[发明专利]无线传感器网络未知传感器节点的定位方法

摘要

本发明涉及无线传感器网络定位技术，具体为无线传感器网络未知传感器节点的定位方法。解决现有基于测距的定位算法定位精度低及算法复杂的问题。本发明所述方法先利用节点间接收到的信号强度值转化为节点间距离值，通过公边比例定理原理，利用未知节点周围任意3个信标节点A、B、C，求出未知节点的四个可能的坐标，并对其进行判定，最终采用万有引力搜索算法（GSA）进行优化，确定未知节点坐标完成定位。本发明所述方法提高了算法的精度，降低了算法的复杂度，减少了节点的能量消耗，延长了节点的生命周期。

主权项

1.一种无线传感器网络未知传感器节点的定位方法，其特征在于，是由如下步骤实现的：Z1：未知节点P接收周围信标节点的信号，并将接收到的信号强度值转化为未知节点和信标节点之间的距离值；Z2：设定该未知节点P接收到信号的信标节点数量为m，m≥3，以任3个位置不共线的信标节点为一组，一共k组；Z3：从第一组信标节点一直到第k组信标节点依次计算未知节点P的坐标，一共得到k个坐标，分别表示为(xP1,yP1)，……(xPk,yPk)；选取其中第u组信标节点，u取值为1到k，将该组信标节点设定为A、B、C，计算出未知节点P的第u个坐标(xPu,yPu)，为上述k个坐标之一；3个信标节点A、B、C将整个平面划分成四个区域：区域1：ΔABC区域；区域2：∠BAC区域除去ΔABC区域剩余的区域及其对顶角区域；区域3：∠ACB区域除去ΔABC区域剩余的区域及其对顶角区域；区域4：∠ABC区域除去ΔABC区域剩余的区域及其对顶角区域；Z4：采集第u组三个信标节点A、B、C的坐标A(xA,yA)，B(xB,yB)，C(xC,yC)；计算信标节点A到信标节点B之间的距离LAB；计算信标节点B到信标节点C之间的距离LBC；计算信标节点A到信标节点C之间的距离LAC；根据步骤Z1所得到的未知节点P到信标节点A之间的距离记为LPA，未知节点P到信标节点B之间的距离记为LPB；未知节点P到信标节点C之间的距离LPC；Z5：判断未知节点P、信标节点A、信标节点B、信标节点C的相对位置：a)判断未知节点P是否在直线AB、直线BC、直线AC上：当LAB＝LPA+LPB或LAB＝|LPA‑LPB|时，未知节点P位于直线AB上，当LAB＝LPA+LPB时，未知节点P位于线段AB之间LAB＝LPA‑LPB时，未知节点P位于线段AB延长线上LAB＝LPB‑LPA时，未知节点P位于线段BA延长线上当LAC＝LPC+LPA或LAC＝|LPC‑LPA|时，未知节点P位于直线AC上，当LAC＝LPC+LPA时，未知节点P位于线段AC上当LAC＝LPC‑LPA时，未知节点P位于线段CA延长线当LAC＝LPA‑LPC时，未知节点P位于线段AC延长线当LBC＝LPC+LPB或LBC＝|LPC‑LPB|时，未知节点P位于直线BC上，当LBC＝LPC+LPB时，未知节点P位于线段BC上当LBC＝LPC‑LPB时，未知节点P位于线段CB延长线上当LBC＝LPB‑LPC时，未知节点P位于线段BC延长线上b)当P点不在直线AB、直线BC、直线AC上时，满足公式SΔABC＝SΔPAB+SΔPAC+SΔPBC，未知节点P位于ΔABC区域内，未知节点P在区域1；满足公式SΔPAB+SΔPAC＝SΔABC+SΔPBC或者满足公式SΔPBC＝SΔPAB+SΔABC+SΔPAC，未知节点P位于∠BAC区域除去ΔABC区域剩余的区域及其对顶角区域内，未知节点P在区域2；满足公式SΔPAC+SΔPBC＝SΔABC+SΔPAB或者满足公式SΔPAB＝SΔPAC+SΔABC+SΔPBC，未知节点P位于∠ACB区域除去ΔABC区域剩余的区域及其对顶角区域内，未知节点P在区域3；满足公式SΔPBC+SΔPAB＝SΔABC+SΔPAC或者满足公式SΔPAC＝SΔPBC+SΔABC+SΔPAB，未知节点P位于∠ABC区域除去ΔABC区域剩余的区域及其对顶角区域内，未知节点P在区域4；其中S为采用海伦公式算出的相应三角形的面积，S下标中的三个字母为三角形的三个顶点；Z6：未知节点P第u个坐标(xPu,yPu)的计算公式如下：a)当P点在直线AB、直线BC、直线AC上时，当LAB＝LPA+LPB或LAB＝|LPA‑LPB|时，未知节点P位于直线AB上，当LAB＝LPA+LPB时，未知节点P位于线段AB之间，未知节点P第u个坐标(xPu,yPu)当LAB＝LPA‑LPB时，未知节点P位于线段AB延长线上，未知节点P第u个坐标(xPu,yPu)当LAB＝LPB‑LPA时，未知节点P位于线段BA延长线上，未知节点P第u个坐标(xPu,yPu)当LAC＝LPC+LPA或LAC＝|LPC‑LPA|时，未知节点P位于直线AC上，当LAC＝LPC+LPA时，未知节点P位于线段AC上，未知节点P第u个坐标(xPu,yPu)当LAC＝LPC‑LPA时，未知节点P位于线段CA延长线，未知节点P第u个坐标(xPu,yPu)当LAC＝LPA‑LPC时，未知节点P位于线段AC延长线，未知节点P第u个坐标(xPu,yPu)当LBC＝LPC+LPB或LBC＝|LPC‑LPB|时，未知节点P位于直线BC上，当LBC＝LPC+LPB时，未知节点P位于线段BC上，未知节点P第u个坐标(xPu,yPu)当LBC＝LPC‑LPB时，未知节点P位于线段CB延长线上，未知节点P第u个坐标(xPu,yPu)当LBC＝LPB‑LPC时，未知节点P位于线段BC延长线上，未知节点P第u个坐标(xPu,yPu)b)当P点不在直线AB、直线BC、直线AC上时，设A'是直线PA与直线BC的交点、B'是直线BP与直线AC的交点、C'是直线PC与直线AB的交点；kBC代表直线BC的斜率的符号，若直线BC的斜率大于等于0，则kBC＝1，若直线BC的斜率小于0，则kBC＝‑1；kAB代表直线AB的斜率的符号，若直线AB的斜率大于等于0，则kAB＝1，若直线AB的斜率小于0，则kAB＝‑1；kAC代表直线AC的斜率的符号，若直线AC的斜率大于等于0，则kAC＝1，若直线AC的斜率小于0，则kAC＝‑1；1)当未知节点P位于区域1时，利用公边比例定理可得：由直线PA与直线BC交于A'，有：A'点的坐标表示为：直线PB与直线AC交与B'，有：B'点的坐标表示为：直线PC与直线AB交于C'，有：C'点的坐标表示为：2)当未知节点P位于区域2时，利用公边比例定理可得：直线PA与直线BC交于A'，有：A'点的坐标表示为:直线PB与直线AC交与B'，有：B'点的坐标表示为:直线PC与直线AB交于C'，有：C'点的坐标表示为:3)当未知节点P位于区域3时，利用公边比例定理可得：直线PA与直线BC交与A'，有：A'点的坐标表示为:直线PB与直线AC交于B'，有：B'点的坐标表示为:直线PC与直线AB交于C'，有：C'点的坐标表示为:4)当未知节点P位于区域4时，利用公边比例定理可得：直线PA与直线BC交于A'，有：A'点的坐标表示为:直线PB与直线AC交于B'，有：B'点的坐标表示为:直线PC与直线AB交与C'，有：C'点的坐标表示为:设直线AA'与直线BB'的交点为(xPu1,yPu1)，直线AA'和直线CC'的交点为(xPu2,yPu2)，直线BB'和直线CC'的交点为(xPu3,yPu3)；设：分别计算(xPu1,yPu1)、(xPu2,yPu2)、(xPu3,yPu3)、(xPu4,yPu4)的距离差值d(i)，i为1、2、3、4，取d(i)的最小值对应的坐标作为未知节点P第u个坐标(xPu,yPu)，Z7：采用基于万有引力搜索算法对得到的k个坐标(xp1,yp1)，……(xpk,ypk)进行优化，得到优化后的未知节点P的坐标：所述的万有引力搜索算法的适应度函数为：式中坐标(xs,ys)代表k个坐标(xp1,yp1)，……(xpk,ypk)中的任一个坐标，坐标(xi,yi)为m个信标节点中的任一个的坐标；de(i,P)代表步骤Z1中所述的第i个信标节点到未知节点P的距离值；在得到的k个适应度函数值F(s)中，选用最小值，即与F(s)的最小值对应的坐标作为优化后的未知节点P的坐标。