基于拥挤意愿的移动无线传感器网络节点队形约束方法

摘要

本发明公开了一种基于拥挤意愿的移动无线传感器网络节点队形约束方法。使用本发明能够利用节点群与目标点的拥挤意愿对节点群的队形行进状态进行调节，使节点能以稳定、有效率的节奏向目标点行进。根据拥挤意愿对移动无线传感器网络节点行进进行约束控制，根据总体拥挤意愿，改变节点群的移动步长，使节点能以稳定、有效率的节奏向目标点行进。此外，还可以根据各节点之间的拥挤意愿，对各节点进行局部调整，使节点群在行进过程中保持稳定的队形，解决了移动无线传感器网络节点行进过程中队形调整能力弱的问题，避免因长期行进造成的队形混乱，使节点能以稳定、有规律的队形向目标点行进。

说明书

技术领域

本发明涉及移动无线传感器网络队形控制技术领域，具体涉及一种基于拥 挤意愿的移动无线传感器网络节点队形约束方法。

背景技术

移动无线传感器网络节点将移动机器人灵活机动、自治能力强的优点与无 线传感器网络感知空间大、拓扑能力强的优点相结合，提高了系统的整体稳定 性和移动修复能力，可有效应用于大范围的灾后环境监测、危险区域远程测控 等领域。如何保证多移动节点行进过程中的队形，将所有节点的运动协调起来， 避免因长期行进引起队形混乱，进而导致节点间的碰撞是一个重要的研究内容。 现有的队形控制方法主要有领航跟随法、虚拟结构法、基于图论的方法、人工 势场法等。这些方法普遍具有调整队形能力弱、不具有弹性或弹性能力差、缺 乏由于环境影响造成队形分裂后的修复能力。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种基于拥挤意愿的移动无线传感器网络节点队 形约束方法，能够利用节点群与目标点的拥挤意愿对节点群的队形行进状态进 行调节，使节点能以稳定、有效率的节奏向目标点行进。

本发明的基于拥挤意愿的移动无线传感器网络节点队形约束方法，包括以 下步骤：

步骤一，领航节点建立网络，跟随节点加入领航节点所建网络；计算领航 节点与目标点的距离d_st；

步骤二，k时刻节点群总体约束的拥挤强度为与d_st成正比；

根据总体约束的拥挤强度确定总体约束的步长step(d_st)为：

$\mathrm{step}\left(d_{\mathrm{st}}\right)=\left(\begin{array}{cc}{\mathrm{step}}_{\min }·(1+b·1g^{\frac{W_{\mathrm{group}}^k}{d_0}})& d_{\mathrm{st}}\ge d_0\\ {\mathrm{step}}_{\min }& d_{\mathrm{st}}<d_0\end{array}\right)$

其中，step_min是设定的节点运动的最小步长，b是速率变化因子，是一个0～1 之间的小数；d₀是设定的分段阈值；

步骤三，计算k+1时刻节点i的位置：

$X_i^{k+1}=X_i^k+\mathrm{step}\left(d_{\mathrm{st}}\right)---\left(I\right)$

其中，表示k时刻节点i的位置，表示k+1时刻节点i的位置；

步骤四，节点群中的每个节点根据步骤三确定的位置行进，最终到达目标 点。

其中，该方法进一步包括如下步骤：

步骤1、计算节点i与其邻居节点j的拥挤强度W_ij：

W_ij＝W₁+W₂

其中，W_ij，W₁，W₂为矢量；W₁表示节点j对节点i的吸引强度，其值u为设定 的节点j对节点i的吸引系数，其方向为节点i指向节点j；W₂表示节点j对节 点i的排斥强度，其值为其方向为节点j指向节点i，其中，v是设定的节 点j对节点i的排斥系数，d_ij为节点i与节点j之间的距离；

步骤2、利用步骤1的方式计算k时刻节点i周围所有邻居节点的局部拥挤 强度和

步骤3、节点i比较的值与阈值m大小，如果大于阈值m，则节 点i向的矢量方向产生修正步长如果小于阈值m 则其中，adjust_step(·)是关于的函数，局部拥挤强度 和越大则修正步长越大，局部拥挤强度和越小则修正步长越小；

在所述步骤三计算k+1时刻节点i的位置的时候，进一步考虑修正步长 则公式（I）变形为：

$X_i^{k+1}=X_i^k+\mathrm{step}\left(d_{\mathrm{st}}\right)+\mathrm{adjust}\_\mathrm{step}\left(\underset{j}{\Sigma }{W}_{\mathrm{ij}}^k\right).$

有益效果：

本发明根据拥挤意愿对移动无线传感器网络节点行进进行约束控制，当节 点群与目标点距离较远时，拥挤意愿变强，增加节点群的移动步长，当距离较 近时，拥挤意愿变弱，减小节点群的移动步长，使节点能以稳定、有效率的节 奏向目标点行进。

根据各节点之间的拥挤意愿，对各节点进行局部调整，使节点群在行进过 程中保持稳定的队形，解决了移动无线传感器网络节点行进过程中队形调整能 力弱的问题，避免因长期行进造成的队形混乱，使节点能以稳定、有规律的队 形向目标点行进。

附图说明

图1为领航节点和跟随节点形成的队形图。

图2为本发明流程图。

具体实施方式

下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。

本发明较佳实施例提供了一种基于拥挤意愿的移动无线传感器网络节点队 形约束方法，根据节点群与目标点的拥挤意愿对队形的整体行进状态进行调节， 当节点群与目标点距离较远时，拥挤意愿变强，增加节点群的移动步长，当距 离较近时，拥挤意愿变弱，减小节点群的移动步长。同时，还可以根据各节点 与其周围邻居节点之间的拥挤意愿进一步对各节点行进状态进行进一步修正。 当节点拥挤强度和小于阈值m时，拥挤强度小，无需调节节点修正步长，当节 点拥挤强度和大于阈值m时，拥挤强度大，拥挤强度和越大则修正步长越大， 拥挤强度和越小则修正步长越小。

具体包括如下步骤：

步骤一，节点群由1个领航节点和N个跟随节点组成，N为正整数。领航 节点建立网络，等待跟随节点加入网络。当所有跟随节点加入网络后，领航节 点根据其当前位置坐标与目标点的位置坐标计算其与目标点的距离d_st：

$d_{\mathrm{st}}=\sqrt{{(x_s-x_t)}^2+{(y_s-y_t)}^2}$

其中，(x_s，y_s)是领航节点当前的坐标，(x_t，y_t)是目标点的坐标。

步骤二，领航节点确定队形形状，将队形状态以及各跟随节点在队形中的 坐标发送给各跟随节点。领航节点根据距离d_st计算k时刻的总体约束的拥挤强 度为其中a为总体拥挤系数，根据计算总体约束的步长step(d_st) 为：

$\mathrm{step}\left(d_{\mathrm{st}}\right)=\left(\begin{array}{cc}{\mathrm{step}}_{\min }·(1+b·1g^{\frac{W_{\mathrm{group}}^k}{d_0}})& d_{\mathrm{st}}\ge d_0\\ {\mathrm{step}}_{\min }& d_{\mathrm{st}}<d_0\end{array}\right)---\left(1\right)$

其中，step_min是设定的节点运动的最小步长，因为运动节点存在最小运动速 度，所以必须设定最小步长。b是速率变化因子，是一个0～1之间的小数，可以 影响步长的变化速度。采用lg的形式，是为了限制步长的变化，当距离变化太 大时，步长也不会改变太大，以此符合移动节点的运动要求。

步骤三，根据step(d_st)，各节点计算下一个时刻要前往的位置：

$X_i^{k+1}=X_i^k+\mathrm{step}\left(d_{\mathrm{st}}\right)---\left(2\right)$

其中，表示k时刻节点i的位置，表示k+1时刻节点i的位置。

该步骤中求取的可以作为坐标位置，令节点行进。本实施例中，进一步 对根据各节点与其周围邻居节点之间的拥挤意愿对各节点行进状态进行修正， 则还需要执行如下步骤。

步骤五，以节点i为圆心，r为半径的范围内的节点称为节点i的邻居节点。 根据节点i与其周围邻居节点j的距离，可以计算节点i与节点j的拥挤强度：

W_ij＝W₁+W₂

其中，W_ij，W₁，W₂都为矢量。W₁表示节点j对节点i的吸引强度，其值u 为节点j对节点i的吸引系数，其方向为节点i指向节点j。W₂表示节点j对节 点i的排斥强度，其值为其方向为节点j指向节点i，其中，v是节点j对 节点i的排斥系数，d_ij为节点i与节点j之间的距离。v反映了随着d_ij的变化， W_ij的变化快慢，通过u值的选择保证W_ij的最小值为0。预先确定u和v后在使 用时固定其取值。

步骤六，利用步骤五的方法，计算k时刻节点i周围所有邻居节点的拥挤强 度和

步骤七，节点群中的节点判断拥挤强度和的值与阈值m进行比较，如 果大于阈值m，则向的矢量方向产生修正步长修 正步长值是拥挤强度和的函数，它根据拥挤强度和的大小调整步长的大小，拥 挤强度和越大则步长越大，拥挤强度和越小则步长越小。如果小于阈值m 则不需要修正步长，即

步骤八，根据修正步长值对节点群中各节点的步长进行修正，修正后k+1 时刻节点i的位置为：

$X_i^{k+1}=X_i^k+\mathrm{step}\left(d_{\mathrm{st}}\right)+\mathrm{adjust}\_\mathrm{step}\left(\underset{j}{\Sigma }{W}_{\mathrm{ij}}^k\right);$

步骤九，节点群中的节点根据步骤八确定的位置，不断行进，最终到达目 标点。

综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保 护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等， 均应包含在本发明的保护范围之内。