一種水下無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)盲區(qū)覆蓋方法
【專(zhuān)利摘要】本發(fā)明公開(kāi)了一種水下無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)盲區(qū)覆蓋方法，屬于水下無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)【技術(shù)領(lǐng)域】。該方法利用自主水下航行器移動(dòng)來(lái)采集水下無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)覆蓋盲區(qū)的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，首先將要覆蓋的區(qū)域網(wǎng)格化為一組相同大小的正六邊形/正十二面體網(wǎng)格，每個(gè)網(wǎng)格中心與頂點(diǎn)間距離等于所述自主水下航行器的覆蓋半徑；然后以適當(dāng)?shù)牟呗员闅v各個(gè)網(wǎng)格，從而實(shí)現(xiàn)盲區(qū)的數(shù)據(jù)采集。該算法克服了水下環(huán)境復(fù)雜未知、覆蓋場(chǎng)景多樣化而難以可靠覆蓋的問(wèn)題，同時(shí)使得自主水下航行器路徑移動(dòng)消耗最小化。
【專(zhuān)利說(shuō)明】一種水下無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)盲區(qū)覆蓋方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種水下無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)(Underwater Wireless Sensor Networks,UffSNs)盲區(qū)覆蓋方法，利用自主水下航行器(Autonomous Underwater Vehicle,簡(jiǎn)稱(chēng)AUV)移動(dòng)來(lái)采集水下無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)覆蓋盲區(qū)的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，屬于水下無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)【技術(shù)領(lǐng)域】。

【背景技術(shù)】
[0002]水下無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)成為研究的熱點(diǎn)，作為無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)的外延形式和拓展應(yīng)用，其在海洋勘探、水文監(jiān)測(cè)、遠(yuǎn)洋開(kāi)采等領(lǐng)域具有重要應(yīng)用價(jià)值。UWSNs每個(gè)節(jié)點(diǎn)只能探測(cè)自身周?chē)欢ǚ秶鷥?nèi)的興趣數(shù)據(jù)，感知范圍有限。這些節(jié)點(diǎn)通常通過(guò)飛機(jī)、船舶等隨機(jī)投放部署，覆蓋范圍具有很大的不確定性，普通傳感器節(jié)點(diǎn)難以覆蓋全部區(qū)域，因此覆蓋盲區(qū)的興趣數(shù)據(jù)也難以采集。
[0003]關(guān)于無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)覆蓋優(yōu)化，目前國(guó)內(nèi)外有不少研究，它們分別針對(duì)不同的場(chǎng)景。Cortes J (參見(jiàn)[CORTES J, et al.Coverage control for mobilesensing networks.1EEE Transact1ns on Robotics and Automat1n, 2004, 20(2):243-255.])采用梯度算法引導(dǎo)若干AUVs移動(dòng)至特定區(qū)域，以指定密度分布并進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。2009年，吳小平等人(參見(jiàn)[吳小平，馮正平.多AUV覆蓋控制研究.中國(guó)造船.vol.50，n0.2，June, 2009.])提出了一種多AUVs覆蓋控制算法，算法模仿中動(dòng)物“領(lǐng)土劃分”的行為，讓AUVs互相保持一定的距離，達(dá)到覆蓋控制和數(shù)據(jù)采集優(yōu)化的目的。上述工作考慮的主要是如何引導(dǎo)場(chǎng)景中的大量AUVs有序移動(dòng)。相比普通節(jié)點(diǎn)，AUV的成本要高得多，因此，通常采用先隨機(jī)投放大量普通節(jié)點(diǎn)，再以AUV移動(dòng)至覆蓋盲區(qū)采集數(shù)據(jù)的方式來(lái)平衡成本與覆蓋率。有研究者提出了一種割草機(jī)算法(參見(jiàn)[Nguyen B,Hopkin D, and Yip H, Autonomous underwater vehicles a transformat1n of minecounter-measure operat1ns.Defense and Security Analysis, vol.24, n0.3, pp.247-266，2008.])，如圖1所示，梯形區(qū)域?yàn)榇采w區(qū)域，理想情況下，AUV可通過(guò)緊湊的S形移動(dòng)完成盲區(qū)覆蓋任務(wù)。但這個(gè)算法并不適用于所有應(yīng)用場(chǎng)合，原因如下:
(I)普通節(jié)點(diǎn)部署隨機(jī)，未覆蓋區(qū)域的形狀、面積各異，難以針對(duì)特定場(chǎng)景制定全局解決方案。
[0004](2)水下環(huán)境復(fù)雜，具有極強(qiáng)的不確定性，AUV無(wú)法預(yù)先獲知某區(qū)域是否需要或適宜探索。
[0005](3)割草機(jī)算法中當(dāng)AUV臨近區(qū)域邊界時(shí)需要逆向轉(zhuǎn)角，根據(jù)AUV的移動(dòng)特點(diǎn)這需要付出大量額外能量才能完成。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明所要解決的技術(shù)問(wèn)題在于克服現(xiàn)有技術(shù)不足，提供一種水下無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)盲區(qū)覆蓋方法，在有效提高盲區(qū)覆蓋率的同時(shí)，其能量消耗更小。
[0007]本發(fā)明采用以下技術(shù)方案解決上述技術(shù)問(wèn)題:
一種水下無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)盲區(qū)覆蓋方法，利用自主水下航行器移動(dòng)來(lái)采集水下無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)覆蓋盲區(qū)的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，該方法包括以下步驟:
步驟1、將待覆蓋盲區(qū)水域網(wǎng)格化為一組相同大小的正六邊形/正十二面體網(wǎng)格，每個(gè)網(wǎng)格中心與頂點(diǎn)間距離等于所述自主水下航行器的覆蓋半徑；
步驟2、自主水下航行器檢查自身所在網(wǎng)格周?chē)朽従泳W(wǎng)格的狀態(tài)，選取未覆蓋過(guò)的鄰居網(wǎng)格作為候選網(wǎng)格；然后從候選網(wǎng)格中選取擁有最少的未覆蓋鄰居網(wǎng)格的候選網(wǎng)格作為下一步的目的地，如果存在兩個(gè)或兩個(gè)以上擁有最少的未覆蓋鄰居網(wǎng)格的候選網(wǎng)格，則從中選擇使得自主水下航行器轉(zhuǎn)彎角度最小的候選網(wǎng)格作為下一步的目的地；如果自主水下航行器自身所在網(wǎng)格周?chē)淮嬖谖锤采w過(guò)的鄰居網(wǎng)格，則以自主水下航行器前方距離最近的未覆蓋過(guò)的網(wǎng)格作為下一步的目的地；
步驟3、自主水下航行器移動(dòng)至被選為目的地的網(wǎng)格中心，采集此網(wǎng)格區(qū)域的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)；
步驟4、重復(fù)執(zhí)行步驟2、步驟3，直到水下無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)覆蓋盲區(qū)被完全遍歷。
[0008]相比現(xiàn)有技術(shù)，本發(fā)明技術(shù)方案具有以下有益效果:
本發(fā)明適用于各種形狀盲區(qū)的覆蓋，可有效提高盲區(qū)覆蓋率；本發(fā)明還可以使得自主水下航行器路徑移動(dòng)消耗較小。

【專(zhuān)利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0009]圖1為割草機(jī)算法的原理示意圖；
圖2為待覆蓋盲區(qū)水域網(wǎng)格化示意圖；
圖3為AUV下一目的地選擇過(guò)程示意圖；
圖4為銅錢(qián)形待覆蓋區(qū)域；
圖5為本發(fā)明方法與割草機(jī)算法的路徑長(zhǎng)度和能量消耗對(duì)比。

【具體實(shí)施方式】
[0010]下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的技術(shù)方案進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明:
本發(fā)明針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)不足，提出了一種水下無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)盲區(qū)覆蓋方法，利用自主水下航行器移動(dòng)來(lái)采集水下無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)覆蓋盲區(qū)的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，該方法的基本思想為:AUV盡可能貼著已經(jīng)覆蓋的區(qū)域(或不需要覆蓋的區(qū)域)進(jìn)行移動(dòng)，這樣有利于縮短移動(dòng)路徑、提高覆蓋效率，和減少能量消耗。
[0011]下面以平面區(qū)域?yàn)槔龑?duì)本發(fā)明技術(shù)方案進(jìn)行說(shuō)明，該方法具體包括以下步驟: 步驟1、首先將待覆蓋的盲區(qū)(尚未被傳感器節(jié)點(diǎn)覆蓋的區(qū)域)水域網(wǎng)格化為若干個(gè)正六邊形的網(wǎng)格，如圖2所示。本發(fā)明設(shè)定每個(gè)正六邊形網(wǎng)格的邊長(zhǎng)等于A(yíng)UV的覆蓋半徑，對(duì)于正六邊形和正十二面體而言，其中心與各頂點(diǎn)的距離與其邊長(zhǎng)均相等，這樣，當(dāng)AUV處于網(wǎng)格中心時(shí)，該正六邊形網(wǎng)格恰好相當(dāng)于A(yíng)UV覆蓋范圍的內(nèi)接六邊形，網(wǎng)格中所有區(qū)域均可被覆蓋。
[0012]步驟2、自主水下航行器檢查自身所在網(wǎng)格周?chē)?個(gè)鄰居網(wǎng)格的狀態(tài)，選取未覆蓋過(guò)的鄰居網(wǎng)格作為候選網(wǎng)格。
[0013]步驟3、檢查每個(gè)候選網(wǎng)格周?chē)?個(gè)鄰居網(wǎng)格的狀態(tài)，將擁有最少未覆蓋鄰居網(wǎng)格的候選網(wǎng)格作為下一步的目的地；如果出現(xiàn)多個(gè)候選網(wǎng)格擁有相等的最少未覆蓋鄰居網(wǎng)格，則選取使得自主水下航行器轉(zhuǎn)彎角度較小的候選網(wǎng)格作為下一步的目的地。如果自主水下航行器自身所在網(wǎng)格周?chē)淮嬖谖锤采w過(guò)的鄰居網(wǎng)格，則以自主水下航行器前方距離最近的未覆蓋過(guò)的網(wǎng)格作為下一步的目的地。圖3顯示了目的地選擇的一個(gè)實(shí)例，圖中虛線(xiàn)條紋區(qū)域?yàn)橐迅采w的區(qū)域，白色區(qū)域?yàn)槲锤采w的區(qū)域。如圖所示，當(dāng)前AUV位于A(yíng)處，網(wǎng)格B、C、D、E、F和G即其6個(gè)鄰居網(wǎng)格，其中，B、G、F未覆蓋，首先將這三個(gè)網(wǎng)格作為候選網(wǎng)格，然后分別檢查它們周邊未覆蓋鄰居網(wǎng)格的數(shù)量:G有5個(gè)未覆蓋的鄰居網(wǎng)格，而B(niǎo)、F各有3個(gè)未覆蓋的鄰居網(wǎng)格，因此接下來(lái)的AUV的移動(dòng)位置將在B和F中產(chǎn)生。此時(shí)取決于A(yíng)UV當(dāng)前狀態(tài)，假定它之前從C移至A，那么遵循轉(zhuǎn)彎角度更小的規(guī)則，將選取網(wǎng)格F作為接下來(lái)的移動(dòng)位置。
[0014]步驟4、自主水下航行器移動(dòng)至被選為目的地的網(wǎng)格中心并采集此網(wǎng)格區(qū)域的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)；重復(fù)上述步驟2?步驟4，直至盲區(qū)被完全遍歷。
[0015]當(dāng)要覆蓋的區(qū)域?yàn)槿S場(chǎng)景時(shí)，僅需要在網(wǎng)格劃分時(shí)將待覆蓋盲區(qū)劃分為若干正十二面體網(wǎng)格，算法其余部分不變，具體如下:
步驟1、首先將待覆蓋的盲區(qū)(尚未被傳感器節(jié)點(diǎn)覆蓋的區(qū)域)水域網(wǎng)格化為若干個(gè)正十二面體的網(wǎng)格，每個(gè)正十二面體網(wǎng)格的邊長(zhǎng)等于A(yíng)UV的覆蓋半徑，這樣，當(dāng)AUV處于網(wǎng)格中心時(shí)，網(wǎng)格中所有區(qū)域均可被覆蓋。
[0016]步驟2、自主水下航行器檢查自身所在網(wǎng)格周?chē)?2個(gè)鄰居網(wǎng)格的狀態(tài)，選取未覆蓋過(guò)的鄰居網(wǎng)格作為候選網(wǎng)格。
[0017]步驟3、檢查每個(gè)候選網(wǎng)格周?chē)?2個(gè)鄰居網(wǎng)格的狀態(tài),將擁有最少未覆蓋鄰居網(wǎng)格的候選網(wǎng)格作為下一步的目的地；如果出現(xiàn)多個(gè)候選網(wǎng)格擁有相等的最少未覆蓋鄰居網(wǎng)格，則選取使得自主水下航行器轉(zhuǎn)彎角度較小的候選網(wǎng)格作為下一步的目的地。如果自主水下航行器自身所在網(wǎng)格周?chē)淮嬖谖锤采w過(guò)的鄰居網(wǎng)格，則以自主水下航行器前方距離最近的未覆蓋過(guò)的網(wǎng)格作為下一步的目的地。
[0018]步驟4、自主水下航行器移動(dòng)至被選為目的地的網(wǎng)格中心并采集此網(wǎng)格區(qū)域的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)；重復(fù)上述步驟2?步驟4，直至盲區(qū)被完全遍歷。
[0019]本發(fā)明方法可以使用單個(gè)AUV實(shí)現(xiàn)，也可以利用多個(gè)AUVs協(xié)同完成對(duì)某個(gè)場(chǎng)景的覆蓋任務(wù)。當(dāng)使用多個(gè)AUVs時(shí)，要求AUVs之間能夠即時(shí)通信，從而及時(shí)將自己覆蓋過(guò)的區(qū)域告知其它AUVs。由于有多個(gè)AUVs，AUV在移動(dòng)過(guò)程中更容易陷入周?chē)淮嬖谖锤采w的鄰居網(wǎng)格的情況。因此，所有AUVs的累計(jì)移動(dòng)路徑略高于單AUV的情況，累計(jì)能量消耗也略有增加。
[0020]為了驗(yàn)證本發(fā)明的效果，進(jìn)行了以下仿真驗(yàn)證試驗(yàn):
算法仿真采用C#語(yǔ)言程序，圖像部分以paint, net軟件插件的方式實(shí)現(xiàn)。仿真實(shí)驗(yàn)包括:單AUV情況下，AUV從不同起點(diǎn)出發(fā)的情況、初始化時(shí)采用不同網(wǎng)格大小對(duì)覆蓋率以及路徑長(zhǎng)度的影響、要覆蓋的區(qū)域不同形狀(連續(xù)或不連續(xù))的情況，以及多AUVs情況下的算法表現(xiàn)。仿真實(shí)驗(yàn)設(shè)定的待覆蓋區(qū)域?yàn)閳D4所示的銅錢(qián)形區(qū)域。
[0021]圖5展示了 AUV從不同位置出發(fā)情況下的路徑長(zhǎng)度和能量消耗，并與割草機(jī)算法進(jìn)行了比較。我們可以看到，從隨機(jī)選出的5個(gè)不同位置出發(fā)，AUV最終的路徑長(zhǎng)度和能量消耗幾乎一致，這表明本發(fā)明方法具有穩(wěn)定的表現(xiàn)。事實(shí)上，依照本發(fā)明方法規(guī)則，AUV從某個(gè)網(wǎng)格移向相鄰網(wǎng)格的移動(dòng)距離總是恒定的，最終路徑長(zhǎng)度的差異僅產(chǎn)生在A(yíng)UV周?chē)泥従有「窬驯桓采w的時(shí)候，因此算法表現(xiàn)穩(wěn)定。5次試驗(yàn)本發(fā)明方法在路徑長(zhǎng)度、能量消耗上的表現(xiàn)均優(yōu)于割草機(jī)算法。
【權(quán)利要求】
1.一種水下無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)盲區(qū)覆蓋方法，利用自主水下航行器移動(dòng)來(lái)采集水下無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)覆蓋盲區(qū)的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，其特征在于，該方法包括以下步驟: 步驟1、將待覆蓋盲區(qū)水域網(wǎng)格化為一組相同大小的正六邊形/正十二面體網(wǎng)格，每個(gè)網(wǎng)格中心與頂點(diǎn)間距離等于所述自主水下航行器的覆蓋半徑； 步驟2、自主水下航行器檢查自身所在網(wǎng)格周?chē)朽従泳W(wǎng)格的狀態(tài)，選取未覆蓋過(guò)的鄰居網(wǎng)格作為候選網(wǎng)格；然后從候選網(wǎng)格中選取擁有最少的未覆蓋鄰居網(wǎng)格的候選網(wǎng)格作為下一步的目的地，如果存在兩個(gè)或兩個(gè)以上擁有最少的未覆蓋鄰居網(wǎng)格的候選網(wǎng)格，則從中選擇使得自主水下航行器轉(zhuǎn)彎角度最小的候選網(wǎng)格作為下一步的目的地；如果自主水下航行器自身所在網(wǎng)格周?chē)淮嬖谖锤采w過(guò)的鄰居網(wǎng)格，則以自主水下航行器前方距離最近的未覆蓋過(guò)的網(wǎng)格作為下一步的目的地； 步驟3、自主水下航行器移動(dòng)至被選為目的地的網(wǎng)格中心，采集此網(wǎng)格區(qū)域的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)； 步驟4、重復(fù)執(zhí)行步驟2、步驟3，直到水下無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)覆蓋盲區(qū)被完全遍歷。
2.如權(quán)利要求1所述水下無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)盲區(qū)覆蓋方法，其特征在于，所述自主水下航行器至少為兩個(gè)，各自主水下航行器能夠即時(shí)將自己覆蓋過(guò)的網(wǎng)格區(qū)域告知其它自主水下航行器。
【文檔編號(hào)】H04W16/24GK104135731SQ201410374203
【公開(kāi)日】2014年11月5日 申請(qǐng)日期:2014年8月1日 優(yōu)先權(quán)日:2014年8月1日
【發(fā)明者】劉林峰, 董銀川, 王念, 張寧申 申請(qǐng)人:南京郵電大學(xué)