基于动态分簇的移动目标追踪方法与流程

技术特征：

1.一种基于动态分簇的移动目标追踪方法，其特征在于，在双层环状拓扑结构基础上，采用基于功率级别的定位方法和随机性定位方法相结合的算法对移动目标进行定位追踪；主要包括：网络初始化、双层环结构动态簇形成、动态簇更新、移动目标定位和计算追踪路径五个步骤：

1)为避免节点之间的信息广播相互干扰，采用两阶段初始化方法；

2)双层环状结构簇构建包括：内环构建、外环构建、簇头选取三个步骤；

3)动态簇更新包括：新监测到移动目标的节点加入、不能监测到移动目标的节点退出、簇头节点移交；

4)对目标进行定位，采用基于功率级别的定位方法和随机性定位方法相结合的算法；

5)追踪路径，将接收的目标定位数据，转化为时间轴上的位置序列。

2.根据权利要求1所述的基于动态分簇的移动目标追踪方法，其特征在于，两阶段初始化方法包含以下步骤：

1.1)将所有节点都设为等待状态，基站节点以最大功率进行广播，给定阈值，若节点收到的信号强度大于阈值，则进入工作状态并置q为1，向基站节点报告其ID和剩余能量，基站节点将这些信息登记到sink候选簇头表中。若小于阈值，则节点进入休眠状态；

1.2)工作状态的节点调整通信功率至一跳范围距离，进行消息广播，收到消息的节点进入工作状态，并将其ID和剩余能量回传，同样，调整通信功率至一跳范围距离，进行消息广播，邻居节点互相登记信息到邻居节点信息表。

3.根据权利要求1所述的基于动态分簇的移动目标追踪方法，其特征在于，步骤2)包含以下步骤：

2.1)构建内层环结构；当目标进入追踪区域后，节点监测到目标的出现，所有能监测到目标出现的节点，调整功率至正常工作状态，加入内层环集合，同时根据邻居节点信息表，通知邻居节点，如果邻居节点已经处于内层环集合，则不作回应；

2.2)构建外层环结构；收到通知的、非内层环集合的邻居节点，首先调整状态至正常工作状态，然后再将工作功率增大至κ倍，感知范围增大。此时，如果邻居节点能够监测到移动目标，则加入外层环集合，进入κ级别工作状态；反之，邻居节点降低功率，进入等待状态；

2.3)选取簇头；首先，节点查询自己的标记位q是否为1，如果只有一个节点的标记位为1，则此节点为簇头节点；如果不止一个节点，则需考虑剩余能量情况，查询sink节点候选簇头表，选择剩余能量最多的节点为簇头；若不存在这样的节点，则选取簇内剩余能量多的节点为簇头；其余节点成为簇头的成员节点。

4.根据权利要求1所述的基于动态分簇的移动目标追踪方法，其特征在于，所述步骤3)包含以下步骤：

3.1)新节点加入动态簇；对于任意一个非簇内节点i，即当目标进入感知范围内，则发送加入动态簇的广播请求REQ_in；等待Δt时间后，如果收到簇头节点j的同意信息ANS_in，则节点i加入簇C_j，簇头节点j将新成员节点i信息登记到临时簇成员信息表；如果没有收到任何信息，则进入构建动态簇的步骤。节点i根据邻居节点信息表，通知一跳范围内的邻居节点k；节点k进入κ级别工作状态，如果能监测到移动目标，则申请加入簇C_j，否则进入等待状态；

3.2)失效节点退出动态簇；对于任意一个簇内节点i，即i∈C_dyn,当目标移出其感知范围外，向簇头j发送退出动态簇的请求REQ_out；簇头节点j收到请求后，在临时簇成员信息表中删除相关信息，返回同意信息ANS_out；节点i收到同意信息后，进入等待状态，退出簇C_j；如果等待Δt时间后，没有收到信息，则自动退出簇C_j；

3.3)簇头节点移交；新加入簇的节点j，簇头节点i查询sink节点的候选簇头信息表；如果节点j属于sink候选簇头集合，则选择节点j为新的簇头；节点i将所有信息移交给簇头节点j，然后作为簇内成员节点继续工作；簇头节点j向簇内成员广播簇头信息；至此，动态簇成为以节点j为簇头的簇C_j；如果节点j不属于sink候选簇头集合，则节点i继续作为簇头；同时，簇头节点i将节点j登记到簇内候选簇头信息表中；当簇头节点i不能监测到目标时，立即查找簇内候选簇头信息表，选择剩余能量E_k最大的节点，作为新的簇头节点k，并将所有信息发送给簇头节点k，然后进入等待状态，退出动态簇；新的簇头节点k在收到临时簇成员信息表后，向簇内成员广播簇头信息。至此，动态簇成为以节点k为簇头的簇C_k。

5.根据权利要求1所述的基于动态分簇的移动目标追踪方法，其特征在于，移动目标定位包含以下步骤：

4.1)在簇头节点中定义一个计数值count，置初值为0；

4.2)在簇头节点没有移交情况下，有簇内成员节点退出，count++；同样，新节点加入动态簇，count++；

4.3)如果count＞ε，或簇头进行移交，则动态簇改变，采用基于功率级别的质心定位方法进行定位计算，并将相关信息发送给sink节点；同时，置count为0；

4.4)如果count≤ε，或簇头未进行移交，则动态簇未改变，不需要进行定位计算，把上一次定位数据作为此时目标位置的信息。

6.根据权利要求1所述的基于动态分簇的移动目标追踪方法，其特征在于，计算追踪路径包含以下步骤：

5.1)基站将获得的数据信息装换为时间序列上的位置坐标组成的集合，

5.2)计算出目标在追踪区域内的移动路径，Trace＝(T_S(1),T_S(2),...,T_S(n))。

7.根据权利要求1所述的基于动态分簇的移动目标追踪方法，其特征在于，对于任意簇头节点i，其簇内成员节点为C_i＝{j|j∈C_dyn,0＜j≤N,j≠i}，C_dyn表示动态簇，在_t时刻，簇头节点为i，则C_i|t＝C_dyn；

定义1质心O(x,y)：规则多边形的几何中心称为质心；假设一个规则多边形的顶点坐标为(x₁,y₁)，(x₂,y₂)，…(x_n,y_n)，则

$O(x,y)=(\frac{\underset{i=1}{\overset{n}{\Σ}}{x}_i}{n},\frac{\underset{i=1}{\overset{n}{\Σ}}{y}_i}{n})---\left(1\right)$

定义2内环集合S_IR(Inner Ring Set,IRS)：对于任意的节点i，i∈C_dyn，若节点i主动监测到移动目标，则i∈S_IR，

定义3外环集合S_OR(Outer Ring Set,ORS)：对于任意的节点i，i∈C_dyn，若节点i被动进入工作状态，即节点j通知节点i进入工作状态，j∈S_IR，则i∈S_OR，

内环中的节点进入工作状态后，通知外环节点；外环中节点将功率调至κ倍，如果能够监测到移动目标，则进入工作状态，否则继续等待；由此可见，外环节点的功率是内环节点的功率的κ倍；由于功率的不同，相应的感知范围和初始发射能量也不同；结合功率因素，基于功率级别的质心定位公式如下：

$O\left(x,y\right)=\left(\frac{\mathrm{\β}\underset{i=1}{\overset{k}{\mathrm{\Σ}}}{x}_{IRi}+\left(1-\mathrm{\β}\right)\underset{i=1}{\overset{q}{\mathrm{\Σ}}}{x}_{ORi}}{\mathrm{\β}k+\left(1-\mathrm{\β}\right)q},\frac{\mathrm{\β}\underset{i=1}{\overset{k}{\mathrm{\Σ}}}{y}_{IRi}+\left(1-\mathrm{\β}\right)\underset{i=1}{\overset{q}{\mathrm{\Σ}}}{y}_{ORi}}{\mathrm{\β}k+\left(1-\mathrm{\β}\right)q}\right)---\left(2\right)$

其中，k是内环节点的数目，q是外环节点的数目，β是内外环节点的权值，由于内环节点离移动目标更近，内环节点得出的位置坐标占有较大的权重，所以β取值范围：式2还可以进一步简化，令可以得到：

$O(x,y)=(\frac{\mathrm{\α}\underset{i=1}{\overset{k}{\mathrm{\Σ}}}{x}_{IRi}+\underset{i=1}{\overset{q}{\mathrm{\Σ}}}{x}_{ORi}}{\mathrm{\α}k+q},\frac{\mathrm{\α}\underset{i=1}{\overset{k}{\mathrm{\Σ}}}{y}_{IRi}+\underset{i=1}{\overset{q}{\mathrm{\Σ}}}{y}_{ORi}}{\mathrm{\α}k+q})---\left(3\right)$

此时，α是内环节点关于质心方程式的权值，α取值范围：α≥1。