[发明专利]一种联合水流作用的传感节点三维覆盖控制方法

说明书

本发明公开了一种联合水流作用的传感节点三维覆盖控制方法，该方法包括如下步骤：建立包含重力、浮力、推力以及阻力在内的水下传感节点漂移运动模型，揭示水下传感网络拓扑结构形变过程，推导包含传感节点与邻居传感节点、传感节点与障碍物以及边界约束在内的水下传感节点三维虚拟力覆盖模型，驱动水下传感节点移动到能够使网络覆盖率最大的位置。本发明考虑水流作用下传感节点位置容易发生移动，使得水下传感网络覆盖性能不均衡，通过多作用力下传感节点运动学建模和多约束下传感节点三维虚拟力覆盖，减少了水下传感节点多重覆盖和覆盖空洞的现象，提高了水流作用下传感节点三维覆盖的性能。

技术领域

本发明属于利用传感节点对水下待监测区域进行网络覆盖的技术领域，具体涉及一种联合水流作用的传感节点三维覆盖控制方法。

背景技术

随着人类活动延伸到海洋勘测、污染控制、辅助导航以及战术监视等领域，构建水下传感网络成为执行水下任务的关键。水下传感网络主要由具有声学通信的节点组成，通过声链接组网实现多种监测任务。当前，对水下传感网络已经从水声信道、路由协议、能量管理拓展到目标定位及导航跟踪等方面，水下传感节点覆盖作为水下传感网络构建的基础，由于水声信道的开放性与水下三维环境的多变性，在实际部署时水下传感网络容易受到安全威胁和恶意攻击。不同于陆地传感节点固定部署或者由GPS进行标定基准坐标，水下传感节点受到重力和浮力等作用，尤其是水流水力的扰动使得部署规整的水下传感网络拓扑结构发生变形，从而出现水下传感网络整体覆盖不均衡的现象。

对水下传感节点受到水流作用漂移后，传感节点需要根据水下受力情况、传感节点当前位置以及传感节点与邻居节点的位置关系，自主调节其运动速度和方向从而达到最佳的网络覆盖。水下传感节点可以部署在水面环境，其坐标可由卫星信号进行标定和更新，但是，对于水下执行特定任务需要进行隐蔽时，传感节点无法由卫星信号进行坐标标定；水下传感节点可固定在水底环境，传感节点部署在水底的不规则面上，但是存在水中无法进行有效监测的问题；水下传感节点也可以部署在水中环境，但是由于受到水流水力作用发生漂移，从而无法保证水下传感网络的三维均衡覆盖。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明提供一种联合水流作用的传感节点三维覆盖控制方法，减弱了由于水流作用导致水下传感节点覆盖不均衡的现象，提高了水下传感节点的三维覆盖性能。

为了实现上述技术目的，本发明采用以下技术方案。

本发明的一种联合水流作用的传感节点三维覆盖控制方法，包括以下步骤：

步骤1.对水下传感节点受力进行建模，在重力、浮力、推力以及阻力的共同作用下，长时间水流作用下部分区域出现覆盖不均衡的现象，建立水下传感节点的漂移运动模型；

步骤2.由于存在传感节点与邻居传感节点、传感节点与障碍物以及传感节点与边界的不同情况，推导水下传感节点的三维虚拟力覆盖模型，结合移动步长驱使传感节点进行再覆盖。

进一步的，所述的步骤1具体过程包括：

1.1水下三维覆盖区域为L×W×H，其中L、W、H分别表示水下待监测区域长宽高；建立用于水下传感节点覆盖的三维坐标系，以水平向左为X轴正方向，垂直于X水平向上为Y轴正方向，垂直于XOY平面竖直向下为Z轴正方向；水下三维区域由传感节点AN_s＝[AN₁,AN₂,...,AN_i,...,AN_n]^T组成，其中AN_i表示每个传感节点，n表示传感节点的个数；而每个传感节点的三维坐标为AN_i＝[x_i,y_i,z_i]^T，传感节点受到水流水力作用坐标发生漂移，传感节点运动呈现不规则的脉动，传感节点的三维速度为传感节点的三维加速度为