CN115460543A - 一种分布式环形栅栏覆盖方法、设备及存储设备 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种分布式环形栅栏覆盖方法、设备及存储设备，将地标L1放置在环形目标区域的圆周上，且在地标L1处放置一个编号为0的不具备移动能力的智能体，编号为1～n的n个可移动的智能体随机分布在地标L1周围；获取1‑n号智能体的虚拟圆心及对应的虚拟半径，计算得到1～n号智能体相对于其对应的虚拟圆心的位置和方位角，然后得到速度分量一和速度分量二，拟合得到速度；根据速度和方位角，移动智能体；判断所有的智能体的有效监测范围是否完成对环形目标区域的圆周附近的完全覆盖，本发明的有益效果是：提高了栅栏覆盖率和检测能力，增强了运动控制算法在不同情况下的稳定性和普适性，并且提供了在一些硬件上应用栅栏覆盖算法的可能性。

Description

一种分布式环形栅栏覆盖方法、设备及存储设备
技术领域
本发明涉及智能体覆盖领域，尤其涉及一种分布式环形栅栏覆盖方法、设备及存储设备。
背景技术
基于国内外发展状况的分析可以看出，栅栏覆盖是一个具有价值的研究课题，栅栏覆盖一般分为封闭型与开放型，开放式栅栏覆盖在实际中应用较多。但是，随着时代的发展，人们对封闭式栅栏的要求也日益提高。在实际应用中，发现栅栏覆盖的监控范围并非完全带状。比如对野生动物是否进入饲养点进行监控，因为不能确定其进入的方向，需要在饲养场四周设置环形围栏。环形栅栏在很多情况下对比单一的带状栅栏有监测区域大、漏洞检测能力强等许多优势，因此设计环形栅栏覆盖算法在目前仍然具有巨大的研究价值和意义。
本技术方案针对现有技术存在栅栏覆盖率不高、检测能力存在漏洞等问题提出了解决办法，并且提供了在一些硬件上应用栅栏覆盖算法的可能性。
发明内容
针对现有技术存在栅栏覆盖率不高、检测能力存在漏洞等问题，本发明提供了一种分布式环形栅栏覆盖方法、设备及存储设备，增强了运动控制算法在不同情况下的稳定性和普适性，并且提供了在一些硬件上应用栅栏覆盖算法的可能性。通过改进带状栅栏覆盖算法，首先建立了新型的环形栅栏覆盖控制数学模型，然后设计相应的运动控制算法，使智能体快速、高效地往目标区域运动。通过本发明，通过少量的智能体间通讯实现了对圆形目标区域边界的覆盖，当有目标事件穿越该区域时，能够及时感知事件的发生。最后还在硬件层面来验证环形栅栏覆盖控制算法设计的可行性，证明该算法不仅可以在理论上有效运行，在硬件上也能够顺利实现。说明了该算法此后可以在一些设备如智能小车、无人机等更多硬件上开展覆盖控制的工作。一种分布式环形栅栏覆盖方法，主要包括：
S1：将地标L1放置在环形目标区域的圆周上，且在地标L1处放置一个编号为0的不具备移动能力的智能体，编号为1～n的n个可移动的智能体随机分布在地标L1周围；
S2：结合各个智能体自身的通讯范围，获取1-n号智能体的虚拟圆心及对应的虚拟半径：
S3：根据上述虚拟圆心和虚拟半径，计算得到1～n号智能体相对于其对应的虚拟圆心的位置和方位角，然后得到速度分量一和速度分量二；
S4：根据速度分量一和速度分量二，拟合得到速度；
S5：根据上述得到的速度和方位角，移动智能体；
S6：判断所有的智能体的有效监测范围是否完成对环形目标区域的圆周附近的完全覆盖，若是，则结束，若否，则回到步骤S2。
一种存储设备，所述存储设备存储指令及数据用于实现一种分布式环形栅栏覆盖方法。
一种分布式环形栅栏覆盖设备，包括：处理器及所述存储设备；所述处理器加载并执行所述存储设备中的指令及数据用于实现一种分布式环形栅栏覆盖方法。
本发明提供的技术方案带来的有益效果是：提高了栅栏覆盖率和检测能力，增强了运动控制算法在不同情况下的稳定性和普适性，并且提供了在一些硬件上应用栅栏覆盖算法的可能性。
附图说明
下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：
图1是本发明实施例中一种分布式环形栅栏覆盖方法流程图。
图2是本发明实施例中MATLAB仿真实验图，其中，(a)图表示k＝20时，所有智能体的运动位置；(b)图表示k＝40时，所有智能体的运动位置；(c)图表示k＝60时，所有智能体的运动位置；(d)图表示k＝80时，所有智能体的运动位置以及初始位置(黑点代表所有智能体的初始位置)。
图3是本发明实施例中方位角的示意图。
图4是本发明实施例中硬件设备工作的示意图。
具体实施方式
为了对本发明的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，现对照附图详细说明本发明的具体实施方式。
本发明的实施例提供了一种分布式环形栅栏覆盖方法、设备及存储设备。在本实施例中，智能体是指具备传感，通讯，计算和移动能力的设备，通过智能体的有效监测范围对目标区域的完全覆盖，可以实现对目标区域内外异物的实时监测，实现对目标区域边界的覆盖，当有目标事件穿越该目标区域时，能够及时感知事件的发生。比如，可以监测目标区域外异物即将进入目标区域和目标区域内的异物即将离开目标区域。
一种分布式环形栅栏覆盖方法的流程图，根据确定的布式环形栅栏覆盖的目标，本实施例中目标为环形目标区域，具体进行如下操作：
S1：将地标L1(如图2中黑色方块所示)放置在环形目标区域(如图2中的大圆所示)的圆周上，且在地标L1处放置一个编号为0的不具备移动能力的智能体，0号的智能体已得知该环形目标区域的真实圆心位置及其半径，编号为1～n的n个可移动的智能体随机分布在地标L1周围，且1～n号智能体不能得知环形目标区域的真实圆心位置及其半径；
S2：为了使每个智能体能够确定环形目标区域半径的大小，为每个智能体定义了虚拟圆心
Figure BDA0003825088630000031
Z0(kT)＝C，C为环形目标区域的真实圆心，结合各个智能体自身的通讯范围(即图2中的小圆区域)，根据公式(1)和(2)获取1-n号智能体的虚拟圆心及对应的虚拟半径：
虚拟圆心的计算公式为：
Figure BDA0003825088630000032
其中，Zi((k+1)T)表示(k+1)T时刻第i个智能体的虚拟圆心，i＝1,2,...,n，k表示离散时间域下的时间点，T表示时间点之间的时间间隔，Zi(kT)表示kT时刻第j个智能体的虚拟圆心，wj表示第j个智能体的权重。对于0号智能体，其权重为w0，权重可以自行设置，离地标越近权重值越大。
定义区域
Figure BDA0003825088630000033
来表示智能体i的通讯区域(如图2中的中圆所示的区域)。在Di(kT)内，存在的智能体的集合为Ni，易得Ni:＝{pj∈Di}∪{i}，其中j≠i,j＝0,1,2,...,n。|Ni|表示在Di(kT)内存在的智能体数量总和。
智能体的虚拟(理想)半径的更新规律为：
Figure BDA0003825088630000041
其中，Ri((k+1)T)表示(k+1)T时刻第i个智能体的虚拟半径，Ri(kT)表示kT时刻第j个智能体的虚拟半径。
S3：获取1～n号智能体相对于其对应的虚拟圆心的位置和图3所示的方位角
Figure BDA0003825088630000042
(该方位角以x轴正向为基准线)，根据方位角，分别计算得到速度分量一和速度分量二；
1～n号智能体相对于其对应的虚拟圆心的位置可以通过智能体自身带有的传感器监测功能得到，或者是通过其他传感器进行监测得到，或者通过公式(3)计算得到：
pi((k+1)T)＝pi(kT)+vi(kT)Θi(kT)T,i＝1,2,..., (3)
其中
Figure BDA0003825088630000049
是智能体i的位置，pi((k+1)T)表示(k+1)T时刻第i个智能体的位置，pi(kT)表示kT时刻第i个智能体的位置，
Θi(·)＝[cos(θi(·)) sin(θi(·))]T
Figure BDA0003825088630000043
表示从x轴逆时针方向测量的航向，
Figure BDA0003825088630000044
其中，(kT)∈[0,2π),0(kT)＝β表示kT时刻第i个智能体的方位角，
Figure BDA0003825088630000045
vi(kT)表示kT时刻第i个智能体的速度，
Figure BDA0003825088630000046
表示得到速度分量一，
Figure BDA0003825088630000047
表示垂直于智能体本身的半径的速度变量二，。
方位角i(kT)∈[0,2π),0(kT)＝β，其计算公式如下：
Figure BDA0003825088630000048
其中，pha(u,v)是自行规定的一种运算，Zi(kT)表示kT时刻第i个智能体的虚拟圆心。
Figure BDA0003825088630000051
其中，u,v是运算变量，不具有实际意义，通过公式(4)得到，公式(4)中两个二维坐标相减后得到一个新的有两个元素的行向量，对应的就是u,v。
根据公式(5)计算得到速度分量一(标量)
Figure BDA0003825088630000052
Figure BDA0003825088630000053
其中，Fi(kT)表示kT时刻第i个智能体的实际半径，且Fi(kT)＝||Zi(kT)-i(kT)||，
Figure BDA0003825088630000054
会使得Fi→F0，F0表示环形目标区域的真实半径，这使得智能体能够在环形目标区域的圆周上运动。
根据公式(6)计算垂直于其本身的半径的速度变量二vi：
Figure BDA0003825088630000055
令a,b∈Ni(kT),且qi,a(kT)＜0＜qi,b(kT)，其中a，b也许都不存在。
qi,j(kT)为设置的一个通过智能体之间的通讯范围决定的变量，其满足以下等式：
Figure BDA0003825088630000056
为了抵消周期对算法稳定性的影响，设置了一个角度选择器，使得qi,j(kT)满足以下关系：
Figure BDA0003825088630000061
目的是为了使得-π≤qi,j(kT)≤π。
S4：根据速度分量一和速度分量二，拟合得到速度；
Figure BDA0003825088630000062
S5：根据上述计算的速度和方位角，分别移动智能体；
S6：判断所有的智能体的有效监测范围是否完成对环形目标区域的圆周附近的完全覆盖，若是，如图4中的(d)所示，则结束该流程，若否，则回到步骤S2进行智能体的移动操作。
可以利用ZigBee硬件设备充当智能体节点，设计代码并通过软件烧录到硬件中，将节点的位置数据导入作图软件以图形方式表现，完成实验验证。
Zigbee是一种无线通信技术名称，它具有近距离、低复杂度、低功耗、低数据速率、低成本等的特点。在自动控制和远程控制领域有诸多应用，能够在各种设备上进行嵌入式应用。图3为ZigBee无线网络协议层示意图。ZigBee设备分三种：协调器(Coordinator)负责启动整个网络，是网络的第一个设备，路由器(Router)的主要功能是允许其他设备加入网络，协助终端设备通讯，终端设备(End Device)没有特定的维护网络结构的责任，可睡眠或唤醒，它一般对存储空间要求较小。
在硬件层面来验证环形栅栏覆盖控制算法设计的可行性，证明了该算法不仅可以在理论上有效运行，在硬件上也能够顺利实现。说明了此算法在此后可以在一些设备如智能小车、无人机等更多硬件上开展覆盖控制的工作。
请参见图4，图4是本发明实施例的硬件设备工作示意图，所述硬件设备具体包括：一种分布式环形栅栏覆盖设备401、处理器402及存储设备403。
一种分布式环形栅栏覆盖设备401：所述一种分布式环形栅栏覆盖设备401实现所述一种分布式环形栅栏覆盖方法。
处理器402：所述处理器402加载并执行所述存储设备403中的指令及数据用于实现所述一种分布式环形栅栏覆盖方法。
存储设备403：所述存储设备403存储指令及数据；所述存储设备403用于实现所述一种分布式环形栅栏覆盖方法。
本发明的有益效果是：提高了栅栏覆盖率和检测能力，增强了运动控制算法在不同情况下的稳定性和普适性，并且提供了在一些硬件上应用栅栏覆盖算法的可能性。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种分布式环形栅栏覆盖方法，其特征在于：确定布式环形栅栏覆盖的环形目标区域，并设置地标L1和多个智能体，具体包括：
S1：将地标L1放置在环形目标区域的圆周上，且在地标L1处放置一个编号为0的不具备移动能力的智能体，编号为1～n的n个可移动的智能体随机分布在地标L1周围；
S2：结合各个智能体自身的通讯范围，获取1-n号智能体的虚拟圆心及对应的虚拟半径：
S3：根据上述虚拟圆心和虚拟半径，计算得到1～n号智能体相对于其对应的虚拟圆心的位置和方位角，然后得到速度分量一和速度分量二；
S4：根据速度分量一和速度分量二，拟合得到速度；
S5：根据上述得到的速度和方位角，移动智能体；
S6：判断所有的智能体的有效监测范围是否完成对环形目标区域的圆周附近的完全覆盖，若是，则结束，若否，则回到步骤S2。
2.如权利要求1所述的一种分布式环形栅栏覆盖方法，其特征在于：步骤S2中，1-n号智能体的虚拟圆心及对应的虚拟半径的计算公式如下：
虚拟圆心：
Figure FDA0003825088620000011
其中，Zi((k+1)T)表示(k+1)T时刻第i个智能体的虚拟圆心，i＝1,2,...,n，k表示离散时间域下的时间点，T表示时间点之间的时间间隔，Zi(kT)表示kT时刻第j个智能体的虚拟圆心，wj表示第j个智能体的权重；
虚拟半径：
Figure FDA0003825088620000012
其中，Ri((k+1)T)表示(k+1)T时刻第i个智能体的虚拟半径，Ri(kT)表示kT时刻第j个智能体的虚拟半径。
3.如权利要求1所述的一种分布式环形栅栏覆盖方法，其特征在于：步骤S3中，通过智能体自身带有的传感器监测功能得到，或者是通过其他传感器进行监测得到1～n号智能体相对于其对应的虚拟圆心的位置。
4.如权利要求1所述的一种分布式环形栅栏覆盖方法，其特征在于：步骤S3中，通过公式(3)计算得到1～n号智能体相对于其对应的虚拟圆心的位置：
pi((k+1)T)＝pi(kT)+vi(kT)Θi(kT)T,i＝1,2,..., (3)
其中
Figure FDA0003825088620000021
是智能体i的位置，pi((k+1)T)表示(k+1)T时刻第i个智能体的位置，pi(kT)表示kT时刻第i个智能体的位置，
Figure FDA0003825088620000022
表示从x轴逆时针方向测量的航向，
Figure FDA0003825088620000023
其中
Figure FDA0003825088620000024
Figure FDA0003825088620000025
表示速度分量一，vi(kT)表示kT时刻第i个智能体的速度。
5.如权利要求1所述的一种分布式环形栅栏覆盖方法，其特征在于：步骤S3中，
根据公式(5)计算得到速度分量一
Figure FDA0003825088620000026
Figure FDA0003825088620000027
其中，Fi(kT)表示智能体i的实际半径，且Fi(kT)＝||Zi(kT)-i(kT)||，Zi(kT)表示kT时刻第j个智能体的虚拟圆心，pi(kT)表示kT时刻第i个智能体的位置；
根据公式(6)计算得到垂直于其本身的速度变量二
Figure FDA00038250886200000212
Figure FDA0003825088620000028
qi,j(kT)为设置的一个通过智能体之间的通讯范围决定的变量，其满足以下等式：
Figure FDA0003825088620000029
Figure FDA00038250886200000210
和
Figure FDA00038250886200000211
分别表示第第i个和第j个智能体的方位角。
6.如权利要求1所述的一种分布式环形栅栏覆盖方法，其特征在于：步骤S4中，拟合得到的速度为：
拟合得到速度；
Figure FDA0003825088620000031
Figure FDA0003825088620000032
和
Figure FDA0003825088620000033
分别表示速度变量二和速度变量一。
7.一种存储设备，其特征在于：所述存储设备存储指令及数据用于实现权利要求1～6任一项所述的分布式环形栅栏覆盖方法。
8.一种分布式环形栅栏覆盖设备，其特征在于：包括：处理器及存储设备；所述处理器加载并执行所述存储设备中的指令及数据用于实现权利要求1～6任一项所述的分布式环形栅栏覆盖方法。
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