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无线传感器网络中移动目标鲁棒跟踪方法研究
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基于无线传感器网络的目标跟踪算法研究
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无线传感器网络是由大量具有感知、数据收集、数据处理和无线通信
能力的小体积、低成本的传感器节点构成的无线自组织网络，能够对大范
围区域进行有效监测，并对监测数据进行处理，将其传送至用户终端。目
标跟踪是无线传感器网络最基本的应用之一，如何在节约能量的同时保证
一定的跟踪精度一直是研究的重点。
目标跟踪中的能量消耗主要取决于传感器节点的发射功率、网络中数
据传输量、节点监测时间，以及一定时间内参与跟踪的节点数目。本论文
提出了基于不可靠节点序列和面感知路由的目标跟踪算法 Target
BasedonUnreliableNode
andFace―Aware
Routing，简
称NSFAR 。该算法采用的基于不可靠节点序列的定位模式能有效减少网
络中数据传输量。为了解决基于不可靠节点序列的定位算法在节点数目过
多时算法复杂度过高的问题，NSFAR算法引入了面感知路由技术，在将
网络平面化的基础上，对平面网络图中的每一个面分别采用节点序列定位
模式，能有效控制定位算法的节点数目，从而把定位算法的复杂度控制在
一定范围内。同时，NSFAR算法使用预测机制，能有效减少参与跟踪的
节点数目，节约能量。
考虑到网络中存在移动用户的情况，在NSFAR算法的基础上，本论
文提出了基于移动查询的目标跟踪算法。网络中的移动用户通过传感器网
络查询并追捕目标，为了便于移动用户的查询和追捕，传感器网络将目标
信息存储在追踪节点链中，移动用户就可以通过追踪节点链来查询和追捕
目标。当移动用户速度小于目标时，为了能让用户及时捕获目
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双层协作的无线传感器网络目标跟踪方法通​过​在​无​线​传​感​器​网​络​中​引​入​双​层​监​测​机​制​,​提​出​一​种​基​于​象​限​定​位​的​目​标​跟​踪​方​法​。​该​方​法​依​据​位​置​关​系​选​取​相​关​性​高​的​内​外​层​节​点​,​利​用​外​层​节​点​的​快​速​侦​测​和​内​层​节​点​的​准​确​定​位​对​移​动​目​标​进​行​定​位​跟​踪​,​同​时​向​汇​聚​节​点​快​速​上​传​移​动​目​标​轨​迹​。​理​论​分​析​和​实​验​结​果​表​明​,​该​方​法​可​以​降​低​无​线​传​感​器​网​络​功​耗​,​提​高​目​标​定​位​精​度​。
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无线传感器网络中移动目标鲁棒跟踪方法研究
作&&&&者：
来&&&&源： 国防科学技术大学
摘&&&&要： 移动目标跟踪是无线传感器网络应用领域一项重要技术，它通过多个传感器节点对目标信号的分别感知和相互协作得到关于移动目标的位置和轨迹信息。由于跟踪环境的不确定性，鲁棒性是跟踪系统生存的关键。本文在原有跟踪方法的基础上，针对如何提高算法的鲁棒性进行深入研究，旨在提出鲁棒性更强、跟踪性能更优的跟踪策略，追求鲁棒性和最优性之间的最佳平衡。
根据跟踪算法的特点，将现有跟踪方法划分为基于实时定位的跟踪方法和基于滤波的跟踪方法。前者利用目标当前观测信息进行定位和跟踪，适合实时性要求高的跟踪任务；后者则结合历史信息与当前观测信息进行跟踪，适合精度要求高的跟踪任务。在对两类跟踪方法进行深入研究的基础上，结合跟踪系统对鲁棒性的要求，本文在原有跟踪方法的基础进行改进，提出了三种鲁棒性能良好的跟踪方法：鲁棒栅格定位方法、自适应栅格划分定位方法和鲁棒粒子滤波方法。
（1）鲁棒栅格定位方法，基于栅格部署的无线传感器网络，针对单层栅格定位容错性差的缺陷进行了改进，在原有基本定位层的基础上增加了扩展定位层，提出了使用两层栅格结合进行高容错目标定位的方法。该方法不仅具有较高实时性，而且大大降低了由感知不确定性造成的定位误差。
（2）自适应栅格划分定位方法，在节点序列匹配定位算法基础之上，针对传统质心算法计算量大、复杂度高的缺陷，利用栅格划分和栅格粒度自适应调整的思想，提出了一种基于粒度可变栅格计算估测区域质心的目标定位方法。该方法不仅计算复杂度低，而且适用于估测区域不规则的情况，鲁棒性更强。
（3）鲁棒粒子滤波方法，针对经典粒子滤波器中存在的粒子退化问题提出了鲁棒性改进措施：一方面通过目标定位信息辅助提议分布的确立，指导粒子的选取；另一方面提出使用粒子退化指数衡量滤波退化情况，适时调整采样粒子数。在改进后的方法中，滤波退化现象得到了明显改善，跟踪效果得到了进一步提升。
最后，基于传感器节点、网关节点和计算中心等硬件设备，设计并实现了基于WSN的目标鲁棒跟踪原型系统，在不同场景下对本文提出的三种鲁棒跟踪方法进行了试验验证，并总结了各跟踪方法的特点和适用场合，为鲁棒跟踪方法在无线传感器网络中的实践应用奠定了基础。
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摘要10-11? ABSTRACT11-13? 第一章 绪论13-27?
1.1 无线传感器网络概述13-15?
1.1.1 无线传感器网络结构13-14?
1.1.2 无线传感器网络特点14-15?
1.1.3 无线传感器网络应用15?
1.2 无线传感器网络目标跟踪方法研究15-23?
1.2.1 跟踪方法分类16-17?
1.2.2 基于实时定位的跟踪方法17-21?
1.2.3 基于滤波的跟踪方法21-22?
1.2.4 跟踪方法的鲁棒性要求22-23?
1.3 本文研究内容23-24?
1.4 论文结构24-27? 第二章 鲁棒栅格定位方法27-38?
2.1 跟踪场景及任务描述27-28?
2.2 栅格定位原理及缺陷28-29?
2.3 鲁棒栅格定位29-31?
2.3.1 双层栅格划分29-30?
2.3.2 定位层选择30-31?
2.4 算法设计与分析31-33?
2.4.1 算法设计31-32?
2.4.2 算法分析32-33?
2.5 仿真实验分析33-37?
2.5.1 仿真模型及参数34-35?
2.5.2 实验结果与分析35-37?
2.6 本章小节37-38? 第三章 自适应栅格划分定位方法38-50?
3.1 跟踪场景及任务描述38-39?
3.2 基于节点序列匹配的定位原理及缺陷39-42?
3.2.1 节点序列匹配定位原理39-41?
3.2.2 节点序列匹配定位的缺陷41-42?
3.3 自适应栅格划分定位42-44?
3.3.1 栅格划分42-43?
3.3.2 栅格粒度自适应43-44?
3.4 算法设计与分析44-46?
3.4.1 算法设计44-45?
3.4.2 算法分析45-46?
3.5 仿真实验分析46-49?
3.5.1 仿真模型及参数46-47?
3.5.2 实验结果与分析47-49?
3.6 本章小节49-50? 第四章 鲁棒粒子滤波跟踪方法50-63?
4.1 跟踪场景及任务描述50-51?
4.2 粒子滤波理论51-56?
4.2.1 贝叶斯滤波原理51-53?
4.2.2 粒子滤波器53-56?
4.2.3 粒子滤波的缺陷及重采样思想56?
4.3 鲁棒粒子滤波跟踪方法56-59?
4.3.1 鲁棒性改进56-58?
4.3.2 鲁棒粒子滤波跟踪过程58-59?
4.4 仿真实验分析59-62?
4.4.1 仿真模型及参数59-60?
4.4.2 实验结果与分析60-62?
4.5 本章小节62-63? 第五章 基于 WSN 的目标鲁棒跟踪系统设计与实现63-73?
5.1 系统设计63-64?
5.2 系统实施64-68?
5.2.1 硬件平台构建64-66?
5.2.2 软件模块构架66-67?
5.2.3 节点部署方案67-68?
5.3 试验与结果分析68-71?
5.3.1 试验场景设置68-69?
5.3.2 算法参数设置69-70?
5.3.3 试验结果及分析70-71?
5.3.4 试验总结71?
5.4 本章小节71-73? 结束语73-75?
6.1 本文总结73?
6.2 今后工作73-75? 致谢75-77? 参考文献77-81? 作者在学期间取得的学术成果81-82
中国学术期刊网络出版总库[1] 徐磊;方红雨;李晓辉;;;安徽教育学院学报;2007年06期[2] 何文德;杨凤年;刘光灿;;;安防科技;2007年07期[3] 刘海波;邹涛;翁哲;;;安防科技;2009年09期[4] 张开风;胡艳军;许耀华;姜新红;仇乐乐;王福俊;高韦;丁胜建;;;安徽大学学报(自然科学版);2011年04期[5] 林丽萍;;;安徽职业技术学院学报;2010年04期[6] 余华;孙艳红;车银超;郭玉峰;;;安徽农业科学;2010年04期[7] 余华;吕宁波;;;安徽农业科学;2010年32期[8] 冯立波;黄婷;罗桂兰;;;安徽农业科学;2010年36期[9] 范书平;高巍;马宝英;;;安徽农业科学;2011年02期[10] 杨治秋;柴宝杰;;;安徽农业科学;2011年35期
中国博士学位论文全文数据库[1] 王玉全;;哈尔滨工程大学;2010年[2] 孟凡彬;;哈尔滨工程大学;2010年[3] 王小旭;;哈尔滨工程大学;2010年[4] 王蕊;;哈尔滨工程大学;2009年[5] 朱丽娜;;哈尔滨工程大学;2010年[6] 杨萌;;哈尔滨工程大学;2010年[7] 孙玉婷;;中国海洋大学;2009年[8] 罗汉江;;中国海洋大学;2010年[9] 郭瑛;;中国海洋大学;2010年[10] 周鹏;;中国海洋大学;2010年
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中国重要会议论文全文数据库[1] 张维勇;张芬;马学森;;;第二十六届中国控制会议论文集[C];2007年[2] 石为人;张阳;邓鹏程;;;第二十六届中国控制会议论文集[C];2007年[3] 刘增力;李雯霏;龙华;朵琳;;;第二十七届中国控制会议论文集[C];2008年[4] ;;第二十九届中国控制会议论文集[C];2010年[5] 张应博;秦钟;王法胜;;;第二十九届中国控制会议论文集[C];2010年[6] ;;第二十九届中国控制会议论文集[C];2010年[7] 罗旭;柴利;杨君;;;第二十九届中国控制会议论文集[C];2010年[8] ;;中国自动化学会控制理论专业委员会A卷[C];2011年[9] 周开军;余伶俐;;;中国自动化学会控制理论专业委员会A卷[C];2011年[10] 任玲;唐昊;周雷;魏振春;;;中国自动化学会控制理论专业委员会B卷[C];2011年
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