一种基于最优刚性图的潜器组网编队方法技术

本发明专利技术公开了一种基于最优刚性图的潜器组网编队方法，属于水下传感器组网编队技术领域，具体为在监测区域随机部署n个潜器，潜器之间可以相互通信；潜器通过广播自身位置获得邻域内潜器的位置，同时采用时间差计算距离；当邻域潜器间平均距离大于距离阈值d

【技术实现步骤摘要】
一种基于最优刚性图的潜器组网编队方法


[0001]本专利技术属于水下传感器组网编队
，尤其涉及一种基于最优刚性图的潜器组网编队方法。

技术介绍

[0002]水下传感器网络在军事与民用领域都发挥了巨大的作用。一方面，完成上述任务的本质都是依赖于传感器网络的通信稳健性与能量有效性；在通信过程中，水下传感器网络的通信链路越多通信越稳健，相对应地，通信能耗越大。另一方面，面对移动被监测目标问题，传统的传感器节点由于其机动性不足无法对移动目标进行检测。因此，如何构建一个能够保持通信稳健性且提高能量有效性的移动水下传感器网络是一个尚待解决的问题。
[0003]在现有技术中，公开号为CN106879042A，名称为一种水下无线传感器网络最短路径路由算法。该方法通过采集第i级节点和第i+1级节点的深度值、从第i级节点发出命令包到接收到第i+1级节点集合反馈命令包的往返时间、网络节点的剩余能量值和链路质量，计算并比较代表通信能耗的余弦值，进而筛选出由K个节点连接构成的水下无线传感器网络最短路径。该方案能够利用最短路径实现低通信能耗传输，但是没有考虑水下网络刚性结构的问题，这使得通信稳健性降低。
[0004]再有,公开号为CN112148023A,名称为一种自治水下机器人等平面水下编队方法，该系统包括了由多个潜器组成的机器人编队，该编队以领航
‑
跟随的方式、形成一种几何队形进行作业。该方法通过对自治水下机器人安装布置蓝绿激光发射器，标定定位点与定位扇面，实现多台自治水下机器人组成的编队的队形设置、队形保持与编队跟踪。该方案中水下机器人之间无需信息交互，解决了水下弱通信或无通信的问题。由于激光在水下传播时都会受到强烈的吸收衰减作用，因此上述编队方法仅仅适用于水面艇的编队控制，而不能直接用于潜器组网。

技术实现思路

[0005]为解决上述问题，本专利技术提出一种基于最优刚性图的潜器组网编队方法，可保证通信稳健性，同时提升能量有效性，弥补了传统传感器网络机动性的不足，进而可以对移动目标实现全方位的跟踪监测。
[0006]为实现上述目的，本专利技术提供了以下技术方案：
[0007]一种基于最优刚性图的潜器组网编队方法，包括以下步骤：
[0008]步骤S1：在监测区域，随机部署n个带有通信装置和摄像头的潜器。潜器具有与邻域内其他潜器相互通信的功能，同时可以测量自身位置与视距范围内任意一点位置的方位；
[0009]步骤S2：潜器通过水声通信广播自身位置以获得自身邻域内潜器的位置，并利用从发送信号到接收返回信号的时间差计算与邻居潜器的距离；
[0010]步骤S3：当潜器间平均距离大于距离阈值d
threshold
，潜器通过水声通信寻找自身邻
居节点，建立各自的邻居列表，生成距离刚度矩阵R
i
，然后采用距离刚性图生成方法对传感器网络生成局部拓扑G
i
，i∈{1,...,n}，其中n是潜器的个数，最后将局部刚性图上传控制中心；
[0011]步骤S4：当潜器间平均距离小于距离阈值d
threshold
，潜器通过水声通信寻找自身邻居节点，建立各自的邻居列表，生成方位刚度矩阵R
i
，然后采用方位刚性图生成方法对传感器网络生成局部拓扑G
i
，i∈{1,...,n}，其中n是潜器的个数，最后将局部刚性图上传控制中心；
[0012]步骤S5：控制中心收集局部刚性图G1,...,G
n
，利用这些图中被重复使用的边，组成新的全局刚性图，即最优刚性图；
[0013]步骤S6：收集组网邻居潜器的状态信息与自身状态信息，根据通信拓扑，设计宽度学习网络输入E
i
和宽度学习编队控制算法，驱动潜器运动；
[0014]步骤S7：判断潜器是否同时满足最优刚性图和跟踪监测移动目标的条件；如果满足，潜器保持当前跟踪速度，控制结束，反之，返回步骤2。
[0015]本专利技术技术方案的进一步改进在于：潜器间距离测量包括：在时间戳t
A,i
时刻，潜器i发送声波信号，然后等到来自邻居潜器j∈N
i
返回位置及节点连通信息，记录时间戳为其中N
i
表示为潜器i的邻居潜器集合。潜器i与潜器j之间的距离差可表示为其中c＝1500m/s是在水下声波信号的传播速度。
[0016]本专利技术技术方案的进一步改进在于：所述距离刚性图生成方法，包括：定义ε
i
是潜器i与邻居潜器组成的边集，其位置为p
i
＝[x(t),y(t),z(t)]T
；其中x、y、z分别表示潜器在X轴、Y轴和Z轴的位置坐标。
[0017]当邻域内潜器间平均距离大于d
threshold
时，潜器i根据各自邻居列表，建立方位刚度矩阵R
i
；这里刚度矩阵的行对应拓扑中通信链路，例如(i,j)∈ε
i
可表示为
[0018]其中，i∈{1,
…
,n
i
}，n
i
是潜器i的邻居节点个数；初始化刚度矩阵R
Δ
为R的第一行，然后按照潜器间距离升序，将对应的通信边加入矩阵直到至此为止，就构造了一个关于潜器i的局部距离刚性图G
i
；随后潜器i将G
i
上传给控制中心。
[0019]本专利技术技术方案的进一步改进在于：所述方位刚性图生成方法，包括：当邻域内潜器间平均距离小于d
threshold
时，在潜器i根据各自地邻居列表，建立方位刚度矩阵R
i
；这里刚度矩阵的行对应拓扑中通信链路，例如(i,j)∈ε
i
可表示为[0
ꢀ…ꢀ0ꢀ‑
P(u
ij
)/||p
i
‑
p
j
||
…
P(u
ij
)...p
i
‑
p
j
||0
ꢀ…ꢀ
0]；
[0020]其中是正交投影算子矩阵；u
ij
是潜器i与j间测量方位；初始化刚度矩阵为R
i
的前3行，将对应的通信链路加入使得至此为止，就构造了一个关于潜器i的局部距离刚性图G
i
；潜器i将G
i
上传给控制中心。
[0021]本专利技术技术方案的进一步改进在于：所述构造设计宽度学习网络输入，其中包括：收集组网邻居潜器的状态信息与自身状态信息，设计宽度学习网络输入，
是来自步骤5的固定最优刚性图通信拓扑，最终激活函数被定义为S＝[Z
f
|H
e
]；
[0022]其中具体地，H
t
＝φ(Z
f
W
t
+ρ
t...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于最优刚性图的潜器组网编队方法，其特征在于包括以下步骤：步骤S1：在监测区域，随机部署n个带有通信装置和摄像头的潜器(1)；步骤S2：潜器(1)通过水声通信广播自身位置以获得自身邻域内潜器的位置，并利用从发送信号到接收返回信号的时间差计算与邻居潜器的距离；步骤S3：当潜器(1)间平均距离大于距离阈值d
threshold
，潜器通过水声通信寻找自身邻居节点，建立各自的邻居列表，生成距离刚度矩阵R
i
，然后采用距离刚性图生成方法对传感器网络生成局部拓扑G
i
，i∈{1,...,n}，其中n是潜器的个数，最后将局部刚性图上传控制中心；步骤S4：当潜器间平均距离小于距离阈值d
threshold
，潜器通过水声通信寻找自身邻居节点，建立各自的邻居列表，生成方位刚度矩阵R
i
，然后采用方位刚性图生成方法对传感器网络生成局部拓扑G
i
，i∈{1,...,n}，其中n是潜器的个数，最后将局部刚性图上传控制中心；步骤S5：控制中心收集局部刚性图G1,...,G
n
，利用这些图中被重复使用的边，组成新的全局刚性图，即最优刚性图；步骤S6：收集组网邻居潜器的状态信息与自身状态信息，根据通信拓扑，设计宽度学习网络输入E
i
和宽度学习编队控制算法，驱动潜器运动；步骤S7：判断潜器是否同时满足最优刚性图和跟踪监测移动目标的条件；如果满足，潜器保持当前跟踪速度，控制结束，反之，返回步骤S2。2.根据权利要求1所述的一种基于最优刚性图的潜器组网编队方法，其特征在于：步骤S1中潜器(1)具有与邻域内其他潜器相互通信的功能，同时可以测量自身位置与视距范围内任意一点位置的方位。3.根据权利要求1所述的一种基于最优刚性图的潜器组网编队方法，其特征在于：步骤S2中潜器间距离测量包括：在时间戳t
A,i
时刻，潜器i发送声波信号，然后等到来自邻居潜器j∈N
i
返回位置及节点连通信息，记录时间戳为其中N
i
表示为潜器i的邻居潜器集合，潜器i与潜器j之间的距离差可表示为其中c＝1500m/s是在水下声波信号的传播速度。4.根据权利要求1所述的一种基于最优刚性图的潜器组网编队方法，其特征在于：定义ε
i
是潜器i与邻居潜器组成的边集，其位置为p
i
＝[x(t),y(t),z(t)]
T
；其中x、y、z分别表示潜器在X轴、Y轴和Z轴的位置坐标，步骤2的作用是收集潜器间距离信息，并判断潜器间平均距离与距离阈值的大小关系。5.根据权利要求4所述的一种基于最优刚性图的潜器组网编队方法，其特征在于：当潜器间平均距离大于距离阈值，步骤S3具体步骤为将潜器的位置定义为p
i
＝[x
i
,y
i
,z
i
]
T
，潜器i构建距离刚性矩阵可表示为：其中，i∈{1,
…
,n
i
}；n
i
是潜器i的邻居节点个数；p
i
是潜器i的位置；初始化刚度矩阵
为R
i
的第一行，然后按照潜器间距离升序，依次将对应的通信链路加入如果的秩大于之前的秩值就保留该行，并记录对应的通信链路，否则去掉新增加的链路，并进行下一次迭代；重复上述过程，直到就构造了一个关于潜器i的局部距离刚性图；依次类推，就可以得到n个局部方位刚性图，分别记作G1,...,G
n
。6.根据权利要求4所述的一种基于最优刚性图的潜器组网编队方法，其特征在于：当潜器间平均距离小于距离阈值d
threshold
，步骤S4的具体步骤为其中潜器i构建方位刚...

【专利技术属性】
技术研发人员：闫敬，曹文强，杨睍，张良，易鸣，罗小元，
申请(专利权)人：燕山大学，
类型：发明
国别省市：