本發(fā)明涉及無人設(shè)備測(cè)控領(lǐng)域，尤其是涉及了一種利用非精確遙控設(shè)備定位的分布式區(qū)域覆蓋劃分方法。

背景技術(shù)：

從前些年起，如何讓一個(gè)集群的遙控設(shè)備覆蓋某片區(qū)域從而自主地進(jìn)行重要事件的監(jiān)控，成為了研究的熱點(diǎn)。具體來講，它的任務(wù)是在指定的空間內(nèi)，使用一組無人設(shè)備或者遙控設(shè)備組成一個(gè)檢測(cè)網(wǎng)絡(luò)，去監(jiān)控此指定空間內(nèi)重要事件的發(fā)生，在如深夜治安、醫(yī)院監(jiān)控、廠房安全、和不適合人類工作的環(huán)境等場(chǎng)景中具有巨大應(yīng)用前景。

盡管此研究吸引眾多關(guān)注及具有潛力，但成熟的方案并不多見，其中最主要的技術(shù)難點(diǎn)之一在于如何讓這組無人設(shè)備自主地去完全覆蓋需要檢測(cè)的區(qū)域而不需要全局調(diào)配，同時(shí)過往研究大都建立在非凸空間上，不能應(yīng)付所有顯示場(chǎng)景。全局調(diào)配浪費(fèi)資源，需要更好的裝備及持續(xù)的動(dòng)力，假如能只利用相鄰無人設(shè)備之間的信息，就能達(dá)到局部配置的最優(yōu)化，因此本文利用無人設(shè)備的非精確定位信息，在凸空間的條件下，創(chuàng)造了一種利用非精確遙控設(shè)備定位的分布式區(qū)域覆蓋劃分方法。

本發(fā)明提出了一種合理劃分檢測(cè)區(qū)域的新方法。定義一個(gè)全局凸空間和一組無人設(shè)備或遙控設(shè)備組成的機(jī)器探測(cè)網(wǎng)絡(luò)，固定其屬性。對(duì)于每個(gè)無人設(shè)備個(gè)體有對(duì)應(yīng)的輸入，使用一階函數(shù)進(jìn)行動(dòng)態(tài)管理。對(duì)比研究使用泰森多邊形法則、有效泰森多邊形法則和基于圓盤的泰森多邊形法則進(jìn)行半平面及平面的區(qū)域劃分，最后使用設(shè)計(jì)的分布式算法對(duì)路徑軌跡進(jìn)行優(yōu)化，得到無人遙控設(shè)備網(wǎng)絡(luò)的局部最優(yōu)配置。本發(fā)明可以在凸空間下進(jìn)行區(qū)域劃分，并且有效解決相鄰無人設(shè)備二者距離不同時(shí)其區(qū)域劃分問題。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

針對(duì)解決在無人設(shè)備監(jiān)控事件發(fā)生時(shí)的空間劃分問題，本發(fā)明的目的在于提供一種基于無人設(shè)備的非精確定位信息的分布式區(qū)域覆蓋方法，提出了一種在凸空間下將無人設(shè)備自主路徑規(guī)劃局部最優(yōu)化的框架。

為解決上述問題，本發(fā)明提供一種利用非精確遙控設(shè)備定位的分布式區(qū)域覆蓋劃分方法，其主要內(nèi)容包括：

(一)感應(yīng)全局區(qū)域設(shè)定；

(二)空間分割；

(三)分布式控制法則應(yīng)用；

其中所述的感應(yīng)全局區(qū)域設(shè)定，在監(jiān)控狀態(tài)下設(shè)定一個(gè)閉合凸空間和一個(gè)由n個(gè)完全一致的尺寸可忽略的移動(dòng)遙控設(shè)備(也可稱作節(jié)點(diǎn))組成的測(cè)控網(wǎng)絡(luò)，其定義為：

其中ui是每個(gè)遙控設(shè)備的輸入控制信號(hào)。

進(jìn)一步地，所述的測(cè)控網(wǎng)絡(luò)，此網(wǎng)絡(luò)中每個(gè)移動(dòng)遙控設(shè)備的位置的不確定性具有邊界則移動(dòng)遙控設(shè)備的中心位置位于一個(gè)圓盤點(diǎn)內(nèi)：

其中‖·‖是指歐幾里得度量，qi是由設(shè)備返回的位置信息；

同時(shí)，每個(gè)移動(dòng)遙控設(shè)備的感知區(qū)域小于等于所有設(shè)備所能感應(yīng)的共同區(qū)域，即：

接著，在范圍內(nèi)將一個(gè)移動(dòng)遙控設(shè)備能探測(cè)到的所有區(qū)域稱為“有效感應(yīng)區(qū)域”根據(jù)公式(2)(3)，在的情況下，

根據(jù)公式(4)，如果能精確地知道一個(gè)移動(dòng)遙控設(shè)備的位置，即那么這個(gè)設(shè)備的有效感應(yīng)區(qū)域等于它的所有探測(cè)區(qū)域；反之如果這個(gè)設(shè)備的未知位置可能性區(qū)域大于它的探測(cè)區(qū)域能力，則有效感應(yīng)區(qū)域面積為0。

進(jìn)一步地，所述的空間分割，包括泰森多邊形圖法則，有效泰森多邊形法則，對(duì)于圓盤點(diǎn)的有效泰森多邊形法則。

進(jìn)一步地，所述的泰森多邊形圖法則，在閉合凸空間ω內(nèi)所有的點(diǎn)q中，對(duì)于每個(gè)移動(dòng)遙控設(shè)備(節(jié)點(diǎn))i，其泰森多邊形單元定義為：

泰森多邊形單元為閉合凸空間ω的鑲嵌，即所有泰森多邊形單元無重疊無間隙地填充滿ω，同時(shí)泰森多邊形對(duì)德拉內(nèi)三角剖分具有二元性，假設(shè)點(diǎn)qi的德勞內(nèi)近鄰為：

ni＝{j∈in,j≠i:∨i∩∨j≠0},i∈in(6)

因?yàn)榉指钐┥噙呅螁卧獣r(shí)只需要考慮其德勞內(nèi)近鄰，則由公式(4)(5)可得，泰森多邊形單元的獲取可簡(jiǎn)化為：

因此對(duì)于點(diǎn)qi，其泰森多邊形單元的分割，用德勞內(nèi)三角剖分和該點(diǎn)與ni內(nèi)所有點(diǎn)的半平面交界處劃分獲得。

進(jìn)一步地，所述的有效泰森多邊形圖法則，在閉合凸空間ω內(nèi)所有的不確定區(qū)域di，di中含有所有的位置點(diǎn)可能性qi，則有效泰森多邊形單元定義為：

其與經(jīng)典泰森多邊形圖法則不同點(diǎn)在于其分割不局限于半平面，而在于整個(gè)平面，因此有效泰森多邊形單元中含有的平面內(nèi)的點(diǎn)在所有不確定區(qū)域di中都更靠近對(duì)應(yīng)的移動(dòng)設(shè)備節(jié)點(diǎn)qi，相應(yīng)地，這些泰森多邊形單元不再是鑲嵌型。

進(jìn)一步地，所述的對(duì)于圓盤點(diǎn)的有效泰森多邊形法則，當(dāng)在閉合凸空間ω內(nèi)的不確定區(qū)域di，其區(qū)域大小如公式(2)中定義的那樣位于圓盤內(nèi)，則這個(gè)圓盤的有效泰森多邊形單元由雙曲線分割；

對(duì)于任意兩個(gè)節(jié)點(diǎn)i和j，各自的有效泰森多邊形單元與該兩節(jié)點(diǎn)圓盤中心點(diǎn)距離di,j的關(guān)系如下：

1)當(dāng)兩個(gè)圓盤有重疊部分，該二者有效泰森多邊形單元為空；

2)當(dāng)兩個(gè)圓盤的距離等于兩個(gè)圓盤的半徑之和，該二者有效泰森多邊形單元為一根射線貫穿兩個(gè)圓盤中心點(diǎn)，拓展部分即為有效探測(cè)單元；

3)當(dāng)兩個(gè)圓盤完全分離，則該二者有效泰森多邊形單元一個(gè)雙曲線的兩個(gè)分支切割完成，若圓盤距離增加，該雙曲線的離心率隨之增加；

4)有效泰森多邊形單元還依賴于兩個(gè)圓盤半徑之和，當(dāng)其和減小，雙曲線的離心率隨之減小，當(dāng)減至0時(shí)，有效泰森多邊形單元就變成了經(jīng)典泰森多邊形單元。

進(jìn)一步地，所述的分布式控制法則應(yīng)用，包括區(qū)域覆蓋準(zhǔn)則和協(xié)調(diào)方案。

進(jìn)一步地，所述的區(qū)域覆蓋準(zhǔn)則，對(duì)于有效泰森多邊形單元，區(qū)域覆蓋的標(biāo)準(zhǔn)定義為：

在公式(9)中，函數(shù)的使用需要先驗(yàn)知識(shí)，這個(gè)先驗(yàn)知識(shí)來自于在一個(gè)覆蓋場(chǎng)景中，對(duì)某點(diǎn)q上會(huì)發(fā)生一件事情其概率的重要性，這個(gè)重要性與該函數(shù)相關(guān)；

另外地，這個(gè)準(zhǔn)則(9)表示區(qū)域是對(duì)于節(jié)點(diǎn)來講能保證的最靠近且能覆蓋的區(qū)域。

進(jìn)一步地，所述的協(xié)調(diào)方案，對(duì)于一組由移動(dòng)節(jié)點(diǎn)組成的網(wǎng)絡(luò)，若其具有公式(2)中不確定的定位信息，具有公式(3)中的有效感應(yīng)區(qū)域，同時(shí)個(gè)體節(jié)點(diǎn)由公式(1)所述動(dòng)態(tài)方式管理，具有公式(8)中有效泰森多邊形分割方法，則分布式控制法則中的協(xié)調(diào)方案為：

其中，ni是所有有效泰森多邊形單元vi^gs中外部的單元，αi是一個(gè)正值常量，用單調(diào)遞增的方法沿著節(jié)點(diǎn)的軌跡去對(duì)公式(10)進(jìn)行最大化，就會(huì)得到這組無人遙控設(shè)備網(wǎng)絡(luò)中區(qū)域的局部最優(yōu)配置。

附圖說明

圖1是本發(fā)明一種利用非精確遙控設(shè)備定位的分布式區(qū)域覆蓋劃分方法的系統(tǒng)流程圖。

圖2是本發(fā)明一種利用非精確遙控設(shè)備定位的分布式區(qū)域覆蓋劃分方法的泰森多邊形法則比較圖。

圖3是本發(fā)明一種利用非精確遙控設(shè)備定位的分布式區(qū)域覆蓋劃分方法的軌跡示意圖。

圖4是本發(fā)明一種利用非精確遙控設(shè)備定位的分布式區(qū)域覆蓋劃分方法的無人設(shè)備實(shí)驗(yàn)結(jié)果圖。

具體實(shí)施方式

需要說明的是，在不沖突的情況下，本申請(qǐng)中的實(shí)施例及實(shí)施例中的特征可以相互結(jié)合，下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)說明。

圖1是本發(fā)明一種利用非精確遙控設(shè)備定位的分布式區(qū)域覆蓋劃分方法的系統(tǒng)流程圖。主要包括數(shù)據(jù)輸入；感應(yīng)全局區(qū)域設(shè)定；空間分割；分布式控制法則應(yīng)用。

其中，感應(yīng)全局區(qū)域設(shè)定是在監(jiān)控狀態(tài)下設(shè)定一個(gè)閉合凸空間和一個(gè)由n個(gè)完全一致的尺寸可忽略的移動(dòng)遙控設(shè)備(也可稱作節(jié)點(diǎn))組成的測(cè)控網(wǎng)絡(luò)，其定義為：

其中ui是每個(gè)遙控設(shè)備的輸入控制信號(hào)。

此網(wǎng)絡(luò)中每個(gè)移動(dòng)遙控設(shè)備的位置的不確定性具有邊界則移動(dòng)遙控設(shè)備的中心位置位于一個(gè)圓盤點(diǎn)內(nèi)：

其中‖·‖是指歐幾里得度量，qi是由設(shè)備返回的位置信息；

同時(shí)，每個(gè)移動(dòng)遙控設(shè)備的感知區(qū)域小于等于所有設(shè)備所能感應(yīng)的共同區(qū)域，即：

接著，在范圍內(nèi)將一個(gè)移動(dòng)遙控設(shè)備能探測(cè)到的所有區(qū)域稱為“有效感應(yīng)區(qū)域”根據(jù)公式(2)(3)，在的情況下，

根據(jù)公式(4)，如果能精確地知道一個(gè)移動(dòng)遙控設(shè)備的位置，即那么這個(gè)設(shè)備的有效感應(yīng)區(qū)域等于它的所有探測(cè)區(qū)域；反之如果這個(gè)設(shè)備的未知位置可能性區(qū)域大于它的探測(cè)區(qū)域能力，則有效感應(yīng)區(qū)域面積為0。

空間分割，包括泰森多邊形圖法則，有效泰森多邊形法則，對(duì)于圓盤點(diǎn)的有效泰森多邊形法則。

泰森多邊形圖法則，在閉合凸空間ω內(nèi)所有的點(diǎn)q中，對(duì)于每個(gè)移動(dòng)遙控設(shè)備(節(jié)點(diǎn))i，其泰森多邊形單元定義為：

泰森多邊形單元為閉合凸空間ω的鑲嵌，即所有泰森多邊形單元無重疊無間隙地填充滿ω，同時(shí)泰森多邊形對(duì)德拉內(nèi)三角剖分具有二元性，假設(shè)點(diǎn)qi的德勞內(nèi)近鄰為：

ni＝{j∈in,j≠i:∨i∩∨j≠0},i∈in(6)

因?yàn)榉指钐┥噙呅螁卧獣r(shí)只需要考慮其德勞內(nèi)近鄰，則由公式(4)(5)可得，泰森多邊形單元的獲取可簡(jiǎn)化為：

因此對(duì)于點(diǎn)qi，其泰森多邊形單元的分割，用德勞內(nèi)三角剖分和該點(diǎn)與ni內(nèi)所有點(diǎn)的半平面交界處劃分獲得。

對(duì)于有效泰森多邊形圖法則，在閉合凸空間ω內(nèi)所有的不確定區(qū)域di，di中含有所有的位置點(diǎn)可能性qi，則有效泰森多邊形單元定義為：

其與經(jīng)典泰森多邊形圖法則不同點(diǎn)在于其分割不局限于半平面，而在于整個(gè)平面，因此有效泰森多邊形單元中含有的平面內(nèi)的點(diǎn)在所有不確定區(qū)域di中都更靠近對(duì)應(yīng)的移動(dòng)設(shè)備節(jié)點(diǎn)qi，相應(yīng)地，這些泰森多邊形單元不再是鑲嵌型。

對(duì)于圓盤點(diǎn)的有效泰森多邊形法則，當(dāng)在閉合凸空間ω內(nèi)的不確定區(qū)域di，其區(qū)域大小如公式(2)中定義的那樣位于圓盤內(nèi)，則這個(gè)圓盤的有效泰森多邊形單元由雙曲線分割；

對(duì)于任意兩個(gè)節(jié)點(diǎn)i和j，各自的有效泰森多邊形單元與該兩節(jié)點(diǎn)圓盤中心點(diǎn)距離di,j的關(guān)系如下：

1)當(dāng)兩個(gè)圓盤有重疊部分，該二者有效泰森多邊形單元為空；

2)當(dāng)兩個(gè)圓盤的距離等于兩個(gè)圓盤的半徑之和，該二者有效泰森多邊形單元為一根射線貫穿兩個(gè)圓盤中心點(diǎn)，拓展部分即為有效探測(cè)單元；

3)當(dāng)兩個(gè)圓盤完全分離，則該二者有效泰森多邊形單元一個(gè)雙曲線的兩個(gè)分支切割完成，若圓盤距離增加，該雙曲線的離心率隨之增加；

4)有效泰森多邊形單元還依賴于兩個(gè)圓盤半徑之和，當(dāng)其和減小，雙曲線的離心率隨之減小，當(dāng)減至0時(shí)，有效泰森多邊形單元就變成了經(jīng)典泰森多邊形單元。

分布式控制法則應(yīng)用包括區(qū)域覆蓋準(zhǔn)則和協(xié)調(diào)方案。

區(qū)域覆蓋準(zhǔn)則，對(duì)于有效泰森多邊形單元，區(qū)域覆蓋的標(biāo)準(zhǔn)定義為：

在公式(9)中，函數(shù)的使用需要先驗(yàn)知識(shí)，這個(gè)先驗(yàn)知識(shí)來自于在一個(gè)覆蓋場(chǎng)景中，對(duì)某點(diǎn)q上會(huì)發(fā)生一件事情其概率的重要性，這個(gè)重要性與該函數(shù)相關(guān)；

另外地，這個(gè)準(zhǔn)則(9)表示區(qū)域是對(duì)于節(jié)點(diǎn)來講能保證的最靠近且能覆蓋的區(qū)域。

對(duì)于一組由移動(dòng)節(jié)點(diǎn)組成的網(wǎng)絡(luò)，若其具有公式(2)中不確定的定位信息，具有公式(3)中的有效感應(yīng)區(qū)域，同時(shí)個(gè)體節(jié)點(diǎn)由公式(1)所述動(dòng)態(tài)方式管理，具有公式(8)中有效泰森多邊形分割方法，則分布式控制法則中的協(xié)調(diào)方案為：

其中，ni是所有有效泰森多邊形單元vi^gs中外部的單元，αi是一個(gè)正值常量，用單調(diào)遞增的方法沿著節(jié)點(diǎn)的軌跡去對(duì)公式(10)進(jìn)行最大化，就會(huì)得到這組無人遙控設(shè)備網(wǎng)絡(luò)中區(qū)域的局部最優(yōu)配置。

圖2是本發(fā)明一種利用非精確遙控設(shè)備定位的分布式區(qū)域覆蓋劃分方法的泰森多邊形法則比較圖。如圖所示，可以觀察到，左圖中為經(jīng)典泰森多邊形法則的分割方案，為鑲嵌型，即相互區(qū)域之間相連不留空隙，而右圖為有效泰森多邊形法則的分割方案，更加動(dòng)態(tài)與高效。

圖3是本發(fā)明一種利用非精確遙控設(shè)備定位的分布式區(qū)域覆蓋劃分方法的軌跡示意圖。如圖所示，三個(gè)節(jié)點(diǎn)(無人設(shè)備)正沿著兩個(gè)雙曲線的分支去劃分有效探測(cè)區(qū)域。

圖4是本發(fā)明一種利用非精確遙控設(shè)備定位的分布式區(qū)域覆蓋劃分方法的無人設(shè)備實(shí)驗(yàn)結(jié)果圖。如圖所示，左圖為真實(shí)無人設(shè)備的初始狀態(tài)，經(jīng)過上述算法的調(diào)整，最后形成如右圖所示的現(xiàn)狀，即分布式覆蓋的劃分現(xiàn)狀。

對(duì)于本領(lǐng)域技術(shù)人員，本發(fā)明不限制于上述實(shí)施例的細(xì)節(jié)，在不背離本發(fā)明的精神和范圍的情況下，能夠以其他具體形式實(shí)現(xiàn)本發(fā)明。此外，本領(lǐng)域的技術(shù)人員可以對(duì)本發(fā)明進(jìn)行各種改動(dòng)和變型而不脫離本發(fā)明的精神和范圍，這些改進(jìn)和變型也應(yīng)視為本發(fā)明的保護(hù)范圍。因此，所附權(quán)利要求意欲解釋為包括優(yōu)選實(shí)施例以及落入本發(fā)明范圍的所有變更和修改。