一种基于单移动机器人的分布式无线传感网络节点定位方法技术

本发明专利技术公开了一种基于单移动机器人的分布式无线传感网络节点定位方法，其利用单个配备GPS的移动机器人辅助无线传感器网络进行定位，移动机器人在无线传感器网络内最少只需要进行三次广播即可；每个未知节点不需要能直接测量到机器人，只需要和邻居节点进行通信就可以进行定位，网络拓扑连接更加灵活。同时本发明专利技术方法不需要全局信息，每个未知节点仅仅需要和邻居节点通信即可，算法具有指数收敛性质，收敛速度快，而且是全局收敛，不会陷入局部最优值。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于无线传感网络
，具体涉及一种基于单移动机器人的分布式无线传感网络节点定位方法。
技术介绍
在无线传感器网络应用中，传感器节点的位置信息在军事监控，目标跟踪，地理探索等应用中起到至关重要的作用。在大规模无线传感器网络中，无线传感器节点受到节点体积，制造成本和电能消耗等限制，一般都不安装全局定位装置如GPS。为了定位传感器节点，派遣一个装备GPS的移动机器人到无线传感器网络所在区域，并基于节点间通信和节点与移动机器人间的通信设计算法使传感器节点可以估计出自己的位置。由于节点的数量巨大以及单个节点计算能力的不足，让一个节点充当计算中心并获得其他所有节点的测量信息的方法费时费力。因此，采用分布式定位算法，传感器节点只需与邻近节点进行通信，就可以通过设计的算法估计出自己的位置，从而充分使用每个节点的计算能力。距离信息是无线传感网络中最常用的测量信息之一，研究使用距离信息的分布式定位算法，在无线传感器网络定位领域中具有重要的现实意义。公开号为CN104159295A的中国专利申请提出了一种利用距离测量进行定位的方法，但是需要每个待定位节点都能找到至少三个锚节点作为邻居节点，但是当无线传感器网络中存在很少的锚节点时，此方法便不起作用，而且大量的锚节点需要很多GPS，需要更多的造价。此外，现有使用重心坐标进行分布式定位的算法，在有误差存在的时候无法有效判断重心坐标符号位。然而距离测量误差是实用中必须要考虑的问题，所以现有方法具有很大局限性。
技术实现思路
针对现有技术所存在的上述技术问题，本专利技术提供了一种基于单移动机器人的分布式无线传感网络节点定位方法，其针对没有配备GPS的无线传感器网络节点，派遣带有GPS的移动机器人到传感器网络区域，每个未知节点不需要能直接测量到机器人，只需要和邻居节点进行通信就可以进行定位。一种基于单移动机器人的分布式无线传感网络节点定位方法，包括如下步骤：(1)派遣一安装有GPS的移动机器人行至网络区域中任一位置并广播自身的GPS信息，进而随意行至另一位置再次进行广播；依此执行该操作若干次，使移动机器人每次广播GPS信息的位置即作为一个虚拟节点且虚拟节点已知其自身的位置信息；(2)对于网络中的任一传感器节点l，确定其邻居节点集合Nl并通过信号收发装置RSSI(接收信号强度指示)测量每个邻居节点至传感器节点l的距离；(3)对于邻居节点集合Nl中的任一节点i，根据其至传感器节点l的距离计算节点i相对传感器节点l的距离权重，同时使非邻居节点相对传感器节点l的距离权重均设为0；(4)根据步骤(2)～(3)遍历网络中所有传感器节点，进而根据得到的所有距离权重计算出网络的迭代步长ε；(5)对于传感器节点l，通过接收其邻居节点所提供的相关信息并根据迭代步长ε，基于以下迭代方程组求解出传感器节点l自身的位置坐标值：pl(t+1)=pl(t)-ϵζl(t)+ϵΣi∈NlAilζi(t)ζl(t+1)=pl(t)-Σi∈NlAlipi(t)]]>其中：pl(t)和pl(t+1)分别为第t次迭代和第t+1次迭代传感器节点l的位置坐标值，ζl(t)和ζl(t+1)分别为第t次迭代和第t+1次迭代传感器节点l的辅助变量，Ail为传感器节点l相对节点i的距离权重，若节点i为虚拟节点则Ail＝0；Ali为节点i相对传感器节点l的距离权重，pi(t)和ζi(t)分别为第t次迭代节点i的位置坐标值和辅助变量，t为迭代次数；若节点i为虚拟节点，则其各次迭代
下的辅助变量均为0，其各次迭代下的位置坐标值均为移动机器人在该虚拟节点处通过GPS测量得到的真实位置坐标数据。所述的步骤(1)中移动机器人在网络区域中广播GPS信息的操作过程所得到的虚拟节点个数至少需要三个。所述的步骤(2)中确定邻居节点集合Nl的方法为：使网络中包括传感器节点以及虚拟节点的所有节点进行广播，若传感器节点l收到节点i的广播数据包，则确定传感器节点l与节点i互为邻居节点；将传感器节点l的所有邻居节点组成邻居节点集合Nl。所述的步骤(3)中计算节点i相对传感器节点l的距离权重，具体过程如下：3.1从邻居节点集合Nl中找出所有关于节点i的三点邻居组合，所述的三点邻居组合包含节点i以及另外两个属于邻居节点集合Nl中的节点且这三个节点互为邻居节点；3.2对于任一三点邻居组合，该组合包含节点i、j和k；通过求解以下优化目标得到节点i、j和k所对应的坐标向量qi、qj和qk；minqi,qj,qkΣdab=dli,dlj,dlk,dij,djk,dki(||qa-qb||2-(dab)2)2]]>s.t.ql＝[0,0]T qiy＝0 qjy＞0其中：ql为传感器节点l的坐标向量，qi＝[qix,qiy]T，qj＝[qjx,qjy]T，qk＝[qkx,qky]T，T表示转置；qix和qiy分别为坐标向量qi的x轴分量和y轴分量，qjx和qjy分别为坐标向量qj的x轴分量和y轴分量，qkx和qky分别为坐标向量qk的x轴分量和y轴分量，dli、dlj和dlk分别为节点i、j和k至传感器节点l的距离，dij为节点j至节点i的距离，djk为节点k至节点j的距离，dki为节点i至节点k的距离；若dab＝dli，则qa＝ql，qb＝qi，依此类推；3.3根据坐标向量ql、qi、qj和qk通过以下公式计算出节点i相对传感器节点l的局部距离权重ali、节点j相对传感器节点l的局部距离权重alj以及节点k相对传感器节点l的局部距离权重alk：ali=SljkSijk,alj=SlkiSijk,alk=SlijSijk]]>Sljk=12qlqjqk111,Slki=12qlqkqi111]]>Slij=12qlqiqj111,Sijk=12qiqjqk111]]>其中：Sljk、Slki、Slij和Sijk均为中间变量；3.4根据步骤3.2～3.3遍历所有三点邻居组合，得到N个关于节点i相对传感器节点l的局部距离权重ali，进而根据以下公式计算出节点i相对传感器节点l的距离权重Ali：Ali=1NΣn=1Nalin]]>其中：N为所有关于节点i三点邻居组合的种数，为在第n种三点邻居组合中节点i相对传感器节点l的局部距离权重。所述的步骤(4)中通过以下公式计算网络的迭代步长ε：ϵ=12||H||1||H||∞]]>其中：||||1表示L1范数，||||∞表示无穷范数，H为距离权重矩阵。所述距离权重矩阵H的表达式如下：其中：Apk为网络中第k传感器节点相对第p传感器节点的距离权重，第k传感器节点相对其自身的距离权重Akk＝0，p和k均为自然数且1≤p≤M，1≤k≤M，M为网络中所有传感器节点的个数。所述的步骤(5)中作为传感器节点l邻居节点的节点i，其向传感器节点l提供的相关信息包括距离权重Ail、位置坐标值pi(t)和辅助变量ζi(t)。所述的步骤(5)中当迭代收敛或达到最大迭代次数时的pl(t)即输出作为传感器节点l自身的位置坐标值。与现有技术相比，本专利技术利用单个配备GPS的移动机器人辅助无线传本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于单移动机器人的分布式无线传感网络节点定位方法，包括如下步骤：(1)派遣一安装有GPS的移动机器人行至网络区域中任一位置并广播自身的GPS信息，进而随意行至另一位置再次进行广播；依此执行该操作若干次，使移动机器人每次广播GPS信息的位置即作为一个虚拟节点且虚拟节点已知其自身的位置信息；(2)对于网络中的任一传感器节点l，确定其邻居节点集合Nl并通过信号收发装置RSSI测量每个邻居节点至传感器节点l的距离；(3)对于邻居节点集合Nl中的任一节点i，根据其至传感器节点l的距离计算节点i相对传感器节点l的距离权重，同时使非邻居节点相对传感器节点l的距离权重均设为0；(4)根据步骤(2)～(3)遍历网络中所有传感器节点，进而根据得到的所有距离权重计算出网络的迭代步长ε；(5)对于传感器节点l，通过接收其邻居节点所提供的相关信息并根据迭代步长ε，基于以下迭代方程组求解出传感器节点l自身的位置坐标值：pl(t+1)=pl(t)-ϵζl(t)+ϵΣi∈NlAilζi(t)ζl(t+1)=pl(t)-Σi∈NlAlipi(t)]]>其中：pl(t)和pl(t+1)分别为第t次迭代和第t+1次迭代传感器节点l的位置坐标值，ζl(t)和ζl(t+1)分别为第t次迭代和第t+1次迭代传感器节点l的辅助变量，Ail为传感器节点l相对节点i的距离权重，若节点i为虚拟节点则Ail＝0；Ali为节点i相对传感器节点l的距离权重，pi(t)和ζi(t)分别为第t次迭代节点i的位置坐标值和辅助变量，t为迭代次数；若节点i为虚拟节点，则其各次迭代下的辅助变量均为0，其各次迭代下的位置坐标值均为移动机器人在该虚拟节点处通过GPS测量得到的真实位置坐标数据。...

【技术特征摘要】
1.一种基于单移动机器人的分布式无线传感网络节点定位方法，包括如下步骤：(1)派遣一安装有GPS的移动机器人行至网络区域中任一位置并广播自身的GPS信息，进而随意行至另一位置再次进行广播；依此执行该操作若干次，使移动机器人每次广播GPS信息的位置即作为一个虚拟节点且虚拟节点已知其自身的位置信息；(2)对于网络中的任一传感器节点l，确定其邻居节点集合Nl并通过信号收发装置RSSI测量每个邻居节点至传感器节点l的距离；(3)对于邻居节点集合Nl中的任一节点i，根据其至传感器节点l的距离计算节点i相对传感器节点l的距离权重，同时使非邻居节点相对传感器节点l的距离权重均设为0；(4)根据步骤(2)～(3)遍历网络中所有传感器节点，进而根据得到的所有距离权重计算出网络的迭代步长ε；(5)对于传感器节点l，通过接收其邻居节点所提供的相关信息并根据迭代步长ε，基于以下迭代方程组求解出传感器节点l自身的位置坐标值：pl(t+1)=pl(t)-ϵζl(t)+ϵΣi∈NlAilζi(t)ζl(t+1)=pl(t)-Σi∈NlAlipi(t)]]>其中：pl(t)和pl(t+1)分别为第t次迭代和第t+1次迭代传感器节点l的位置坐标值，ζl(t)和ζl(t+1)分别为第t次迭代和第t+1次迭代传感器节点l的辅助变量，Ail为传感器节点l相对节点i的距离权重，若节点i为虚拟节点则Ail＝0；Ali为节点i相对传感器节点l的距离权重，pi(t)和ζi(t)分别为第t次迭代节点i的位置坐标值和辅助变量，t为迭代次数；若节点i为虚拟节点，则其各次迭代下的辅助变量均为0，其各次迭代下的位置坐标值均为移动机器人在该虚拟节点处通过GPS测量得到的真实位置坐标数据。2.根据权利要求1所述的分布式无线传感网络节点定位方法，其特征在于：
\t所述的步骤(1)中移动机器人在网络区域中广播GPS信息的操作过程所得到的虚拟节点个数至少需要三个。3.根据权利要求1所述的分布式无线传感网络节点定位方法，其特征在于：所述的步骤(2)中确定邻居节点集合Nl的方法为：使网络中包括传感器节点以及虚拟节点的所有节点进行广播，若传感器节点l收到节点i的广播数据包，则确定传感器节点l与节点i互为邻居节点；将传感器节点l的所有邻居节点组成邻居节点集合Nl。4.根据权利要求1所述的分布式无线传感网络节点定位方法，其特征在于：所述的步骤(3)中计算节点i相对传感器节点l的距离权重，具体过程如下：3.1从邻居节点集合Nl中找出所有关于节点i的三点邻居组合，所述的三点邻居组合包含节点i以及另外两个属于邻居节点集合Nl中的节点且这三个节点互为邻居节点；3.2对于任一三点邻居组合，该组合包含节点i、j和k；通过求解以下优化目标得到节点i、j和k所对应的坐...

【专利技术属性】
技术研发人员：林志赟，韩廷睿，程鹏，
申请(专利权)人：浙江大学，
类型：发明
国别省市：浙江;33