无线传感器网络目标跟踪技术课件

无无无无线传线传感器网感器网感器网感器网络络目目目目标标跟踪技跟踪技跟踪技跟踪技术术无线传感器网络的支撑技术无线传感器网络的支撑技术目标跟踪技术21937 年世界上出现第一部跟踪雷达站SCR-28。传统的单传感器单目标跟踪 单传感器多目标跟踪 多传感器多目标跟踪目标跟踪技术在军事和民用领域都有着重要的应用价值3无线传感器网络在目标跟踪应用中的优势(1)跟踪更精确(2)跟踪更可靠(3)跟踪更及时(4)跟踪更隐蔽(5)低成本(6)低耗能4无线传感器网络在应用于目标跟踪系统的不利因素传感器节点能量有限目标跟踪准确性与网络能量耗费之间的矛盾必须采用协作跟踪算法新技术5.1 目标跟踪的基本原理及跟踪策略设计要考虑的问题6无线传感器网络中目标跟踪的基本原理传感器网络 监测区域内 大量节点当目标进入监测区域时，根据目标的辐射特性，传感器会探测到相应的信号红外辐射声传播目标运动过程中产生的地面震动当网络探测到目标后便开始利用特定的跟踪算法、通信、目标定位跟踪。7三种跟踪策略完全跟踪策略随机跟踪策略协作跟踪策略8三种跟踪策略-完全跟踪策略网络内所有探测到目标的传感器节点均参与跟踪。缺点：消耗的能量很大资源浪费较大给“数据融合与消除冗余信息”的处理任务 增加了负担优点：较高的跟踪精度9三种跟踪策略-随机跟踪策略网络内每个节点以概率参与跟踪优点：降低能量消耗缺点：不能保证跟踪精度。10三种跟踪策略-协作跟踪策略网络通过一定的跟踪算法来适时启动相关节点参与跟踪，通过节点间相互协作进行跟踪。优点：既节约能量，又能保证跟踪精度。11目标跟踪过程(1)网络内节点以一定的时间间隔从睡眠状态转换到监测状态，侦测是否有目标出现;(2)传感器节点检测到目标进入探测范围后，通过操作系统唤醒通信模块并向网络内广播信息包，记录下目标进入区域所持续的时间;(3)当汇聚节点接收到K 个节点发送的信息后，由目标跟踪公式计算出目标位置;(4)汇聚节点根据接收到的信息和融合信息，使用跟踪算法启动相应节点参与跟踪;(5)当目标离开“节点监测区域”时，节点向汇聚节点报告自己的位置信息以及目标在节点探测范围内所持续的时间;(6)汇聚节点综合历史数据和新信息形成目标的运动趋势。12跟踪策略设计要考虑的问题传感器网络的目标跟踪涉及到目标探测、目标定位、通信、数据融合等很多方面的问题。选择合适的节点参与跟踪跟踪算法的优劣13跟踪策略的衡量指标1.跟踪精度精度越高，消耗越大需要融合的数据越多2.跟踪能量消耗可以现场蓄能 太阳能电池跟踪过程中选择合适的节点参与跟踪要综合衡量考虑节点的各种个功能模块能量消耗14跟踪策略的衡量指标3.跟踪的可靠性4.跟踪的实时性主要由硬件性能、算法算法的具体设计以及网络拓扑网络拓扑等多方面决定。155.2 点目标跟踪5.2.1 双元检测协作跟踪双元检测传感器 只有两种侦测状态:目标处在传感器侦测距离之内或者之外。16双元检测传感器模型实心点表示传感器节点节点的侦测半径：R 距离在(R-e)之内时总会被检测到;距离在(R+e)之外时不会被检测到;距离在(R-e)和(R+e)之间时以一定的概率被检测到。通常情况下e=0.1R 17基于双元检测的协作跟踪双元检测传感器不能检测到目标的距离，只能判断目标是否在侦测范围内当目标进入侦测区域后，在节点足够密集的情况下，任何时刻都有多个节点同时侦测到目标的位置区域目标就处于多个节点侦测范围的重叠区域内18双元检测协作跟踪的基本过程:1.节点侦测到目标进入侦测区域：唤醒自身的通信模块向邻居节点广播检测到目标的消息节点ID+自身位置信息，同时节点记录目标出现的持续时间2.如果节点检测到目标出现，同时接收到两个或两个以上节点发送的通告消息，则计算目标位置19双元检测协作跟踪的基本过程:3.当目标离开侦测区域时，节点向汇聚节点发送自己的位置信息以及目标在自己侦测区域内的持续时间信息4.汇聚节点根据已有历史数据和当前获得的最新数据，计算移动目标的运动轨迹。20基于双元检测的协作跟踪一般，目标在节点侦测范围内的持续时间越长，表明目标离节点越近21基于双元检测的协作跟踪优点：用于简单低廉的传感器节点能保障跟踪精度大量密集部署节点限制：节点间需时钟同步要求节点知道自身的位置信息225.2.2 信息驱动协作跟踪信息驱动协作跟踪的关键问题:确定让哪些节点进行跟踪235.2.2 信息驱动协作跟踪信息驱动协作跟踪的核心思想：传感器节点利用自己侦测到的信息和接收到的其他节点的侦测信息判断目标可能的运动轨迹；唤醒合适的传感器节点在下一时刻参与跟踪活动。使用了预测机制24基于信息驱动的协作跟踪实例1.两类传感器节点:分别装有角度传感器和距离传感器；2.粗箭头:目标的移动轨迹3.虚线边界圆形区域:节点的侦测范围4.汇聚节点(节点Q):用户通过查询目标跟踪信息距离传感器角度传感器25要点任何时刻至少有一个节点处于活动状态，负责存放当前目标跟踪状态信息，这个节点称为跟踪节点。随着目标的移动，当前跟踪节点负责唤醒并将现有的跟踪信息传递给下一个跟踪节点。距离传感器角度传感器26跟踪过程1.目标进入传感器区域时，离目标最近的节点a 获得目标位置的初始估计值计算下一个跟踪节点为节点b将获得的目标位置估算值传给节点b2.节点b 选择下一个跟踪节点c 3.这个过程不断重复，直到目标离开传感器网络侦测区域距离传感器角度传感器信息驱动协作跟踪27选择跟踪节点信息驱动的协作跟踪的核心问题:如何选择下一时刻的跟踪节点。选择的依据：备选节点的侦测数据对结果的精度和有效性影响当前节点到备选节点的通信代价28选择跟踪节点的方法方法一 侦测精度评估方法二 代价评估29选择跟踪节点的方法-侦测精度评估1.假设目标位置的估计，可以用不确定性椭圆表示。实线椭圆：表示当前目标位置估计虚线椭圆：表示在下一时刻结合了传感器节点S1或S2的测量值后的目标位置估计l选择下一个跟踪节点的依据：1）选择令椭圆面积更小的节点作为下一个跟踪节点。2）若减少了相同面积，选择使椭圆的长轴较短的节点30选择跟踪节点的方法-代价评估选择下一时刻的跟踪节点需要考虑：节点的通信代价、节点获取目标位置信息的消耗代价以及该节点结合“自身侦测结果和接收到的侦测结果”时的能量消耗。选择使“目标位置估计不确定性椭圆面积”减少最多的邻居节点作为下一个跟踪节点。邻居节点间的距离近，通信能量消耗代价将越小可提高目标位置估计的精度31选择跟踪节点的方法选择使“目标位置估计椭圆面积”减少最多的邻居节点作为下一个跟踪节点邻居节点间的距离近通信能量消耗代价小可提高目标位置估计的精度325.2.3 传送树跟踪算法传送树(convey tree)是一种由移动目标附近的节点组成的动态树型结构，并且会随着目标的移动动态地添加或者删除一些节点移动目标附近的节点通过传送树结构进行协作跟踪33传送树进行目标跟踪的过程1)目标进入侦测区域时，在探测到目标的传感器节点中选举一个根节点，并构造出初始传送树。2)传送树上每个节点周期性发出侦测信息，并传送到根节点。3)根节点收集传送树上所有节点的侦测报告，进行数据融合处理，并将处理结果发送到汇聚节点。4)随着目标的移动，传送树删除那些距离目标越来越远的节点，并且唤醒目标移动方向上的节点将其加入传送树。34传送树进行目标跟踪的过程当目标与根节点的距离超过一定阈值时，需要重新选举根节点并重新构造传送树。35传送树跟踪算法的关键问题:(1)当目标第一次出现在监视区域中时，构造一棵初始传送树(2)随着目标的移动对传送树进行调整(3)当根节点距离目标超过阈值时重新选举根节点并重构传送树37 建造初始传送树1.当目标第一次进入传感器网络的侦测区域时，它附近的簇头节点会探测到目标，并且立刻唤醒网格内的其他节点。2.被唤醒的节点相互交换自己到目标的距离，并选举当前距离目标最近的节点作为传送树的根节点。如果几个节点到目标的距离相同，就选择节点号小的节点作为根节点。38选举根节点的过程分为两个阶段第1阶段：(1)每个工作节点都广播一个选举消息(本节点到目标的距离以及节点号)给所有的邻居节点(2)如果某个节点在所有邻居节点中到目标的距离最短，则该节点成为“根节点的候选者”；否则，它就放弃竞选根节点并选择邻居中距离目标最近的节点作为父节点;39选举根节点的过程分为两个阶段第2阶段：(1)每个根节点候选者候选者向整个网络广播胜利者消息(包括自己到目标的距离以及节点号信息)。(2)如果某个根节点候选者收到一个胜利者消息，而且该胜利者到目标的距离比自己到目标的距离小，它就放弃竞选根节点并且选择转发胜利者消息的节点作为父节点。40传送树的调整删除节点当传送树上的节点发现自己不能侦测到目标时，向父节点发出通告，父节点将其从传送树上删除。41传送树的调整-添加新的跟踪节点由根节点计算需要增加的新跟踪节点。根节点向这些节点所在网格的簇头节点发送通告信息，并由簇头节点唤醒它们。新跟踪节点将选择自己邻居中到目标距离最近的节点作为父节点。有保守机制和预测机制两种方法42传送树的调整-添加新的跟踪节点保守机制设：Vt：目标当前的移动速度：一个全局参数 ds：节点监控区域的半径假设目标以小于vt+的速度向任意方向移动到当前目标位置的距离小于ds+vt+的节点都将包含在传送树中参数应足够大 缺点：传送树将包含许多冗余节点ds+vt+43传送树的调整-添加新的跟踪节点预测机制预测机制假设可以通过一定的方向预测技术判断出目标未来的位置，只有处在预测监控范围内的节点才能加入传送树。只有到下一个时刻目标的预测位置的距离小于探测半径ds 的节点才会加入传送树。优点：减少冗余节点t+1时刻 目标的预测位置44传送树的重构当目标到根节点的距离超过一个阈值时，需要重构传送树以保证对目标的跟踪。45传送树的重构-根节点的迁移选举距离目标最近的节点作为新的根节点当新的根节点选出后，要进行根的迁移原先的根节点先寻找目标当前的网格，然后向该网格的簇头节点发送迁移请求；收到请求后，簇头节点把这个消息发给新当选的根节点46传送树的重构-把其他节点加入重构传送树在根节点改变后，要重构传送树以使收集各节点数据的能量消耗最小。1)新的根节点先广播一个重组消息给它的邻居。2)收到重组消息的节点在重组信息包中加入自身的位置信息和与根节点通信的代价信息，并继续广播。3)其余任何节点收到重组消息后，都等待一定的时间以便收集所有发送给自己的重组消息。4)每个节点选择与根节点的通信代价最小的邻居节点作为自己的父亲节点。47传送树跟踪算法的优点1.可以保证对目标的有效跟踪。2.选择距离目标最近的节点作为根节点，并且每个节点只将自己的数据传送给父节点，从而降低了数据传输的冗余性。3.使用分簇的拓扑结构也减少了整个网络的能量消耗。传送树跟踪算法的缺点根节点能量消起比较大。485.3 面目标跟踪5.3.1 对偶空间转换考虑初始二维空间的直线y=x+，由 和 两个参数唯一确定，其中 表示斜率，表示截距。定义这条直线在初始空间的对偶空间中用点(-,)表示。定义初始空间中的点(a,b)的用对偶空间中的一条直线=a+b。49对偶空间转换对偶空间变换就是将每个传感器节点映射为对偶空间中的一条直线，将面目标的边界映射为对偶空间中的一个点。通过对偶跟踪的方法，跟踪问题转换为在对偶空间中寻找包围了目标边界映射点的子区域。50利用对偶空间转换，将边界变换为点，将传感器节点转换为直线，能够有效地确定跟踪节点。缺点：需要一个中心节点来实现算法并进行调度，增大了网络传输负载，也缺乏足够的实时性。5253谢谢大家！