基于無線傳感網(wǎng)絡(luò)的目標(biāo)跟蹤技術(shù)

1、目標(biāo)跟蹤技術(shù)郭松濤2014.11CONTENTS 基于WSN的目標(biāo)跟蹤系統(tǒng)的特點(diǎn) WSN應(yīng)用于目標(biāo)跟蹤的優(yōu)勢 目標(biāo)跟蹤研究的內(nèi)容 目標(biāo)跟蹤策略 目標(biāo)跟蹤關(guān)鍵技術(shù) 目標(biāo)跟蹤指標(biāo)要求節(jié)點(diǎn)的組織和路由目標(biāo)偵測目標(biāo)分類產(chǎn)生初始區(qū)域或初始簇頭目標(biāo)的定位目標(biāo)軌跡的估計(jì)和預(yù)測消息通知目標(biāo)跟蹤是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的重要研究和應(yīng)用領(lǐng)域之一。與傳統(tǒng)WSN系統(tǒng)相比，基于WSN的目標(biāo)跟蹤系統(tǒng)具有如下特點(diǎn): 傳感器節(jié)點(diǎn)小，可近距離或直接置于監(jiān)視環(huán)境中，不易被監(jiān)視目標(biāo)發(fā)現(xiàn)； WSN可快速部署、自組織、自配置，根據(jù)特定的監(jiān)視任務(wù)進(jìn)行組網(wǎng)和任務(wù)分工，目標(biāo)跟蹤更加靈活可靠； 在一些不能手工配置監(jiān)控設(shè)備的區(qū)域,如受污染區(qū)域、面積廣闊

2、的原始森林、敵方戰(zhàn)場等，不可能使用傳統(tǒng)的目標(biāo)跟蹤設(shè)備和方法，WSN是最佳的選擇。 以上特點(diǎn)使得WSN非常適合于地面復(fù)雜環(huán)境和特殊應(yīng)用場合中的目標(biāo)跟蹤應(yīng)用?；赪SN的目標(biāo)跟蹤技術(shù)在軍事和民用領(lǐng)域的巨大應(yīng)用前景受到了世界各國學(xué)術(shù)界和工業(yè)界的高度關(guān)注，成為無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的研究重點(diǎn)和熱點(diǎn)。WSN應(yīng)用于目標(biāo)跟蹤的優(yōu)勢(l)低成本、低功耗、高冗余的設(shè)計(jì)原則為目標(biāo)跟蹤提供了較強(qiáng)的容錯(cuò)能力，網(wǎng)絡(luò)自組織、高密度部署，使得網(wǎng)絡(luò)抗毀能力強(qiáng)，在跟蹤目標(biāo)時(shí)可靠性高。(2)節(jié)點(diǎn)的綜合信息有效地提高了信噪比。(3)節(jié)點(diǎn)與探測目標(biāo)的近距離接觸，可對目標(biāo)進(jìn)行精確感知、跟蹤。(4)節(jié)點(diǎn)中多種傳感器的混合應(yīng)用，可實(shí)現(xiàn)對不同目標(biāo)的

3、監(jiān)測，其適應(yīng)面廣，效益高，有利于提高探測的性能指標(biāo)。(5)節(jié)點(diǎn)傳感器部署廣，多節(jié)點(diǎn)聯(lián)合，形成覆蓋面積較大的實(shí)時(shí)探測區(qū)域，還可混合部署，網(wǎng)絡(luò)抗干擾能力強(qiáng)。(6)借助于節(jié)點(diǎn)的移動(dòng)，可對網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)進(jìn)行調(diào)整，有效地消除探測區(qū)域內(nèi)的陰影和盲點(diǎn)。(7)分布式的數(shù)據(jù)處理、多節(jié)點(diǎn)的協(xié)同工作，使跟蹤更加全面。目標(biāo)跟蹤過程p檢測階段 處于檢測階段的節(jié)點(diǎn)周期性地檢測目標(biāo)是否出現(xiàn)。p定位階段 定位節(jié)點(diǎn)對接收到的采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行處理、計(jì)算，得到目標(biāo)的估計(jì)位置 根據(jù)連續(xù)時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生的兩個(gè)估計(jì)位置估算出目標(biāo)的運(yùn)動(dòng)速度和運(yùn)動(dòng)方向 對目標(biāo)的運(yùn)動(dòng)軌跡進(jìn)行擬合 p通告階段 執(zhí)行定位算法的節(jié)點(diǎn)將目標(biāo)預(yù)測軌跡周圍的處于休眠狀態(tài)的節(jié)點(diǎn)激活，

4、讓它們加入到跟蹤過程中來； 通過多跳方式將目標(biāo)定位結(jié)果發(fā)送給網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn) 在傳感器網(wǎng)絡(luò)的許多實(shí)際應(yīng)用中，跟蹤運(yùn)動(dòng)目標(biāo)是一項(xiàng)基本功能。由于傳感器節(jié)點(diǎn)體積小，價(jià)格低廉，采用無線通信方式，以及傳感器網(wǎng)絡(luò)部署隨機(jī)，具有自組織、魯棒性和隱蔽性等特點(diǎn)，傳感器網(wǎng)絡(luò)非常適合于移動(dòng)目標(biāo)的定位和跟蹤?；趥鞲衅骶W(wǎng)絡(luò)的目標(biāo)跟蹤過程通常包括偵測、定位和通告三個(gè)主要階段，在不同的階段采用不同的技術(shù)。在偵測階段在偵測階段，可以選擇紅外、超聲或者震動(dòng)技術(shù)偵測目標(biāo)的出現(xiàn)。在定位階段在定位階段，通過多個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)互相協(xié)作，采用三角測量、雙元檢測等算法，確定目標(biāo)的當(dāng)前位置，根據(jù)節(jié)點(diǎn)位置的歷史數(shù)據(jù)來估計(jì)目標(biāo)的運(yùn)動(dòng)軌跡。通告階段通告階段

5、是節(jié)點(diǎn)交換信息的過程，主要是廣播目標(biāo)的預(yù)估軌跡，通知和啟動(dòng)軌跡附近的節(jié)點(diǎn)加入目標(biāo)跟蹤過程。目標(biāo)跟蹤研究的內(nèi)容目標(biāo)跟蹤研究的內(nèi)容 一個(gè)自主的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)要想獲得有關(guān)周圍環(huán)境的知識，或者更新優(yōu)化已有的知識，首先必須使用傳感器獲取相關(guān)的原始數(shù)據(jù)，然后根據(jù)先驗(yàn)信息(數(shù)據(jù)庫、數(shù)學(xué)模型等)對原始數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，從而得到一些決策支持信息。目標(biāo)跟蹤系統(tǒng)就是為了保持對目標(biāo)當(dāng)前狀態(tài)的估計(jì)而對所接收到的量測信息進(jìn)行處理的軟、硬件系統(tǒng)。下圖是目標(biāo)跟蹤跟蹤系統(tǒng)的框圖。目標(biāo)跟蹤的基本內(nèi)容包括 (1)濾波與預(yù)測濾波與預(yù)測 濾波和預(yù)測的目的是估計(jì)當(dāng)前和未來時(shí)刻目標(biāo)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，包括目標(biāo)的位置、速度和加速度等?；镜臑V波方法有維

6、納濾波、最小二乘濾波、-濾波、-濾波和卡爾曼濾波等。 (2)機(jī)動(dòng)目標(biāo)模型機(jī)動(dòng)目標(biāo)模型 機(jī)動(dòng)目標(biāo)模型是指描述目標(biāo)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)變化規(guī)律的數(shù)學(xué)模型。估計(jì)理論特別是卡爾曼濾波理論要求建立數(shù)學(xué)模型來描述與估計(jì)問題有關(guān)的物理現(xiàn)象。經(jīng)典的模型包括:機(jī)動(dòng)目標(biāo)加速度時(shí)間相關(guān)模型、相關(guān)高斯噪聲模型、變維濾波器、交互多模算法、機(jī)動(dòng)目標(biāo)“當(dāng)前”統(tǒng)計(jì)模型等。 (3)數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián) 數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)是目標(biāo)跟蹤的核心部分。數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)過程是將候選軌跡(跟蹤規(guī)則的輸出)與己知目標(biāo)軌跡相比較，并最后確定正確的觀測/軌跡配對的過程。正確地判定量測信息的來源是有效維持目標(biāo)跟蹤的關(guān)鍵。數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)的研究包括最佳批處理算法、“最近鄰”濾波、概率數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)

7、濾波方法、聯(lián)合概率數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)濾波方法、“全鄰”最優(yōu)濾波器、多假設(shè)跟蹤方法等，并有更多的新的相關(guān)學(xué)科研究成果應(yīng)于數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)，比如遺傳算法、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、模糊集論等。目標(biāo)跟蹤策略在傳感器網(wǎng)絡(luò)目標(biāo)跟蹤過程中，節(jié)點(diǎn)間的工作狀態(tài)決定了目標(biāo)跟蹤的有效性和精確性，因而研究跟蹤策略相當(dāng)重要，有以下三種：(l)完全跟蹤策略完全跟蹤策略：網(wǎng)絡(luò)內(nèi)所有探測到目標(biāo)的傳感器節(jié)點(diǎn)均參與跟蹤。顯然，這種策略消耗的能量很大，造成了較大資源浪費(fèi)。但同時(shí)這種方式也提供了較高的跟蹤精度。(2)隨機(jī)跟蹤策略隨機(jī)跟蹤策略：網(wǎng)絡(luò)內(nèi)每個(gè)節(jié)點(diǎn)以概率參與跟蹤，整個(gè)跟蹤以平均概率進(jìn)行跟蹤。顯然，這種策略由于參與跟蹤節(jié)點(diǎn)數(shù)量得到限制，因而可以降低能量消耗，

8、但是不能保證跟蹤精度。(3)協(xié)作跟蹤策略協(xié)作跟蹤策略：網(wǎng)絡(luò)通過一個(gè)跟蹤算法來適時(shí)啟動(dòng)相關(guān)節(jié)點(diǎn)參與跟蹤。通過節(jié)點(diǎn)間相互協(xié)作對目標(biāo)進(jìn)行跟蹤，既能節(jié)約能量又能保證跟蹤精度。顯然，協(xié)作跟蹤策略是跟蹤算法的最好選擇。目標(biāo)跟蹤關(guān)鍵技術(shù)目標(biāo)跟蹤關(guān)鍵技術(shù) 節(jié)點(diǎn)的組織和路由 目標(biāo)偵測 目標(biāo)分類 產(chǎn)生初始區(qū)域或初始簇頭 目標(biāo)的定位 目標(biāo)軌跡的估計(jì)和預(yù)測 消息通知節(jié)點(diǎn)的組織和路由 傳感器網(wǎng)絡(luò)沒有嚴(yán)格的控制中心，所有節(jié)點(diǎn)地位平等，是一個(gè)對等式網(wǎng)絡(luò)。而在目標(biāo)跟蹤應(yīng)用中，由于節(jié)點(diǎn)能力的限制，單個(gè)節(jié)點(diǎn)無法有效地跟蹤目標(biāo)，需要多個(gè)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行協(xié)同感知，并對所獲得的數(shù)據(jù)進(jìn)行融合處理，提取信息，這樣在目標(biāo)跟蹤過程中就有一個(gè)局部節(jié)點(diǎn)自

9、組織和路由的問題。目前在節(jié)點(diǎn)的自組織方面有以下幾種方式：靜態(tài)局部集中式靜態(tài)局部集中式動(dòng)態(tài)局部集中式動(dòng)態(tài)局部集中式單點(diǎn)式單點(diǎn)式序貫式序貫式節(jié)點(diǎn)的組織和路由1.靜態(tài)局部集中式靜態(tài)局部集中式 在網(wǎng)絡(luò)中安排一定量具有較強(qiáng)處理能力的簇頭(也叫超級節(jié)點(diǎn))，普通節(jié)點(diǎn)在獲得測量數(shù)據(jù)后傳到簇頭，簇頭再對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，然后通過簇頭間的路由送到用戶終端。這也是層次式的結(jié)構(gòu)。雖然這是比較好的方法，但是對隨機(jī)撒布形成的傳感器網(wǎng)絡(luò)無法控制簇頭位置，事實(shí)上難以實(shí)現(xiàn)。在網(wǎng)絡(luò)拓?fù)洳豢扇藶榭刂茣r(shí)，這種方法就失去了其有效性。2.動(dòng)態(tài)局部集中式動(dòng)態(tài)局部集中式 簇頭在目標(biāo)跟蹤過程中通過一定的準(zhǔn)則動(dòng)態(tài)產(chǎn)生，其他節(jié)點(diǎn)將數(shù)據(jù)傳送給動(dòng)態(tài)簇頭；

10、在目標(biāo)離開簇頭偵測范圍后，產(chǎn)生新的簇頭，原來的簇頭恢復(fù)偵測狀態(tài)，這是目前比較流行的方法。不過這種方法在目標(biāo)頻繁出現(xiàn)的情況下，容易引起網(wǎng)絡(luò)“黑洞”，簇頭負(fù)擔(dān)過重，同時(shí)在參與傳送數(shù)據(jù)的鄰居節(jié)點(diǎn)數(shù)量和區(qū)域的選取上還需慎重考慮，以減少通信能量消耗。節(jié)點(diǎn)的組織和路由3.單點(diǎn)式單點(diǎn)式 在目標(biāo)跟蹤的過程中，始終只有一個(gè)動(dòng)態(tài)頭節(jié)點(diǎn)在跟隨目標(biāo)。在任何時(shí)刻t，只有一個(gè)頭節(jié)點(diǎn)k，它負(fù)責(zé)獲取測量值并更新目標(biāo)位置的估計(jì)。頭節(jié)點(diǎn)從他的鄰居節(jié)點(diǎn)中選取信息量最大的節(jié)點(diǎn)，然后將信息傳給他。這個(gè)節(jié)點(diǎn)就成為下一時(shí)刻的頭節(jié)點(diǎn)，原先的節(jié)點(diǎn)回到空閑狀態(tài)。這種方法有效地減少了通信能量消耗。但是當(dāng)頭節(jié)點(diǎn)損壞或數(shù)據(jù)丟失后，跟蹤就無法進(jìn)行，降低

11、了跟蹤系統(tǒng)的穩(wěn)定性。另外，這種方法只利用了信息量最大的節(jié)點(diǎn)，舍棄了其余的信息量。這一定會(huì)降低跟蹤的精度。4.序貫式序貫式 先將多個(gè)優(yōu)化目標(biāo)進(jìn)行重要性排序，根據(jù)排序來確定滿足的優(yōu)先級，然后再針對優(yōu)先級從高到低的順序來進(jìn)行多次的單目標(biāo)計(jì)算。這種方法精度和能量是自適應(yīng)的，在獲得滿足條件的數(shù)據(jù)后就可以進(jìn)行下面的跟蹤，可以是用戶定制的。如移動(dòng)代理算法，但是在傳輸過程中要考慮代碼傳輸?shù)耐ㄐ拍芰肯?。目?biāo)偵測 偵測階段的目的就是發(fā)現(xiàn)目標(biāo)。 目前對于目標(biāo)來說，有被動(dòng)偵測和主動(dòng)偵測被動(dòng)偵測和主動(dòng)偵測。 主動(dòng)偵測主動(dòng)偵測是指目標(biāo)和節(jié)點(diǎn)之間非敵對關(guān)系，節(jié)點(diǎn)已知目標(biāo)所發(fā)出的信號(如射頻)，以明確的偵測手段進(jìn)行偵測 被

12、動(dòng)偵測被動(dòng)偵測是節(jié)點(diǎn)不知道目標(biāo)的具體特征，只能通過聲波、磁場等普通特征來偵測目標(biāo)。 顯然，主動(dòng)偵測發(fā)現(xiàn)目標(biāo)的概率遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于被動(dòng)偵測，誤判率也大大減小，但實(shí)際情況中，這種情況只是一小部分。 因此對被動(dòng)偵測的研究應(yīng)該是主要的方向。目標(biāo)分類 分類就是區(qū)分不同類目標(biāo)的過程。在由Arora等人建立的“A line in the stand”系統(tǒng)中，利用不同種類物體對環(huán)境產(chǎn)生不同影響的原理，通過抽取目標(biāo)現(xiàn)象特征區(qū)分不同種類的物體。例如，利用磁信號就可以區(qū)分平民和士兵。他們還建了“影響場(influence filed)”的理論。其基本原理是:目標(biāo)物體的體積越大，其影響范圍也就越大。于是可以根據(jù)偵測到目標(biāo)的傳

13、感器節(jié)點(diǎn)的數(shù)目來區(qū)分不同種類的目標(biāo)。產(chǎn)生初始區(qū)域或初始簇頭 一個(gè)目標(biāo)的出現(xiàn)經(jīng)常會(huì)被多個(gè)節(jié)點(diǎn)所感知，如何在考考慮節(jié)能和跟蹤精度慮節(jié)能和跟蹤精度兩個(gè)要求下綜合安排利用各個(gè)節(jié)點(diǎn)的信息，這是傳感器網(wǎng)絡(luò)能夠?qū)崿F(xiàn)目標(biāo)跟蹤任務(wù)所要解決的問題。 初始區(qū)域或初始簇頭的選擇遵循這樣的原則初始區(qū)域或初始簇頭的選擇遵循這樣的原則：盡量減少信息貢獻(xiàn)量少的節(jié)點(diǎn)或信息有冗余的節(jié)點(diǎn)的參與和通信能量的消耗，同時(shí)保證達(dá)到跟蹤任務(wù)的精度要求。 通常處理的方法是形成一個(gè)偵測區(qū)域，也叫協(xié)同組或樹。每個(gè)節(jié)點(diǎn)執(zhí)行單獨(dú)的幀測，當(dāng)測量值超過一定的門限值，則發(fā)送消息加入?yún)f(xié)同組或樹，然后在組(樹)內(nèi)進(jìn)行頭(根)節(jié)點(diǎn)的選舉，聯(lián)合判決和估計(jì)。目標(biāo)的定

14、位 傳感器節(jié)點(diǎn)定位過程中，未知節(jié)點(diǎn)在獲得對于鄰居信標(biāo)節(jié)點(diǎn)的距離，或獲得臨近的信標(biāo)節(jié)點(diǎn)與未知節(jié)點(diǎn)之間的相對角度后，通常使用的下列方法計(jì)算自己的位置。目標(biāo)的定位目標(biāo)的定位目標(biāo)的定位目標(biāo)的定位目標(biāo)的定位目標(biāo)的定位目前主要的定位方法如下：目前主要的定位方法如下： (1)基于距離的定位基于距離的定位 基于距離的定位中，測量節(jié)點(diǎn)間距離或方位時(shí)采用的方法包括：到達(dá)時(shí)間TOA；到達(dá)時(shí)間差TDOA；到達(dá)角度AOA；接收信號強(qiáng)度指示RSSI。基于距離的定位方法雖然能夠達(dá)到很好的精度，但共同缺點(diǎn)都是需要節(jié)點(diǎn)間的嚴(yán)格同步，且能耗太大。 (2)與距離無關(guān)的定位與距離無關(guān)的定位 與距離無關(guān)的定位中，一種方法是對節(jié)點(diǎn)到目標(biāo)

15、間的距離進(jìn)行估計(jì)，然后通過三邊測量定位法或極大似估計(jì)法進(jìn)行定位。還有一種方法是將包含目標(biāo)的區(qū)域中心或離目標(biāo)最近的節(jié)點(diǎn)位置作為目標(biāo)位置，這種方法誤差較大。 (3)基于聲波衰減模型的定位基于聲波衰減模型的定位 這種方法需要根據(jù)經(jīng)驗(yàn)測量獲得比較接近實(shí)際的模型，因此在定位誤差上有待提高。5.4 動(dòng)態(tài)成簇算法 1、動(dòng)態(tài)成簇算法簡介 動(dòng)態(tài)成簇算法（Dynamic Clustering）是在WSN目標(biāo)跟蹤系統(tǒng)中，只有處于目標(biāo)附近的節(jié)點(diǎn)是對定位跟蹤有貢獻(xiàn)的節(jié)點(diǎn)，其余節(jié)點(diǎn)可以處于低功耗等待目標(biāo)的出現(xiàn)；隨著目標(biāo)的移動(dòng)，目標(biāo)周圍的節(jié)點(diǎn)按照簇的方式被組織起來對目標(biāo)實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)跟蹤。 每個(gè)采樣時(shí)刻，網(wǎng)絡(luò)中僅存在一個(gè)跟蹤簇，

16、跟蹤簇隨著目標(biāo)的移動(dòng)而動(dòng)態(tài)的調(diào)整。5.4 動(dòng)態(tài)成簇算法 目標(biāo)跟蹤的動(dòng)態(tài)成簇算法研究的重點(diǎn)： （1）網(wǎng)絡(luò)部署 由于等待目標(biāo)出現(xiàn)的時(shí)間是不確定的，所以等待節(jié)點(diǎn)狀態(tài)的設(shè)置會(huì)影響系統(tǒng)的能量利用率。 （2）節(jié)點(diǎn)的激活方案 激活方案的設(shè)計(jì)要求在保證跟蹤精度的前提下，盡可能地少激活網(wǎng)內(nèi)節(jié)點(diǎn)。 （3）CH選舉及CM加入 CH選舉方案的設(shè)計(jì)要求盡可能選舉離目標(biāo)最近的節(jié)點(diǎn)成為CH，這樣可以減少簇內(nèi)通信開銷，節(jié)省能量。 （4）CH移交方法：成簇算法的核心。 隨著目標(biāo)的移動(dòng)，需要取消當(dāng)前簇，構(gòu)建新的簇來實(shí)現(xiàn)跟蹤。5.4 動(dòng)態(tài)成簇算法 2、網(wǎng)絡(luò)部署方案 為了及時(shí)發(fā)現(xiàn)目標(biāo)并節(jié)省能耗，初始化時(shí)節(jié)點(diǎn)狀態(tài)設(shè)置方式主要有節(jié)點(diǎn)周期

17、休眠方式和邊界節(jié)點(diǎn)活動(dòng)方式。 邊界節(jié)點(diǎn)設(shè)置為感知狀態(tài)，探測所有進(jìn)入感知區(qū)域的目標(biāo)； 其他非邊界節(jié)點(diǎn)設(shè)置為休眠狀態(tài)，等待被喚醒。 網(wǎng)絡(luò)部署后，選擇部分或全部節(jié)點(diǎn)，為其設(shè)置一個(gè)定時(shí)器，使節(jié)點(diǎn)周期性處于休眠或活動(dòng)狀態(tài)。節(jié)點(diǎn)休眠方式有兩種： （1）部分節(jié)點(diǎn)周期性休眠 發(fā)現(xiàn)節(jié)點(diǎn)周期性地處于發(fā)現(xiàn)和睡眠狀態(tài)；普通節(jié)點(diǎn)也設(shè)置為周期地處于睡眠和偵聽狀態(tài)。 （2）全部節(jié)點(diǎn)周期休眠 所有節(jié)點(diǎn)設(shè)置為普通節(jié)點(diǎn)，普通節(jié)點(diǎn)是一個(gè)周期工作節(jié)點(diǎn)，工作狀態(tài)分為：感知偵聽休眠三個(gè)階段。5.4 動(dòng)態(tài)成簇算法 、節(jié)點(diǎn)激活方式 （）全喚醒模式：激活所有節(jié)點(diǎn)對目標(biāo)進(jìn)行感知與跟蹤 （）隨機(jī)喚醒模式：以概率隨機(jī)喚醒網(wǎng)內(nèi)節(jié)點(diǎn) （）選擇喚醒模式：

18、根據(jù)跟蹤任務(wù)的需要來預(yù)測選擇喚醒節(jié)點(diǎn) 它通過上一時(shí)刻目標(biāo)估計(jì)信息預(yù)測下一時(shí)刻目標(biāo)的狀態(tài)，進(jìn)而喚醒下一時(shí)刻對定位跟蹤精度收益大的節(jié)點(diǎn)。 （4）任務(wù)循環(huán)喚醒模式：選擇網(wǎng)內(nèi)部分節(jié)點(diǎn)周期性地醒來去協(xié)助其他節(jié)點(diǎn)工作。 在該算法中，節(jié)點(diǎn)處于休眠狀態(tài)的時(shí)間較短，大量時(shí)間處于檢測模式對目標(biāo)跟蹤。5.4 動(dòng)態(tài)成簇算法 4、簇頭選取和成員選擇 CH選取算法主要有3種：n 基于RSS的CH選取機(jī)制n基于令牌傳遞方式的CH選取機(jī)制n基于信號功率和剩余能量的CH選取機(jī)制5.4 動(dòng)態(tài)成簇算法 1）基于RSS的CH選取機(jī)制 CH的選舉過程： （1）每個(gè)接收到目標(biāo)信號的節(jié)點(diǎn)，啟動(dòng)一個(gè)與RSS值成反比的定時(shí)器，進(jìn)入候選狀態(tài)；

19、（2）定時(shí)器最先到的節(jié)點(diǎn)作為CH，CH就周期性地發(fā)出“招募”信息； （3）在定時(shí)器到時(shí)前收到CH發(fā)來的“招募”信息的候選節(jié)點(diǎn)，設(shè)置為CM，同時(shí)中止自己的選舉定時(shí)器。 可以看出，最先感知到目標(biāo)的節(jié)點(diǎn)成為CH的概率最大，也即離目標(biāo)最近的節(jié)點(diǎn)最有可能成為CH。5.4 動(dòng)態(tài)成簇算法 2）基于令牌傳遞的CH選舉機(jī)制 基本思想：在WSN中設(shè)置一個(gè)組網(wǎng)令牌，該令牌由網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)管理和發(fā)放。所有感知到目標(biāo)的節(jié)點(diǎn)都會(huì)成為候選節(jié)點(diǎn)參與該令牌的競爭。節(jié)點(diǎn)感知到目標(biāo)后，通過遠(yuǎn)距離多跳傳輸?shù)姆绞较蚓W(wǎng)關(guān)申請令牌，申請消息最先到達(dá)的節(jié)點(diǎn)成為CH，由它發(fā)起組簇任務(wù)。 規(guī)定：所有采樣時(shí)刻，網(wǎng)絡(luò)中的令牌數(shù)不大于1。 可以看出：該機(jī)制

20、選取的CH是離網(wǎng)關(guān)最近的那個(gè)感知節(jié)點(diǎn)。 好處：CH選舉失敗的概率小 弊端：所有感知到目標(biāo)的節(jié)點(diǎn)都要向網(wǎng)關(guān)申請令牌，會(huì)導(dǎo)致大量的能量開銷。5.4 動(dòng)態(tài)成簇算法 5、 簇頭移交方法 CH移交分為兩個(gè)步驟：n CH移交的觸發(fā)n新CH的選擇1）基于RSS的CH移交機(jī)制 CH的選擇原則是盡量選擇離目標(biāo)最近的節(jié)點(diǎn)成為CH。 利用參數(shù)設(shè)置的方式來觸發(fā)CH的移交，即在CH上運(yùn)行一個(gè)輕量級的數(shù)據(jù)庫，保持并管理CH及CM的RSS信號強(qiáng)度、剩余電量、檢測到的目標(biāo)信息等。5.4 動(dòng)態(tài)成簇算法 2）基于距離的CH移交機(jī)制 讓盡量靠近目標(biāo)的節(jié)點(diǎn)成為CH。5.4 動(dòng)態(tài)成簇算法 5.5 面向單目標(biāo)的WSN異步動(dòng)態(tài)成簇算法 1

21、、問題描述 實(shí)現(xiàn)ADC目標(biāo)跟蹤存在的問題： （1）網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)狀態(tài)如何設(shè)置 （2）按照怎樣的方式激活目標(biāo)周圍節(jié)點(diǎn) （3）選擇何種機(jī)制來進(jìn)行CH的選舉和CM的招募 （4）隨著目標(biāo)移動(dòng)，如何對CH進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)整 （5）如何精確地對跟蹤時(shí)間進(jìn)行異步配準(zhǔn)5.5 面向單目標(biāo)的WSN異步動(dòng)態(tài)成簇算法 2、目標(biāo)發(fā)現(xiàn)及節(jié)點(diǎn)激活 （1）目標(biāo)發(fā)現(xiàn) 選擇部分節(jié)點(diǎn)周期性地處于檢測盒休眠狀態(tài)，其他節(jié)點(diǎn)完全休眠。 （2）節(jié)點(diǎn)激活 發(fā)現(xiàn)目標(biāo)的節(jié)點(diǎn)會(huì)發(fā)出“喚醒”信號給他一跳以內(nèi)的鄰居節(jié)點(diǎn)使他處于檢測狀態(tài)5.5 面向單目標(biāo)的WSN異步動(dòng)態(tài)成簇算法 3、動(dòng)態(tài)跟蹤簇構(gòu)建與調(diào)整 （1）CH選舉及成員招募 采用基于RSS-RP的CH選舉機(jī)制

22、，為了避免產(chǎn)生多個(gè)簇頭，節(jié)點(diǎn)在廣播消息時(shí)，捎帶上自己的剩余電量（RP）以及接收到RSS，然后在RSS相同的節(jié)點(diǎn)中選擇RP最大的節(jié)點(diǎn)作為CH。 （2）CH數(shù)據(jù)處理 在CH上，運(yùn)行一個(gè)輕量級的數(shù)據(jù)庫，負(fù)責(zé)管理和維護(hù)動(dòng)態(tài)簇成員的狀態(tài)表。 （3）CH的移交及新成員的加入 啟動(dòng)基于RSS-RP的CH改選機(jī)制，設(shè)置一個(gè)參數(shù)NR來控制簇頭節(jié)點(diǎn)移交頻率，同時(shí)觸發(fā)CH的改選。5.5 面向單目標(biāo)的WSN異步動(dòng)態(tài)成簇算法 4、異步跟蹤時(shí)間的標(biāo)定、傳遞及計(jì)算 通過發(fā)送“跟蹤時(shí)間標(biāo)定”及“CH移交”消息來進(jìn)行異步時(shí)間的校準(zhǔn)。目標(biāo)軌跡的估計(jì)和預(yù)測 (1)數(shù)據(jù)表達(dá)數(shù)據(jù)表達(dá) 目標(biāo)的位置有三種數(shù)據(jù)表示方式目標(biāo)的位置有三種數(shù)據(jù)表

23、示方式:精確的坐標(biāo)值、位置范圍、精確的坐標(biāo)值、位置范圍、概率分布。概率分布。精確的坐標(biāo)值表示在實(shí)現(xiàn)時(shí)往往帶來很大的誤差，而且這種誤差會(huì)隨著跟蹤過程的進(jìn)行而擴(kuò)大，因此在精度要求不高的環(huán)境中可以使用。而位置范圍表示和概率分布表示由于考慮了目標(biāo)位置的多個(gè)可能性而具有較高的可信度，從而成為現(xiàn)在目標(biāo)跟蹤數(shù)據(jù)表示的趨勢。但是同樣由于其數(shù)據(jù)的不確定性，在表達(dá)和計(jì)算上增加了復(fù)雜性。 (2)軌跡的估計(jì)軌跡的估計(jì) 估計(jì)實(shí)際上就是在接受一系列測量值后，通過一定的估計(jì)方法得出盡量符合目標(biāo)真實(shí)狀態(tài)的估計(jì)值。比較簡單的估計(jì)是取平均值、最小方差準(zhǔn)則和MLE，不過最近有一些方法有更好的跟蹤效果，比如序貫估計(jì)法。消息通知 計(jì)算出運(yùn)動(dòng)軌跡后，網(wǎng)絡(luò)需要通知附近的節(jié)點(diǎn)啟動(dòng)并加入跟蹤過程。下圖描述了消息通知階段里對傳播節(jié)點(diǎn)的選取以及消息通知的過程。消息通知 消息通知的過程是估算出目標(biāo)運(yùn)動(dòng)軌跡的偵測節(jié)點(diǎn)要廣播一個(gè)通知消息，該消息包含發(fā)送者的位置和目標(biāo)運(yùn)動(dòng)的軌跡參數(shù)。收到消息的節(jié)點(diǎn)計(jì)算自己到目標(biāo)預(yù)估軌