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无线传感器网络能量高效的目标跟踪算法研究

吴希启  
【摘要】:无线传感器网络是一种新兴的网络,它的自组织性、动态性组网、高容错性等优点,使得它的应用极其广泛,它不仅可以应用于各种民用和商业应用领域中,如医疗保健、环境、减灾救灾等,还可以应用于军事领域。在无线传感器网络的众多应用中,对移动目标的跟踪一直都是一个非常重要的应用,对目标跟踪技术的研究也成为无线传感器网络研究的热点之一。 在目前对无线传感器网络目标跟踪算法的研究中,主要包括两大核心算法,分别是目标定位算法和目标运动轨迹的预测算法,在这两大核心算法中,主要的研究热点集中在目标运动轨迹的预测算法上。在预测算法中,最终唤醒哪些节点进行目标跟踪是一个很重要的研究点。同时针对无线传感器网络能量有限的问题,高效的使用传感器节点能量、保证对目标的高精度的跟踪也是研究的主要目标之一。 本文首先讨论了无线传感器网络中移动目标跟踪研究的价值和意义,分别对无线传感器网络和目标跟踪的研究现状和研究重点进行了分析,接着论述了设计无线传感器网络目标追踪算法的关键技术,还对目前比较有影响力的目标追踪算法进行了详细的说明和分析。最后,在对前人研究的分析和总结后,提出了本文的能量有效的移动目标跟踪算法。在算法描述中,首先对本文所使用的无线传感器网络模型和所提出的两种感知半径的使用分别做了详细的分析说明,同时针对本文提出的两类节点,设计了各自的不同状态之间的转换机制。其次根据在目标侦测阶段和目标跟踪阶段簇头节点所担当的任务的不同,分别提出了不同的簇头选举策略;另外,在跟踪阶段,为每个监测状态的节点设置了节点权值,将节点对目标的感知强度、目标相对该节点的运动趋势以及节点自身的剩余能量三个因素作为设置该节点权值大小的依据,并根据最终的总权值的大小来决定由哪些节点来参与目标跟踪。最后还根据本文的正六边形分簇方法提出了目标丢失后的恢复算法,从而达到以最低的能量消耗实现在目标丢失后对目标的重新发现和跟踪,最终实现高能量利用率、高精度的跟踪。 为了证明本文算法的有效性,作者在Matter平台上对本文提出的目标跟踪算法进行了仿真测试。分别对目标做直线运动和曲线运动两种不同的运动轨迹时的情况做了仿真实验。仿真结果表明,选取的权值阈值越大,所消耗的能量就越小;在将本文算法与自适应算法进行比较时,本文算法的能量消耗明显低于自适应算法,网络的生命期明显长于自适应算法;在对目标轨迹进行拟合后,与目标实际的运动轨迹相比较,误差比较小,跟踪精度比较高。


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