专利名称：一种基于二值传感器自组网的目标跟踪方法
技术领域：
本发明属于传感器网络目标跟踪领域，涉及一种在自组织的无线传感器网络系统 中实现运动目标跟踪的方法，尤其涉及在布置的传感器网络具有二值探测特性的条件下， 譬如采用地震动微型加速度传感器，来计算求解运动目标位置坐标的方法。
背景技术：
现代信息技术的三大基础是传感器技术、通信技术和计算机技术，它们分别完成 信息的采集、传输和处理，构成信息系统的“感官”、“神经”和“大脑”，这三种技术的结合促 进了信息化的进程。无线传感器网络技术正是这种结合的典型体现，属于多学科交叉的军 民两用战略高技术。自组织无线传感器网络是近年来国内外研究和发展非常热门的领域，目前在多个 行业和领域得到高度的重视和应用。目标跟踪是传感器网络具有吸引力和代表性的应用之 一，在军事和民用领域有着广阔的应用前景。跟踪系统的优化设计旨在充分利用传感器网 络有限的资源，优化系统的实用性能。传感器网络具有微型化终端探测的功能以及自组网的特点，因而在目标跟踪应用 中的优势越来越明显，主要包括以下几点(1)跟踪精细密集部署的微型化传感器节点可以对移动目标进行精确的探测、 位置跟踪和控制，可以详细显示出移动目标的运动情况。(2)跟踪可靠由于无线传感器网络的自组织性，当节点失效或新的节点加入时， 能在恶劣的环境中自动配置，使得传感器网络在跟踪目标时具有较高的可靠性、容错性和 鲁棒性。(3)跟踪及时多种传感器的协作式监控使得移动目标的发现更及时，容易实现 分布式的数据处理和多种异构传感器节点之间协同工作，使得目标跟踪的过程更加全面。(4)跟踪隐蔽由于传感器节点体积小，无线传输功率低，不易被敌对方发现，因 而可以对目标实现更隐蔽的跟踪，同时也方便部署使用，适用于战场环境和军事作战的目 的。(5)低成本微型传感器成本低，可以降低整个跟踪过程的成本和代价。(6)低功耗无线传感器网络的设计以低功耗为主要目标，在野外工作等没有固 定电源或更换电池不便的情况下，使得跟踪应用更加便捷。基于传感器网络的机动目标跟踪定位过程，实质上是一种受目标移动轨迹约束的 优化计算过程，无论是在军事领域还是民用领域，都具有广泛的应用范围。自组织传感器网络在应用于目标跟踪系统时，一方面具有许多优势，另一方面也 带来了一些挑战性的技术问题。例如，无线传感器网络通常没有中心控制机制，没有中枢网 络可供调度和指挥，也就是说适宜采用分布式的跟踪算法。另外，传感器网络节点的功耗要 求低，不适宜采用高复杂度的计算方法。在当前的传感器网络中，一种令人感兴趣的类型就是具有二值探测特性的传感器网络。这种传感器网络在目标跟踪方面具有较好的应用优势，受到了学术界和工程部门的青睐。二值(Binary)传感器网络是指传感器网络终端节点能将目标探测信息的读数，转化为发现目标与否的离散值(0或1)。例如，微震动加速度传感器、声响传感器、磁性传感 器等都具有这种二值探测特性。具有二值探测特性的单个传感器对于目标状态拥有有限的 信息，需要借助网络化技术实现协作式的目标跟踪。在现有技术中，主要有如下几种基于二值传感器自组网的目标跟踪方法(1)在文献"T. Jing, S. Hichem, and R. Cedric. Binary variational filtering for targettracking in sensor networks. Proceedings of 14th IEEE/SP Workshop on Statistical SignalProcessing, Madison, USA, August 2007, pp. 685-689(巾 t if t : T.敬，S.海奇蒙，R.塞德里克.传感器网络目标跟踪的二值变分过滤，第14届IEEE/SP统 计信号处理研讨会论文集，美国麦迪逊，2007年8月，页码685-689) ”和文献“P. M. Djuric, M. Vemula, and Μ. F. Bugallo. Signal processing by particle filtering for binary sensor networks. Proceedings of the Ilth DigitalSignal Processing Workshop, New Mexico, USA, August 2004，pp. 263-267 (中文译文:Ρ· Μ.迪鸠尔瑞克，Μ. F.布嘎鲁·粒子 过滤用于二值传感器网络的信号处理.第11届数字信号处理研讨会，美国新墨西哥，2004 年8月，页码263-267) ”中，提出将二值探测信息传输给网关节点，由网关节点运行粒子群 滤波模型来计算目标的运动轨迹。粒子群滤波跟踪算法是在最大似然估计基础上提出的， 但它将数据从每个节点转发给网关节点的通信代价过于昂贵。(2)在 文 献 “K. Mechitov, S. Sundresh, Y. Kwon, and G. Agha. Cooperative tracking withbinary-detection sensor networks. Tech. Rep. UIUCDCSR-2003-2379, University of Illinois atUrbana-Champaign, September 2003 (中文译文Κ·墨奇图卫， S.桑德瑞施，Y.科旺，G.阿革.二值探测传感器网络用于协作式跟踪.伊利诺伊大学厄本 那_香槟分校技术报告，编号为UIUCDCSR-2003-2379，2003年9月)”中，提出如果目标的 运动信号引起传感器的感应事件，则将这些传感器的位置进行加权平均，来估算目标运动 轨迹上的各点坐标。^ilK"W. Kim, K. Mechitov, J. -Y. Choi, and S. Ham. On target tracking with binaryproximity sensors. Proceedings of the 4th international conference on Embedded networkedsensor systems, Boulder, Colorado, USA, 2006, pp. 301-308 (中文译 文W.克恩，K.墨奇图卫，J. Y.崔，S.韩.近似二值传感器用于目标跟踪.第4届嵌入式 网络化传感器系统国际会议论文集，美国科罗拉多州玻尔得，2006年，页码301-308) ”中， 提出通过估计目标的运动速度，对这种感应传感器位置的加权计算方法进行改进。但是这 两篇文献中的方法需要假设目标在直线轨道上勻速行驶，而且只采用了能产生目标信号感 应的传感器节点的位置，实际上目标到达事件也可通过网络范围内的协作方式来改进目标 运动轨迹的精度。由于这两篇文献提出的二值传感器网络目标跟踪算法主要是依据已感知传感器 节点的位置，进行位置加权平均来计算目标坐标，这里将此类方法统称为加权平均法。由于 这类方法与本发明提供的方法的计算代价均较小，因而它们具有性能上的可比较性，性能 指标主要是目标位置计算的误差，后续的验证实施例表明了本发明提供的方法在误差指标方面具有优势。(3)在文献“N.Shrivastava, R. Mudumbai, U. Madhow, and S. Suri. Target tracking withbinary proximity sensors !Fundamental limits,minimal descriptions, and algorithms. Proceedings of the 4th international conference on Embedded networked sensor systems, Boulder, Colorado, USA, 2006, pp. 251-264 (中文译文Ν·其jf 瑞瓦斯塔，R.姆杜拜，U.麦德哈欧，S.苏芮.近似二值传感器用于目标跟踪基本限制条 件、最小化描述和算法.第4届嵌入式网络化传感器系统国际会议论文集，美国科罗拉多州 玻尔得，2006年，页码251-264)”中，提出将目标通过传感器探测范围的信息用来构造局 部区域，如果目标即将穿行这些区域，区域范围由相关节点的探测边界构成圆的交叉弧来 确定。按照目标通行的序列，将目标穿行所有区域的最少直线片段路径定义为目标的运动 轨迹。然而这种方法属于集中式方案，计算复杂度高，另外不是实时运行的，存在收集信息 和融合数据的较大时延。因此，设计计算量小、定位精度高的目标跟踪方法，对于自组织传感器网络的应用 来说具有重要意义。
发明内容
本发明的目的在于提供一种在二值传感器自组网系统下实现目标跟踪的方法。根 据计算几何理论，基于三圆交集方法来计算被跟踪目标的位置，使得计算量大大减少，同时 定位精度也有较大幅度的提高。所谓二值(Binary)探测是指将传感器读数转化为发现目标与否的离散值(0或 1)，例如常见的微型地面微震动加速度传感器、声响传感器、磁性传感器等都具有这种二值 探测的物理属性。通过这种二值探测传感器构成简单和实用化的传感器网络系统，实现目 标跟踪的功能。具有二值探测特性的单个微型传感器对于目标状态拥有有限的信息，因而 需要借助网络化技术来实现协作式的目标跟踪。很多传感器都具有这种二值探测的属性，当运动目标在一定距离范围内接近传感 器时，会产生明显的信号变化，表明目标的存在和出现，要设置阈值来消除可能存在的信号 噪声。利用二值传感器网络实现对运动目标的跟踪，具有很多优点，实用性能好。当目标信 噪比大时，二值探测的可靠性好，设计的系统稳定、可靠，能降低目标跟踪系统的漏警率和
虚警率。如果传感器网络监测区域内的任何一点都能被k个传感器节点所监测，称网络是 k_覆盖的，或者称网络的覆盖度为k。目标跟踪系统通常是一对一系统，即一个探测器仅连 续瞄准和跟踪一个目标。如果要实现对目标进行精确跟踪和定位，必须实现节点被3度覆 盖，即至少存在三个传感器探测节点能对目标同时进行探测，否则对于监测目标仅能起到 发现和预警的功能。本发明的特征在于针对具有二值探测特性的传感器网络，基于三圆交集方法来 设计一种协作分布式的目标跟踪方法，以简洁方式计算传感器网络节点三个探测圆的公共 交叉弧段的中间点，以此作为目标坐标。该方法的特点在于实现了目标跟踪的精度和计算 代价两种指标的均衡优化，不仅计算量小，适用于低功耗的传感器网络，而且定位精度高。本发明的方法内容已经在具有ZigBee无线自组网功能的微震动加速度传感器的节点上实现。传感器网络系统的体系结构包括分布式传感器节点、汇聚节点和任务管理后台程序。传感器节点具有网络终端和路由的双重功能一方面实现数据的采集和处理；另 一方面实现数据的融合和路由，对本身采集的数据和收到的其它节点发送的数据进行综 合，转发给网关节点。传感器网络节点由处理器单元、无线传输单元、传感器单元和电源管 理单元四部分组成。本发明提供的方法所需的条件和相应措施如下(1)用于跟踪运动目标的传感器节点具有与邻居节点之间进行无线通信能力，无 线通信能力是通常自组网传感器节点都具有的无线功能。采用CC2420无线通信芯片，运行具有短距离通信功能的ZigBee协议，做到网络节 点之间自组织成网。设计的节点无线传输单元主要提供物理层数据服务和物理层管理服 务，物理层数据服务从无线信道上收发数据，管理服务维护一个物理层相关数据组成的数 据库，包括以下服务随时激活和休眠无线收发单元；对无线信道的能量进行检测，为网络 层提供信道选择依据；收发数据。(2)需要传感器能够判定一个运动目标是否在它的最大探测距离范围之内。如果 传感器的探测感知半径为R，当目标与传感器的距离小于R时，传感器读数为“1”表示发现 目标；当目标与传感器的距离大于R时，传感器读数为“0”表示未发现目标。采用ADXL202微震动传感器，输出数字信号，其脉宽占空比与两根传感轴各自所 感受到的加速度成正比。加速度传感器ADXL202是AD公司的两维数字加速度传感器，工作 温度为-40°C 85°C，采用先进的MEMS技术，测量震动加速度和静态加速度。根据这种传 感器的占空比和电阻器值计算出的加速度值，并且取两个轴向上的加速度矢量和的数值作 为最终的有效信号数据，能设计和判断出目标的震动信号量值的大小，区分目标是否位于 它的最大探测范围之内。(3)至少存在三个传感器探测节点能对目标同时进行探测，即传感器网络监测区 域的覆盖度大于或等于3。(4)传感器网络节点通过人工方式或者GPS技术已完成定位，即已知传感器网络 节点的自身坐标值。本发明的效果在于这种目标跟踪分布式方法避免直接求解二元二次方程的浮点 计算量大的问题，适用于低功耗的传感器网络节点，另外它比传统的加权平均法在误差方 面减少了许多，定位运动目标的精度能满足实用化的需求。因此，它在目标定位的精度和计 算代价两种指标方面实现均衡优化。这种方法适用于户外部署的传感器网络系统，特别适 用于关键路段或区域内的目标监测任务，能实现对运动车辆或人员的跟踪。附图1是采用三圆交集方法实现目标跟踪的原理示意图。具体而言，本发明提供 的目标跟踪方法，依次包括以下实施阶段和步骤步骤1.传感器网络系统的部署、初始化和信息更新通过人工埋设或机器布撒的方式部署整个网络系统，由网关节点将信息汇聚到监 控中心的计算机。每个网络节点的体系结构包括传感器模块、处理器模块、无线收发模块和 能量供应模块四部分组成。微处理器采用C8051F121，无线通信芯片采用CC2420，传感器芯 片采用ADXL202微震动传感器，采用电池供电。CC2420的载波频率是2. 4GHz，每个网络节 点利用载波检测多路存取/碰撞避免(CSMA/CA)退避机制来获取无线信道。
在系统部署后执行网络初始化，每个网络节点构建它的邻居列表和向邻节点通报 自身的坐标，邻居列表信息包括邻节点编号(ID)、邻节点坐标、邻节点产生的目标发现事件 的1比特状态信息标志(用“1/0”表示，“1”表示发现目标，“0”表示未发现目标)。每个 网络节点的坐标参与后续的计算。每个网络节点周期性地接收与更新它所保存的邻节点的 目标发现信息，同时也将自己发现目标的信息通告邻节点，以协作方式在本地完成目标位 置的计算。步骤2.传感器网络的终端节点判断是否触发目标位置计算的行为在系统软件设计中传感器取90sps的采样率来实现对目标的监测。根据采集的信 号，每个网络节点判断是否触发被跟踪目标的位置计算。如果满足如下一种条件，则产生触 发计算操作1)每个网络节点的邻居列表中已有两个邻节点的目标到达状态标志为“1”，而目 标此刻正进入这个网络节点的探测范围；2)当有目标进入每个网络节点的探测范围时，在这个网络节点的邻居列表中，已 存在目标到达状态标志为“1”的邻节点数量超过2个，此时依据邻节点的ID编号，按由小 到大的顺序，选择两个邻节点，作为三圆交集计算的基础，即这两个邻节点的坐标参与后续 的计算。步骤3.目标位置计算如果每个网络节点满足上述的触发条件之一，则根据三圆交集方法计算出目标的 位置。三圆交集方法的过程包括当目标依次进入三个传感器节点的探测范围时，先计算附 图1所示的第三个传感器节点探测圆s3分别与第一个传感器探测圆Si、第二个传感器探测 圆s2的4个交点坐标，然后分别判定这4个交点与三个圆心的距离是否等于或小于探测圆 半径，其中有2个交点是等于或小于圆半径，这2个交点被选择为三圆共同相交弧的两个端 点a和b，最后计算这两个端点形成的线段的中间点，以此作为目标在该时刻所处的估计位 置。步骤4.目标跟踪信息的汇总触发目标位置计算的传感器节点将步骤3的计算结果，通过最短路由发送回传感 器网络的网关汇聚节点，并传输给监控中心的计算机，汇总目标跟踪的位置计算结果，形成 被跟踪目标的运动轨迹。本系统采用Visual Basic设计PC机上的图形界面处理程序。计算机采用串口和 11520Baud/s的波特率与网络节点传输数据，以图形的方式显示机动目标的印迹。另外，上 位机界面软件以数据库文件的形式在后台保存原始数据，供分析使用。本发明提供的运动目标跟踪方法，其特征在于，在微型传感器组成的网络系统中， 实现目标跟踪的精度和计算代价两种指标的均衡优化，不仅计算量小，而且定位精度高，比 传统方法明显地减少了误差。下面结合附图进一步详细说明本发明的具体实施例。
图1是二值传感器自组网采用三圆交集方法实现目标跟踪的原理示意图；图2是传感器网络目标跟踪系统的部署设计示意7
图3是二值传感器网络系统实现目标跟踪的统计结果示意图；图4是基于二值传感器自组网的目标跟踪试验系统部署实施例。
具体实施例方式参考附图更详细地描述了本发明的某些实施例。附图1是根据传感器二值感知特性进行目标跟踪定位的示例图，局部网络由以S” S2、S3为圆心的三个传感器节点组成，它们的探测区域分别是X、Y和Z，假定它们具有统一 的探测半径。当被跟踪的目标沿箭头曲线从监测区域穿行时，~、4、^、^、‘怂分别表示 目标在运动过程中的6个特定位置，即目标进入/退出某一传感器节点的探测范围。这里在、、t2、t3时亥lj，目标依次进入传感器节点SpS2、S3的探测范围，触发传感器 输出目标到达的信号，即标志为“1” ；在t4、t5、t6时刻，当目标依次脱离传感器s” s2、s3的 探测范围时，触发传感器输出目标丢失的信号，即标志为“0”。一旦目标进入Z区域时，它就符合3-覆盖的条件，即可实现目标位置的估计。由 于附图1是传感器网络k-覆盖监测区域内的示例片段，实际上在目标连续跟踪过程中，如 果目标进入X区域，在触发点Ai处也能根据前面的邻节点信息来对目标的当前位置进行计 算。这里仍然以目标进入Z区域、在触发点A3处的到达时刻t3为例，阐述三圆交集方 法实现目标位置计算的原理。如果传感器网络节点的通信半径远大于探测半径R，保证节点只需一跳即可与邻 居节点进行无线通信，这在实际应用中通常是满足的。在本系统中，CC2420芯片的无线通 信距离是100米左右，微震动传感器ADXL202的最大量程尽管可以达到300米，但在通常情 况下的有效探测距离是在几十米以内，因而能满足目标跟踪的条件。由附图1看出圆SpS2、S3的交集是圆弧ab，点a和点b是它的两个端点，这是三个 传感器探测区域的公共边界。如果弧ab的中心点是点c，即附图1中的五角星标记(★)， 以该点作为被定位目标的坐标，记作(xT，yT)。关键在于通过简洁方式来获得该点的坐标， 无需整个网络的时间同步，使得在付出很小的计算代价条件下，得到较高的定位精度，是本 发明的关键所在。求解点c的坐标是通过先计算弧ab的端点a、b的位置，已知三个传感器节点S:、 S2、S3的坐标分别是(Xl，yi)、(x2，y2)、(x3，y3)，两端点的坐标分别记作(xa，ya)、(xb，yb)，则 根据几何关系得出下列联立方程 直接精确求解上述的二元二次方程组(1)和(2)，它们的浮点计算量会很大，计算 代价高，在低功耗的嵌入式系统上实现起来非常困难。这里采用一种三圆交集判别法来计算端点a和b的坐标，只需很少的计算量。通常计算圆弧ab的中心点c的坐标比较费周折，考虑到造成的误差不大，这里选 取以端点a和b连线的线段的中间点，近似取作c点坐标，并以此作为被跟踪目标的估计位 置。因此，目标坐标(xT，yT)由下式计算得出 如果网络覆盖度大于3，即在网络的局部区域内目标运动能被3个以上的传感器 节点探测发现，则设定第三个节点根据发现序列中的前两个传感器节点来计算目标位置。 尽管考虑目标探测量程内的传感器节点数目越多，则目标位置估算的精度会越高，但同时 会带来计算量上的激增和处理的复杂性。因此，基于目标发现队列中的三个圆来计算目标 位置，使得跟踪方法具有更好的简洁性，同时定位精度也能满足实用要求。附图2是传感器网络目标跟踪系统的部署设计示意图。传感器节点通过自组织方 式构成无线网络结构，以协作方式实现网络覆盖区域内目标跟踪信息的采集和处理。在传 感器网络的监测区域内，传感器节点对被跟踪的目标进行位置计算，将结果报告给网关汇 聚节点，最终由监控管理中心的计算机负责计算给出目标的完整运动轨迹。具体目标跟踪的步骤实施例如下步骤1.传感器网络系统的部署、初始化和信息更新。通过人工埋设或机器布撒的方式部署整个网络系统，由网关节点将信息汇聚到监 控中心的计算机。节点的体系结构包括传感器模块、处理器模块、无线收发模块和能量供应 模块四部分组成。网络终端节点的微操作系统软件设计包括功能需求分析、任务划分和优 先级分配，任务之间采用适当的通讯和同步方式。微处理器采用C8051F121，无线通信芯片 采用CC2420，节点利用载波检测多路存取/碰撞避免(CSMA/CA)退避机制来获取信道。在初始化过程中，每个网络节点构建它的邻居列表和向邻节点通报自身的坐标， 列表信息包括邻节点编号ID、邻节点坐标、邻节点产生的目标发现事件的1比特状态信息 标志(1/0)。本节点坐标作为(x3，y3)，参与后续的计算。节点周期性地接收与更新它所保 存的邻节点的目标发现状态信息，同时也将自己发现目标的状态信息通告邻节点，以协作 方式在本地完成目标位置的计算。步骤2.节点判断是否触发被跟踪目标的位置计算，触发条件如下1)节点的邻居列表信息中已有两个邻节点的目标到达状态标志为“1”，目标此刻 正进入本节点的探测范围；2)当有目标进入本节点的探测范围时，邻居列表信息中已存在目标到达状态标志 为“1”的邻节点数量超过2个，此时依据邻节点ID编号，按由小到大顺序从中选择两个邻 节点，作为三圆交集计算的基础，即它们的坐标(Xl，yi)、(x2，y2)参与后续的计算。在系统设计中，ADC的转换速度非常关键，太慢可能捕捉不到车辆等机动目标的震 动信号，太快又会加大系统的负荷，浪费传感器节点本来就有限的能量，因而要通过计算得 出一个中间的平衡采样率。取一个中间车速100km/h，即在Is内车辆可以前进27. 8m，按车 辆前进lm探测三个点计算的话，得出系统的采样率为83. 4。本系统在软件设计中取90sps的采样率来实现。 步骤3.如果满足触发条件，节点在本地以分布式方式根据三圆交集方法来计算 目标位置，即先计算附图1所示的圆S3分别与圆Si、圆S2的4个交点坐标，然后根据式(1) 和式(2)，分别判定交点与三个圆心的距离是否等于或小于圆半径，最后从中选择出三圆共 同相交弧的两个端点，作为点a和点b的坐标。
该步骤的具体计算过程如下
。定义下列变量符号 则 2)两圆相交的交点坐标记作(x' ，y' )、(x〃，y")，计算如下
3)根据式⑴和式⑵的判定条件，分别判定交点(x'，y' )、(x"，y")与三 个圆心的距离是否等于或小于圆半径，选择其中符合条件之一者，作为三圆交集的一个弧 端点，如a点(xa, ya)。4)将x2、y2取代过程1)开始处的Xl、yi，重复上述计算流程，得到三圆交集的另一 个弧端点，如b点(xb，yb)。5)平均a点和b点的坐标，作为目标坐标的近似估算，如式(3)所示。步骤4.触发目标位置计算的节点将步骤3的计算结果，通过最短路由发送回传感 器网络的网关汇聚节点。监控管理中心的主机负责收集各节点的目标跟踪结果，形成被跟 踪目标的运动轨迹。对于网络系统上位机，本系统采用Visual Basic设计PC机上的图形界面处理程 序。计算机采用串口和11520Baud/S的波特率与网络节点传输数据，以图形的方式显示机 动目标的印迹，形象且直观。另外，上位机软件以数据库文件的形式在后台保存原始数据， 供分析使用。为了实际检验本发明所提供方法的性能，我们设计了具有ZigBee网络功能的震 动传感器节点，主要根据传感器节点部署的条件，保证在符合运行的网络条件下，评估目标 跟踪定位计算的效果。图3是二值传感器网络系统实现目标跟踪的统计结果示意图。传感器网络是由SI S7这7个传感器节点组成，被跟踪目标沿箭头曲线从网络侦测区域通过，星点是被测 目标在运动过程中的6个特定位置，即目标进入/退出某一传感器节点的探测范围，旗形标 点表示利用本专利提供的方法对通过目标进行定位的估值位置。附图4是基于二值传感器自组网的目标跟踪试验平台部署的一个实施例，设定被 跟踪的目标沿直线穿过传感器网络部署的局部区域，这样便于评估方法的性能。实际上目 标可以沿任意路径进行运动，并能被传感器节点跟踪定位的。上述提到的目标跟踪加权平均法，与本发明提供的方法相比在计算代价方面均较 小，因而它们具有性能上的可比较性。性能指标主要是目标位置计算的误差。试验统计表明，本发明提供的方法与传统的加权平均法在目标跟踪精度上的平均 的相对误差比值是15. 8 %，前者比后者在误差方面减少了的平均比率是83. 1 %，因而在目 标跟踪的定位精度方面具有明显的优势。由于实用的目标跟踪系统在计算量和定位精度两 个指标方面要求较高，这里的方法恰好符合这两个指标的要求，因而它具有潜在的实用效^ o以上所述为本发明较佳的主要实施过程，并非用来限定本发明的实施范围；凡是 依本发明所作的等效变化和修改，也为本发明专利范围所涵盖。
1权利要求
一种基于二值传感器自组网的目标跟踪方法，其特征在于如果在二值微型传感器自组网系统部署的覆盖区域内，所有传感器节点具有相同的探测半径，运动目标能被3个或以上的传感器节点探测发现，则通过自组网提供的网内探测信息，第三个节点根据目标发现序列中的前两个传感器节点提供的信息，计算出目标的位置；实现上述操作过程的步骤如下步骤1.网络系统部署、初始化和信息更新通过人工埋设或机器布撒的方式部署微型化传感器的网络系统，在硬件部署后执行网络系统的初始化，进入目标监测状态；每个网络节点通过无线通信方式，构建它的邻居列表和向邻节点通报自身的坐标，邻居列表信息包括邻节点编号、邻节点坐标、邻节点产生的目标发现事件的状态信息标志；每个网络节点周期性地接收与更新它所保存的邻节点的目标发现信息，同时也将自己发现目标的信息通告给邻节点，以协作方式在本地完成目标位置的计算任务；步骤2.传感器网络的终端节点判断是否触发目标位置计算的行为如果满足如下一种条件，则产生触发计算操作(1)在每个网络节点的邻居列表中，已有两个邻节点具有目标到达状态标志，而目标此刻正进入这个网络节点的探测范围；(2)当有目标进入每个网络节点的探测范围时，如果这个网络节点的邻居列表中已具有目标到达状态标志的邻节点数量超过2个，则依据邻节点的编号，按由小到大的顺序，从中选择两个邻节点，作为三圆交集计算的基础，这两个邻节点的坐标参与后续的计算；步骤3.目标位置计算每个网络节点如果满足上述触发条件之一，则根据三圆交集方法计算目标的当前位置；三圆交集方法的过程包括当目标依次进入三个传感器节点的探测范围时，先计算第三个传感器节点探测圆S3分别与第一个传感器探测圆S1、第二个传感器探测圆S2的4个交点坐标，然后分别判定这4个交点与三个圆心的距离是否等于或小于探测圆半径，其中有2个交点是等于或小于圆半径，这2个交点被选择为三圆共同相交弧的两个端点a和b，最后计算这两个端点形成的线段的中间点，以此作为目标在该时刻所处的估计位置；步骤4.目标跟踪信息的汇总触发目标位置计算的传感器节点将步骤3的计算结果，通过最短路由发送回传感器网络的网关汇聚节点，并传输给监控中心的计算机，汇总目标跟踪的位置计算结果，形成被跟踪目标的运动轨迹。
全文摘要
本发明公开了一种基于二值传感器自组网的目标跟踪方法，本发明采用的目标跟踪方法，首先在现场部署传感器网络系统，进行网络初始化和信息更新，然后传感器网络节点判断是否触发位置计算，如果满足触发条件，节点在本地计算出目标的位置，并将计算结果通过最短路由发送回传感器网络系统的网关汇聚节点，最后由监控管理中心的计算机负责收集各节点的目标跟踪结果，形成被跟踪目标的运动轨迹。该方法的特点在于震动传感器以自组网方式形成网络化系统，实现目标跟踪的精度和计算代价两种指标的优化，不仅避免计算量大的问题，而且定位精度高。本方法也适用于户外部署的其他二值型探测传感器组成的网络系统，实现对运动车辆或人员的跟踪。
文档编号G01S5/14GK101865993SQ20091018507
公开日2010年10月20日 申请日期2009年10月30日 优先权日2009年10月30日
发明者刘綦, 史久根, 周强, 崔逊学, 李琴, 汪涛, 胡成, 邢立军 申请人:中国人民解放军炮兵学院