數初始化為0；

(3b)利用線性最小二乘法，計算無線聲傳感器網絡中聲源的遠場位置；

(3c)將無線聲傳感器網絡中聲源的遠場位置作為初始聚類樣本集的一個樣本，將迭代次數加1；

(3d)判斷迭代次數是否小于30，若是，則執行步驟(3b)，否則，執行步驟(3e)；

(3e)完成樣本總數為30的初始聚類樣本集的構造；

(4)更新初始聚類樣本集；

(4a)在初始聚類樣本集中任選一個樣本；

(4b)按照下式，計算初始聚類樣本集中所有樣本的均值：

其中，μ表示初始聚類樣本集中所有樣本的均值，j表示樣本標號，S_j表示初始聚類樣本集中第j個樣本的樣本值；

(4c)按照下式，計算初始聚類樣本集中所有樣本的方差：

其中，η表示初始聚類樣本集中所有樣本的方差；

(4d)按照下式，計算初始聚類樣本集中所選樣本的樣本值與所有樣本的均值之間的誤差值：

δ_j＝(S_j-μ)²

其中，δ_j表示初始聚類樣本集中所選樣本的樣本值與所有樣本的均值之間的誤差值；

(4e)判斷所選樣本的誤差值是否大于所有樣本的方差，若是，執行步驟(4f)，否則，執行步驟(4g)；

(4f)刪除初始聚類樣本集中所選的樣本；

(4g)判斷初始聚類樣本集中所有的樣本是否選擇完畢，若是，完成初始聚類樣本集的更新，獲得聚類樣本集，執行步驟(5)，否則，執行步驟(4a)；

(5)對聚類樣本集進行K均值聚類：

(5a)將聚類個數設為k，k為大于1的正整數，從聚類樣本集中，任意選取與聚類個數相等的樣本值作為聚類中心值；

(5b)按照下式，從聚類樣本集中任選一個樣本，計算所選樣本的樣本值到每個類的聚類中心值的距離：

d_v＝(S_t-C_v)²

其中，d_v表示所選樣本的樣本值到第v類的聚類中心值的距離，v表示聚類結果集中類的標號，v＝1,2, … k，k表示聚類個數，S_t表示聚類樣本集中所選樣本的樣本值，t表示聚類樣本集中所選樣本的標號，t＝1,2, … ,N，N表示聚類樣本集的樣本總數，C_v表示第v類的聚類中心值；

(5c)從所選樣本的樣本值到聚類中心值的距離中選取最小的值，并用最小的值所在類的標號對所選樣本進行標記；

(5d)判斷聚類樣本集中所有樣本的類是否標記完畢，若是，獲得聚類結果集，執行步驟(5e)，否則，執行步驟(5b)；

(5e)求聚類結果集中每個類的樣本均值，用每個類的樣本均值對每個類的聚類中心值進行更新；

(5f)判斷每個類更新后的聚類中心值與原聚類中心值是否相等，若是，則執行步驟(6)，否則，執行步驟(5b)；

(6)更新聚類結果集：

(6a)在聚類結果集中任選一個類；

(6b)按照下式，計算所有類的聚類中心值與無線聲傳感器網絡中聲源的近場位置的距離均值：

其中，γ表示所有類的聚類中心值與無線聲傳感器網絡中聲源的近場位置的距離均值；

(6c)按照下式，計算所選類的聚類中心值與無線聲傳感器網絡中聲源的近場位置的距離：

ρ＝(C_v-P)²

其中，ρ表示所選類的聚類中心值與無線聲傳感器網絡中聲源的近場位置的距離；

(6d)判斷計算的所選類的距離是否大于所有類的距離均值，若是，執行步驟(6e)，否則，執行步驟(6f)；

(6e)刪除聚類結果集中所選的類；

(6f)判斷聚類結果集中所有的類是否選擇完畢，若是，完成聚類結果集的更新，記錄更新后的聚類結果集的類總數和每個類的樣本總數，執行步驟(7)，否則，執行步驟(6a)；

(7)分配權值：

(7a)在(0，1]的范圍內任意選取一個數，將所選取的數作為近場權值；

(7b)按照下式，計算更新后的聚類結果集中每個類的權值：

其中，w_r表示更新后的聚類結果集中第r類的權值，r＝1,2, … z，z表示更新后的聚類結果集的類總數，w₀表示近場權值，N_r表示第r類的樣本總數；

(8)按照下式，計算無線聲傳感器網絡中聲源的最終位置：

其中，L表示無線聲傳感器網絡中聲源的最終位置，S_r表示更新后的聚類結果集中第r類的樣本值。

2.根據權利要求1所述的基于無線聲傳感器網絡的K均值聚類加權聲源定位方法，其特征在于，步驟(3b)中所述的利用線性最小二乘法，計算無線聲傳感器網絡中聲源的遠場位置步驟如下：

第1步，從遠場節點數據集中，選取同時滿足下述兩個條件的四個不同節點，組成定位節點子集；條件1，無線聲傳感器網絡中聲源的近場位置包含在所選四個節點組成的凸四邊形內；條件2，在所選的四個節點中，任意兩個節點的波達方向估計值之差的絕對值大于10度；

第2步，用定位節點子集中的節點波達方向估計值組成系數矩陣；

第3步，用定位節點子集中的節點波達方向估計值和節點位置信息組成常量矩陣；

第4步，按照下式，計算無線聲傳感器網絡中聲源的遠場位置：

S＝(A^TA)^-1A^Tb

其中，S表示1×2維的無線聲傳感器網絡中聲源的遠場位置，A表示4×1維的系數矩陣，T表示轉置操作，b表示4×2維的常量矩陣。