[發明專利]一種聯合水流作用的傳感節點三維覆蓋控制方法

有效

• 申請號: 202011316864.6
• 申請日: 2020-11-20
• 公開（公告）號: CN112512004B
• 公開（公告）日: 2022-11-29
• 發明（設計）人: 羅成名;楊旭東
• 申請（專利權）人: 江蘇科技大學
• 主分類號: H04W4/38
• 分類號: H04W4/38;H04W16/18;H04W16/22
• 代理公司: 南京經緯專利商標代理有限公司 32200
• 代理人: 徐澍

1.一種聯合水流作用的傳感節點三維覆蓋控制方法，其特征在于，包括以下步驟：

步驟1.對水下傳感節點受力進行建模，在重力、浮力、推力以及阻力的共同作用下，長時間水流作用下部分區域出現覆蓋不均衡的現象，建立水下傳感節點的漂移運動模型；

步驟2.由于存在傳感節點與鄰居傳感節點、傳感節點與障礙物以及傳感節點與邊界的不同情況，推導水下傳感節點的三維虛擬力覆蓋模型，結合移動步長驅使傳感節點進行再覆蓋；

所述的步驟1包括：

1.1水下三維覆蓋區域為L×W×H，其中L、W、H分別表示水下待監測區域長寬高；建立用于水下傳感節點覆蓋的三維坐標系，以水平向左為X軸正方向，垂直于X水平向上為Y軸正方向，垂直于XOY平面豎直向下為Z軸正方向；水下三維區域由傳感節點AN_s＝[AN₁,AN₂,...,AN_i,...,AN_n]^T組成，其中AN_i表示每個傳感節點，n表示傳感節點的個數；而每個傳感節點的三維坐標為AN_i＝[x_i,y_i,z_i]^T，傳感節點受到水流水力作用坐標發生漂移，傳感節點運動呈現不規則的脈動，傳感節點的三維速度為傳感節點的三維加速度為

1.2基于水流水力對傳感節點的作用，傳感節點在水下受到重力作用為其中ρ_s表示傳感節點的密度，V_s表示傳感節點容量，表示傳感節點受到的重力加速度；傳感節點在水下受到浮力作用為其中ρ_w表示水的密度；水流推力為其中C_p表示與傳感節點截面形狀相關的常數，表示XOY平面水流推力作用在傳感節點上的截面積，表示水流速度與傳感節點速度在截面方向的速度差；水流阻力為其中C_r表示與傳感節點截面形狀相關的常數，表示水流阻力作用在傳感節點上的截面積，表示與水流有關的相對速度；

1.3傳感節點受到重力浮力推力和阻力共同作用下，傳感節點在X軸受到的分力可以表示為傳感節點在Y軸受到的分力可以表示為傳感節點在Z軸受到的分力可以表示為其中：α_p表示水流推力與X軸的夾角，0≤α_p≤2π；α_r表示水流阻力與XOY平面的夾角，0≤α_r≤π；β_r表示水流阻力在XOY平面的投影與X軸的夾角，0≤β_r≤2π；傳感節點在X軸上的分力為Y軸上的分力為以及Z軸上的分力為其合力可以表示為其中表示傳感節點受到的加速度；

所述的步驟2具體過程包括：

2.1傳感節點在水流作用下呈現不規則部署，不規則的部署導致不均衡的監測性能，容易在水下部分區域聚集大量傳感節點而出現信息冗余，而水下部分區域無傳感節點而導致覆蓋空洞；基于傳感節點AN_i和AN_i+1間的幾何距離||AN_i-AN_i+1||，通過判斷傳感節點幾何距離||AN_i-AN_i+1||與通信距離R_c和閾值距離d_th的關系，可以得到傳感節點間的三維虛擬力

當傳感節點間幾何距離||AN_i-AN_i+1||小于閾值距離d_th時，則傳感節點間的三維虛擬力為其中w_R為傳感節點間的排斥力系數，α_i,i+1為傳感節點間的方位角，β₁為傳感器節點物理特性參數；

當傳感節點間幾何距離||AN_i-AN_i+1||大于閾值距離d_th且小于通信距離R_c時，則傳感節點間的三維虛擬力為其中w_A為傳感節點間的排斥力系數，α_i,i+1為傳感節點間的方位角，β₂為傳感器節點物理特性參數；

當傳感節點間幾何距離||AN_i-AN_i+1||大于通信距離R_c時，則傳感節點間的三維虛擬力為

2.2水下三維監測空間覆蓋點集為G_s＝[G₁,G₂,...,G_m]^T，其中G_j＝[gx_j,gy_j,gz_j]^T，j∈m；水下任意一點p＝[px,py,pz]^T與覆蓋點集G_j存在有效邊則判定該點p到點G_j之間為可連通；當傳感節點靠近障礙物時，傳感節點在障礙物區域需要施加排斥力為

當傳感節點與障礙物間幾何距離||p-G_j||小于R_s+r_th時，則傳感節點與障礙物間的排斥力為其中，Rs是指節點的通信半徑，r_th為與障礙物相關的閾值，w_O為傳感節點與障礙物間的排斥力系數，為傳感節點與障礙物間的方位角；

當傳感節點與障礙物間幾何距離||p-G_j||大于R_s+r_th時，則傳感節點與障礙物間的排斥力為

2.3當傳感節點在邊界區域時需要施加一個排斥力則傳感節點AN_i受到鄰居傳感節點AN_i+1的作用力為同時受到障礙物O_j和邊界區域B_j的排斥力分別為和則傳感節點AN_i的三維虛擬力合力可以表示為

2.4將傳感節點受到的合力分解到X，Y和Z軸，其在X，Y和Z軸上坐標增量為和其中：分別為合力在X，Y和Z軸上的分量，d_max為最大單步移動距離。