[發(fā)明專(zhuān)利]一種室外自適應(yīng)的被動(dòng)式目標(biāo)的定位方法

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201710704510.0
• 申請(qǐng)日: 2017-08-17
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN107801168B
• 公開(kāi)（公告）日: 2020-12-29
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 童文燦
• 申請(qǐng)（專(zhuān)利權(quán)）人: 龍巖學(xué)院
• 主分類(lèi)號(hào): H04W4/38
• 分類(lèi)號(hào): H04W4/38;H04W64/00
• 代理公司: 廈門(mén)市新華專(zhuān)利商標(biāo)代理有限公司 35203
• 代理人: 李寧

1.一種室外自適應(yīng)的被動(dòng)式目標(biāo)的定位方法，其特征在于：目標(biāo)節(jié)點(diǎn)是指能被熱釋電紅外傳感器感應(yīng)的隨機(jī)目標(biāo)，其本身并不具有無(wú)線(xiàn)信號(hào)，目標(biāo)節(jié)點(diǎn)的位置信息通過(guò)參考節(jié)點(diǎn)的位置信息和傳感器的檢測(cè)范圍求得，無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)中由無(wú)線(xiàn)模塊和傳感模塊構(gòu)成的各節(jié)點(diǎn)統(tǒng)稱(chēng)為參考節(jié)點(diǎn)，將參考節(jié)點(diǎn)分為中心節(jié)點(diǎn)和監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)，各參考節(jié)點(diǎn)之間的距離通過(guò)接收的RSSI計(jì)算求得；參考節(jié)點(diǎn)的自定位，目的是為了自適應(yīng)地建立無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)中各個(gè)節(jié)點(diǎn)位置信息，位置信息用平面坐標(biāo)表示，當(dāng)通過(guò)無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)監(jiān)測(cè)到隨機(jī)目標(biāo)時(shí)，先利用聚類(lèi)算法對(duì)目標(biāo)聚類(lèi)，用聚類(lèi)形成的簇的個(gè)數(shù)來(lái)表示當(dāng)前時(shí)刻需要定位的目標(biāo)節(jié)點(diǎn)的個(gè)數(shù)，意味著每個(gè)簇中的所有節(jié)點(diǎn)都監(jiān)測(cè)到了目標(biāo)節(jié)點(diǎn)，不同的簇監(jiān)測(cè)了不同的目標(biāo)節(jié)點(diǎn)；利用紅外測(cè)距模型，計(jì)算出目標(biāo)節(jié)點(diǎn)距其對(duì)應(yīng)目標(biāo)簇中所有監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)的距離，作為定位時(shí)的權(quán)值，再通過(guò)加權(quán)質(zhì)心法確定不同類(lèi)別目標(biāo)節(jié)點(diǎn)的最終位置坐標(biāo)，包括如下步驟：

步驟1、基于RSSI計(jì)算信標(biāo)節(jié)點(diǎn)之間的距離

采用自由空間傳播模型和對(duì)數(shù)-常態(tài)分布模型相結(jié)合的方式計(jì)算信標(biāo)節(jié)點(diǎn)之間的距離，自由空間無(wú)線(xiàn)傳播損耗模型如下：

loss＝32.44+10klgd+10klgf (1)

其中，d為相距信源的距離，f是無(wú)線(xiàn)頻率，k為路徑衰減因子；

對(duì)數(shù)-常態(tài)分布無(wú)線(xiàn)傳播損耗模型為：

PL(d)＝PL(d₀)+10klg(d/d₀)+Xσ (2)

其中，PL(d)是經(jīng)過(guò)距離d后的路徑損耗，Xσ是高斯隨機(jī)分布變數(shù)，取d₀＝1m，代入公式(1)，求得loss即為PL(d₀)的值，根據(jù)公式(2)可得出各未知節(jié)點(diǎn)與信標(biāo)節(jié)點(diǎn)的信號(hào)強(qiáng)度RSSI值為：

RSSI＝發(fā)射功率+天線(xiàn)增益-路徑損耗PL(d) (3)

依據(jù)公式(1)至(3)，根據(jù)信標(biāo)節(jié)點(diǎn)收到任意一個(gè)節(jié)點(diǎn)的信號(hào)強(qiáng)度RSSI，即可求得該節(jié)點(diǎn)與信標(biāo)節(jié)點(diǎn)之間的距離；

步驟2、參考節(jié)點(diǎn)自定位

2.1各參考節(jié)點(diǎn)依據(jù)其收到其他參考節(jié)點(diǎn)的信號(hào)強(qiáng)度RSSI值，建立自身與其他參考節(jié)點(diǎn)的距離映射，建立如下兩個(gè)集合：

參考節(jié)點(diǎn)集合：referenece_set＝{a₀，a₁，…，a_n-1}，其中，a₀標(biāo)識(shí)中心節(jié)點(diǎn)，標(biāo)識(shí)監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)，i≠0；

參考節(jié)點(diǎn)間的距離集合：distance_set＝{d₀₁，d₀₂…d_ij，…，d_n-2n-1}，其中，d_ij表示參考節(jié)點(diǎn)i和參考節(jié)點(diǎn)j之間的距離，n表示無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)中參考節(jié)點(diǎn)的個(gè)數(shù)；

2.2建立上述兩個(gè)集合后，各參考節(jié)點(diǎn)開(kāi)始自定位過(guò)程，建立各自的位置坐標(biāo)：

中心節(jié)點(diǎn)a₀的坐標(biāo)初始化為(0，0)，作為平面坐標(biāo)系原點(diǎn)，中心節(jié)點(diǎn)a₀根據(jù)參考節(jié)點(diǎn)間的距離集合，選擇距離自身最近的兩個(gè)監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)a_u，a_v，且d_0u≤d_0v，以a₀和a_u的連線(xiàn)為X軸，建立平面坐標(biāo)系，a_u坐標(biāo)為(d_0u，0)，a_v坐標(biāo)為(d_ovcosα，d_ovsinα)，α為直線(xiàn)a₀a_v和直線(xiàn)a₀a_u間的夾角，

求得任意一個(gè)監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)a_k的坐標(biāo)為(d_okcosβ，±d_oksinβ)，其中k≠0，u，v；β為直線(xiàn)a₀a_k和直線(xiàn)a₀a_u間的夾角，監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)a_k的y軸坐標(biāo)正負(fù)號(hào)通過(guò)d_kv確定，若

則a_k的坐標(biāo)為(d_okcosβ，d_oksinβ)，否則，監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)a_k的坐標(biāo)為(d_okcosβ，-d_oksinβ)；

步驟3、目標(biāo)定位

先利用聚類(lèi)算法對(duì)目標(biāo)聚類(lèi)，再通過(guò)加權(quán)質(zhì)心法確定不同類(lèi)別目標(biāo)節(jié)點(diǎn)的最終位置，包括如下步驟：

3.1目標(biāo)聚類(lèi)

采用凝聚型層次聚類(lèi)算法，對(duì)目標(biāo)進(jìn)行分類(lèi)，采用最大距離度量法作為簇間距離度量方法，即兩兩簇最大距離p和p′分別為簇c_i，c_j中的對(duì)象，該d_max(c_i，c_j)上限取值為2r₀，r₀為無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)中監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)的監(jiān)測(cè)半徑，設(shè)有m個(gè)監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)監(jiān)測(cè)到目標(biāo)，具體的目標(biāo)聚類(lèi)過(guò)程如下：

1.將m個(gè)監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)都單獨(dú)視為一個(gè)簇，計(jì)算兩兩簇之間的最大距離；

2.將所有最大距離小于2r₀的兩個(gè)簇合并成一個(gè)新簇；

3.重新分別計(jì)算新簇與所有簇之間的距離；

4.重復(fù)上述2、3，直到不存在簇間距離小于2r₀的情況；在本步驟用聚類(lèi)形成的簇的個(gè)數(shù)來(lái)表示當(dāng)前時(shí)刻需要定位的目標(biāo)節(jié)點(diǎn)的個(gè)數(shù)，意味著每個(gè)簇中的所有節(jié)點(diǎn)都監(jiān)測(cè)到了目標(biāo)節(jié)點(diǎn)，不同的簇監(jiān)測(cè)了不同的目標(biāo)節(jié)點(diǎn)；

3.2目標(biāo)定位計(jì)算

目標(biāo)定位則是在上述目標(biāo)聚類(lèi)之后，計(jì)算每類(lèi)目標(biāo)節(jié)點(diǎn)最終位置坐標(biāo)的過(guò)程，使用加權(quán)的三邊和多邊質(zhì)心法計(jì)算每類(lèi)目標(biāo)節(jié)點(diǎn)的質(zhì)心，從而確定該目標(biāo)節(jié)點(diǎn)的最終位置坐標(biāo)：

利用紅外測(cè)距模型，計(jì)算出目標(biāo)節(jié)點(diǎn)距其對(duì)應(yīng)目標(biāo)簇中所有監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)的距離，作為定位時(shí)的權(quán)值；m個(gè)監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)經(jīng)過(guò)聚類(lèi)形成了若干個(gè)簇，每個(gè)簇中的監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)數(shù)用n表示，n≥1：

若n＝1，則用該簇中的監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)的坐標(biāo)(x_i，y_i)作為目標(biāo)節(jié)點(diǎn)的坐標(biāo)位置，即position_target＝(x_i，y_i)；

若n＝2，則目標(biāo)節(jié)點(diǎn)的坐標(biāo)為簇中兩個(gè)監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)的均值，即

若n≥3，則n個(gè)目標(biāo)節(jié)點(diǎn)構(gòu)成個(gè)三角形，依據(jù)紅外測(cè)距模型，求得目標(biāo)節(jié)點(diǎn)距離三角形頂點(diǎn)的距離分別為l_i、l_j和l_k，先用加權(quán)三邊質(zhì)心法求出個(gè)三角形的質(zhì)心，三邊質(zhì)心公式為：

其中表示定位因子，表示距離目標(biāo)節(jié)點(diǎn)越近的監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)的坐標(biāo)的影響力越大；然后利用個(gè)三角形質(zhì)心，通過(guò)多邊質(zhì)心法計(jì)算得到目標(biāo)節(jié)點(diǎn)的最終位置坐標(biāo)