CN104812065A - 一种基于质点弹簧模型迭代的Min-Max定位方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及无线传感器网络中节点定位技术领域,特别是一种基于质点弹簧模型迭代的Min-Max定位方法,该定位方法首先基于质点弹簧模型采用迭代Min-Max的方法得到误差较小的边界框,其次采用加权质心的方法估计未知节点的初始位置,最后通过弹簧合力优化未知节点位置。本发明的定位方法适用于定位由锚节点构成的凸包内***的节点,具有定位精度高,健壮性强优点。
Description
技术领域
本发明涉及无线传感器网络中节点定位技术领域,更具体地,涉及一种基于质点弹簧模型迭代的Min-Max定位方法,该方法主要用于目标节点定位。
背景技术
节点自身定位技术已成为无线传感器网络热点技术之一。用于定位的已知节点称为锚节点,锚节点可通过人工布置或GPS的方式获得其自身的位置信息。被定位的目标节点称为未知节点,如何快速、准确地定位未知节点的位置,高精度的定位算法显得十分重要。
根据节点位置的估计机制,一般将定位算法分为基于测距的定位算法和非测距的定位算法。基于测距的定位算法一般使用RSSI、TDOA、TOA和AOA等测距技术实现定位。非测距的定位算法是利用节点间的连通信息来估计节点的位置,它的优点是硬件要求较低,但是定位精度有限。典型的定位算法有质心定位算法、DV-Hop,APIT和MDS-MAP算法等。
虽然Min-Max是一种简单有效的定位算法,且具有计算量低的优点,但是在锚节点构成的凸包***的节点的定位效果较差。近年来,部分相关的文献针对Min-Max方法进行了改进,如E-Min-Max方法与Min-Max不同之处是它不采用质心的估计方法,而是通过权值的方法估计未知节点的位置;MD-Min-Max方法也改进了Min-Max,它是在Min-Max得到的边界框的基础上,通过隶属度计算每个顶点的权值,最后也通过加权质心的方法估计位置。然而,这些改进方法的定位效果并不能准确地定位凸包***所有区域。
发明内容
本发明的目的在于克服已有定位方法的不足之处,提供一种基于质点弹簧模型迭代的Min-Max定位方法,有效地解决现有Min-Max定位方法存在的问题,提高了定位精度,并增强了健壮性。
为了实现上述目的,本发明采用的技术方案为:
一种基于质点弹簧模型迭代的Min-Max定位方法,包括以下步骤:
步骤1:通过扩展Min-Max得到的初始边界框,修正边界框四个顶点的坐标;
步骤2:基于质点弹簧模型分别计算四个顶点的能量值,得到四个顶点与未知节点的估计距离;
步骤3:重复执行步骤1得到新的边界框,然后去除超过上一个边界框的区域;
步骤4:迭代执行步骤2和步骤3,得到一个不变的边界框;
步骤5:通过加权质心的方法计算未知节点的初始位置;
步骤6:通过弹簧合力迭代优化未知节点的位置。
在上述定位方法中,所述步骤1中Min-Max得到的初始边界框为:
将上式记为其中di,i=1,...,n是未知节点U(x,y)到锚节点Ai(xi,yi),i=1,...,n的测量距离,n是锚节点个数,max()和min()分别是最大和最小函数;xi、yi分别表示锚节点的坐标;通过检测初始边界框的顶点坐标是否满足条件xmin>xmax或ymin>ymax;若满足条件,修正为x′min=2·xmax-xmin,x′max=xmin或y′min=2·ymax-ymin,y′max=ymin。
所述步骤2中能量值Ej,j=1,2,3,4通过如下式计算:
其中Di,j是锚节点Ai(xi,yi),i=1,...,n与顶点Vj(xj,yj),j=1,2,3,4的欧几里德距离,可得四个顶点与未知节点的估计距离为
所述步骤3中执行步骤1得到新的边界框为:
去除多余区域后的边界框为:
所述步骤5中加权质心方法的计算公式为:
其中wx,j和wy,j分别是顶点Vj在x轴和y轴上的权值;V(xj)和V(yj)分别是顶点Vj在x轴和y轴上的坐标值;权值wx,j和wy,j分别定义为:
其中和分别是顶点Vj在x轴和y轴上的弹簧合力大小,若或则设定为或顶点Vj受到所有邻居锚节点Ai(xi,yi),i=1,...,n的弹簧合力定义为:
其中是从顶点Vj到锚节点Ai的单位矢量,则 指数ex和ey分别定义为:
其中,如果ex>2,修改为ex=2;如果ey>2,修改为ey=2;因此,指数ex和ey的值是1或2。
所述步骤6中弹簧合力为未知节点迭代公式为:
然后通过上式迭代n次得到未知节点最终的估计位置。
与现有技术相比,本发明的定位方法的有益效果为:(1)本发明的定位方法适用于定位由锚节点构成的凸包***所有位置的节点;(2)在测量存在一定误差的情况下,扩展的边界框包含未知节点的概率将得到提高;(3)加权质心定位方法的权值是动态值;(4)弹簧合力优化步骤能够使节点调整至最佳位置,即弹簧合力接近零。
因此本发明的基于质点弹簧模型迭代的Min-Max定位方法不仅充分利用Min-Max算法的优点,而且克服了Min-Max的缺点,相比于其它改进的定位算法具有更高的定位精度。
附图说明
图1为修正Min-Max的边界框示例图。
图2为执行修正的Min-Max方法示例图。
图3为新的边界框包含多余的区域示例图。
具体实施方式
附图仅用于示例性说明,不能理解为对本专利的限制;
为了更好说明本实施例,附图某些部件会有省略、放大或缩小,并不代表实际产品的尺寸;
对于本领域技术人员来说,附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。
下面结合附图详细说明实施过程,以便对本发明方法的技术特征及优点进行更深入的诠释。本发明提供的一种高精度的基于质点弹簧模型迭代的Min-Max定位方法,具体实施步骤如下:
步骤1:Min-Max得到的初始边界框为
将上式记为[xmin,ymin]×[xmax,ymax],其中di,i=1,...,n是未知节点U(x,y)到锚节点Ai(xi,yi),i=1,...,n的测量距离,n是锚节点个数,max()和min()分别是最大和最小函数;如图1所示,由于测量误差的存在,测量距离可能小于实际距离,即存在xmin>xmax或ymin>ymax;若满足上述条件,修正为x′min=2·xmax-xmin,x′max=xmin或y′min=2·ymax-ymin,y′max=ymin;计算出四个顶点的坐标分别为:V1(x1,y1)=(x′min,y′min),V2(x2,y2)=(x′min,y′max),V3(x3,y3)=(x′max,y′max),V4(x4,y4)=(x′max,y′min)。
步骤2:基于质点弹簧模型分别计算四个顶点的能量值Ej,j=1,2,3,4
其中Di,j是锚节点Ai(xi,yi),i=1,...,n与顶点Vj(xj,yj),j=1,2,3,4的欧几里德距离,则可得四个顶点与未知节点的估计距离为每个顶点Vj以自身为圆心,以为半径。
步骤3:如图2所示,重复执行步骤1得到新的边界框为
如图3所示,新的边界框可能存在超过上一个边界框的区域,去除多余区域后的边界框为
步骤4:迭代执行步骤2和步骤3,得到一个不变的边界框及四个顶点的坐标;
步骤5:通过加权质心的方法计算未知节点的初始位置,加权质心方法的计算公式为
其中wx,j和wy,j分别是顶点Vj在x轴和y轴上的权值;V(xj)和V(yj)分别是顶点Vj在x轴和y轴上的坐标值;权值wx,j和wy,j分别定义为
其中和分别是顶点Vj在x轴和y轴上的弹簧合力大小,若或则设定为或顶点Vj受到所有邻居锚节点Ai(xi,yi),i=1,...,n的弹簧合力定义为
其中是从顶点Vj到锚节点Ai的单位矢量,则 指数ex和ey分别定义为
其中,如果ex>2,修改为ex=2;如果ey>2,修改为ey=2;因此,指数ex和ey的值是1或2。
步骤6:计算未知节点的弹簧合力为未知节点由如下公式调整位置,然后通过迭代n次得到未知节点最终的估计位置。
相同或相似的标号对应相同或相似的部件;
附图中描述位置关系的用于仅用于示例性说明,不能理解为对本专利的限制;
显然,本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例,而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说,在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等,均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。
Claims (6)
1.一种基于质点弹簧模型迭代的Min-Max定位方法,该定位是基于测距技术实现未知节点的定位,其特征在于,包括如下步骤:
步骤1:通过扩展Min-Max得到的初始边界框,修正边界框四个顶点的坐标;
步骤2:基于质点弹簧模型分别计算四个顶点的能量值,得到四个顶点与未知节点的估计距离;
步骤3:重复执行步骤1得到新的边界框,再去除超过上一个边界框的区域;
步骤4:迭代执行步骤2和步骤3,得到一个不变的边界框;
步骤5:通过加权质心的方法计算未知节点的初始位置;
步骤6:通过弹簧合力迭代优化未知节点的位置。
2.根据权利要求1所述的基于质点弹簧模型迭代的Min-Max定位方法,其特征在于,所述步骤1中Min-Max得到的初始边界框为:
将上式记为[xmin,ymin]×[xmax,ymax],其中di,i=1,...,n是未知节点U(x,y)到锚节点Ai(xi,yi),i=1,...,n的测量距离,n是锚节点个数,max()和min()分别是最大和最小函数;检测初始边界框的顶点坐标是否满足条件xmin>xmax,若满足条件,修正为x′min=2·xmax-xmin,x′max=xmin;
或是否满足条件ymin>ymax;若满足条件,修正为y′min=2·ymax-ymin,y′max=ymin。
3.根据权利要求1所述的基于质点弹簧模型迭代的Min-Max定位方法,其特征在于,所述步骤2中能量值Ej,j=1,2,3,4通过如下式计算:
其中Di,j是锚节点Ai(xi,yi),i=1,...,n与顶点Vj(xj,yj),j=1,2,3,4的欧几里德距离,得到四个顶点与未知节点的估计距离为
4.根据权利要求1所述的基于质点弹簧模型迭代的Min-Max定位方法,其特征在于,所述步骤3中执行步骤1得到新的边界框为:
去除多余区域后的边界框为:
5.根据权利要求1所述的基于质点弹簧模型迭代的Min-Max定位方法,其特征在于,所述步骤5中加权质心方法的计算公式为:
其中wx,j和wy,j分别是顶点Vj在x轴和y轴上的权值;V(xj)和V(yj)分别是顶点Vj在x轴和y轴上的坐标值;权值wx,j和wy,j分别定义为:
其中和分别是顶点Vj在x轴和y轴上的弹簧合力大小,若或则设定为或指数ex和ey分别定义为:
其中,当ex>2,修改为ex=2;当ey>2,修改为ey=2;因此,指数ex和ey的值是1或2。
6.根据权利要求1所述的基于质点弹簧模型迭代的Min-Max定位方法,其特征在于,所述步骤6中弹簧合力为未知节点迭代公式为
然后通过上式迭代n次得到未知节点最终的估计位置。
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