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1、第5章 目标跟踪技术 第5章 目的跟踪技术 5.1 目的跟踪的根本原理及跟踪战略目的跟踪的根本原理及跟踪战略 设计要思索的问题设计要思索的问题 5.2 点目的跟踪点目的跟踪 5.3 面目的跟踪面目的跟踪 5.4 小结小结 第5章 目标跟踪技术 5.1 目的跟踪的根本原理及跟踪战略设计要思索的问题目的跟踪的根本原理及跟踪战略设计要思索的问题5.1.1 无线传感器网络中目的跟踪的根本原理无线传感器网络中目的跟踪的根本原理传感器网络由大量体积小、本钱低，具有感测、通讯、传感器网络由大量体积小、本钱低，具有感测、通讯、数据处置才干的传感器节点构成，并将大量的传感器节点部数据处置才干的传感器节点构成，并
2、将大量的传感器节点部署在监测区域内。自组织成网络后，经过多条路由将数据传署在监测区域内。自组织成网络后，经过多条路由将数据传输到数据中心，供用户运用。传感器网络体系通常包括传感输到数据中心，供用户运用。传感器网络体系通常包括传感器节点、会聚节点和管理节点。在不同的运用中传感器网络器节点、会聚节点和管理节点。在不同的运用中传感器网络节点的组成不同，但传感器节点都有传感器模块、处置器模节点的组成不同，但传感器节点都有传感器模块、处置器模块、无线通讯模块和能量供应模块，其中处置器大都选用嵌块、无线通讯模块和能量供应模块，其中处置器大都选用嵌入式入式CPU，通讯模块采用休眠，通讯模块采用休眠/唤醒机制
3、。各模块由一个微唤醒机制。各模块由一个微型操作系统控制。型操作系统控制。第5章 目标跟踪技术 传感器网络由大量部署在监测区域内的传感器节点组成，当有目的进入监测区域时，由于目的的辐射特性(通常是红外辐射特征)、声传播特征和目的运动过程中产生的地面震动特征，传感器会探测到相应的信号。我们假定把N个传感器节点部署在监控区域为S的区域内，网络总的延时为T。传感器最大探测半径为R。任一时辰t，当有目的以速度u进入传感器节点探测半径内时，传感器检测为“1；否那么检测为“0。当网络探测到目的后便开场利用特定的跟踪算法与通讯方式进展目的定位跟踪。第5章 目标跟踪技术 下面定性地讨论现有的三种跟踪战略，以比较
4、其跟踪目的的有效性、节能性以及网络寿命。(1) 完全跟踪战略：网络内一切探测到目的的传感器节点均参与跟踪。显然，这种战略耗费的能量很大，呵斥了较大的资源浪费，为数据交融与消除冗余信息添加了负担，但同时这种方法提供了较高的跟踪精度。(2) 随机跟踪战略：网络内每个节点以其概率参与跟踪，整个跟踪以平均概率进展跟踪。显然，这种战略由于参与跟踪的节点数目得到了限制，因此可以降低能量耗费，但是不能保证跟踪精度。第5章 目标跟踪技术 (3) 协作跟踪战略：网络经过一定的跟踪算法来适时启动相关节点参与跟踪。经过节点间相互协作进展跟踪，既能节约能量又能保证跟踪精度。显然，协作跟踪战略是跟踪算法的最好选择。第5
5、章 目标跟踪技术 为了对跟踪战略有一个根本的了解，首先简单阐明一个目的被跟踪的情况。假定一个物体进入了事先布置和组织好的无线传感器网络监测区域，假设感测信息超出了门限，这时每一个处于侦测形状的节点传感器都能探测到物体，然后把探测信息数据包发送给会聚节点。会聚节点从网络内搜集到数据后对信息进展交融，得出物体能否需求被跟踪的结论，假设目的确实需求被监控，传感器网络在监测区域内将运用一个跟踪运动目的的算法，随着目的的运动，跟踪算法将及时通知适宜的节点参与跟踪，简要过程如下：(1) 网络内节点以一定的时间间隔从休眠形状转换到监测形状，侦测能否有目的出现。第5章 目标跟踪技术 (2) 传感器节点检测到目
6、的进入探测范围后，经过操作系统唤醒通讯模块并向网络内广播信息包，记录下目的进入区域所继续的时间。信息包中含有传感器节点身份号码和传感器位置坐标以及目的在探测范围内继续的时间。(3) 当会聚节点接纳到K个节点发送的信息后，由目的跟踪公式计算出目的位置。(4) 会聚节点根据接纳到的信息和交融信息，经过运用跟踪算法启动相应的节点参与跟踪。(5) 当目的分开监测区域时，节点向会聚节点报告本人的位置信息以及目的在节点探测范围内所继续的时间。会聚节点综合历史数据和新信息构成目的的运动趋势。第5章 目标跟踪技术 5.1.2 无线传感器网络跟踪战略设计要思索的问题无线传感器网络跟踪战略设计要思索的问题传感器网
7、络跟踪目的涉及到目的探测、目的定位、通讯、传感器网络跟踪目的涉及到目的探测、目的定位、通讯、数据交融、跟踪算法的设计等很多方面的问题。在跟踪过程数据交融、跟踪算法的设计等很多方面的问题。在跟踪过程中，假设选择不适宜的节点参与跟踪，不但跟踪精度较低甚中，假设选择不适宜的节点参与跟踪，不但跟踪精度较低甚至有能够丧失目的，并且会过多地耗费不用要的能量。同时至有能够丧失目的，并且会过多地耗费不用要的能量。同时算法的优劣也直接影响着跟踪的效果。衡量一个跟踪战略能算法的优劣也直接影响着跟踪的效果。衡量一个跟踪战略能否具有较好的跟踪效果，需求思索以下问题：否具有较好的跟踪效果，需求思索以下问题：(1) 跟踪
8、精度。跟踪精度是目的跟踪中首先要思索的一跟踪精度。跟踪精度是目的跟踪中首先要思索的一个问题，当然也并不是跟踪精度越高就越好，精度越高意味个问题，当然也并不是跟踪精度越高就越好，精度越高意味着算法交融的数据越多，这样会添加能量耗费，所以还要结着算法交融的数据越多，这样会添加能量耗费，所以还要结合能量耗费，综合评价跟踪算法的优劣。合能量耗费，综合评价跟踪算法的优劣。第5章 目标跟踪技术 (2) 跟踪能量耗费。由于用无线传感器网络跟踪目的大都运用于实践环境，节点的能量耗费是一个非常关键的问题。因此要求传感器节点最好不但能贮藏能量(电池)，而且还要根据实践情况可以现场蓄能(太阳能)。跟踪过程中选择适宜
9、的节点参与跟踪需求思索该节点的通讯能量耗费、感测能量耗费和计算能量耗费，其中通讯能量耗费是最主要的部分。在设计思索跟踪算法时要综合衡量这几种能量耗费，找到适宜的比重，以满足较低的能量耗费，从而延伸节点和网络的寿命。第5章 目标跟踪技术 (3) 跟踪的可靠性。网络的可靠性对目的跟踪的质量有很大的影响。当前运用于目的跟踪的方法主要有集中式和分布式，集中式方法要求一切网络节点在探测到目的后都要向会聚节点发回探测结果，不但引入的通讯开销大，而且计算开销也添加很多，这样网络的可靠性下降很快。分布式方法是一种较好的选择，但是也要充分思索跟踪算法的鲁棒性，能顺应环境的变化，以加强网络的可靠性。(4) 跟踪的
10、实时性。在实践运用中跟踪的实时性是一个很重要的目的，实时性能主要由硬件性能、算法的详细设计以及网络拓扑等多方面决议，在硬件技术飞速开展的今天，算法的实时性与网络拓扑构造的选择便越发显得重要。第5章 目标跟踪技术 5.2 点点目目标跟跟踪踪5.2.1 双元双元检测协作跟踪作跟踪传感器感器节点具有体点具有体积小和价小和价钱低的特点，低的特点，它的它的传感器模感器模块功能比功能比较弱。下面引弱。下面引见最最简单的情况，即的情况，即传感器感器节点只能点只能进展双元展双元检测(binary-detection)时的目的跟踪。的目的跟踪。第5章 目标跟踪技术 1. 双元双元检测双元双元检测传感器只需两种感
11、器只需两种侦测形状，即目的形状，即目的处在在传感器感器侦测间隔之内或者之外。隔之内或者之外。图5-1给出了出了这种双元种双元传感器的模感器的模型，其中型，其中实心点表示心点表示传感器感器节点。点。对于于节点的点的侦测间隔隔R，当目的距当目的距传感器感器节点的点的间隔在隔在(R-e)之内之内时总会被会被检测到；到；当目的距当目的距节点点间隔在隔在(R+e)之外之外时不会被不会被检测到；当目的距到；当目的距节点点间隔在隔在(R-e)和和(R+e)之之间时以一定的概率被以一定的概率被检测到。到。通常情况下通常情况下e=0.1R。第5章 目标跟踪技术 图5-1双元检测传感器模型 第5章 目标跟踪技术
12、2. 基于双元检测的协作跟踪基于双元检测的协作跟踪双元检测传感器不能检测它到目的的间隔，只能判别目双元检测传感器不能检测它到目的的间隔，只能判别目的能否在侦测范围内。因此检测到目的的节点只能确定包含的能否在侦测范围内。因此检测到目的的节点只能确定包含目的的圆形区域，还需求多个节点协作才干确定目的的位置目的的圆形区域，还需求多个节点协作才干确定目的的位置信息。当目的进入侦测区域后，在节点足够密集的情况下，信息。当目的进入侦测区域后，在节点足够密集的情况下，任何时辰都有多个节点同时侦测到目的的位置区域。这些节任何时辰都有多个节点同时侦测到目的的位置区域。这些节点侦测范围的重叠区域是一个相对较小的区
13、域，目的就处于点侦测范围的重叠区域是一个相对较小的区域，目的就处于这个重叠区域内，这样，就能相对准确地确定目的位置。这个重叠区域内，这样，就能相对准确地确定目的位置。第5章 目标跟踪技术 由于目的运动具有随机性，要跟踪这样不规那么的运动轨迹非常困难。在不影响跟踪结果的条件下，假设目的在节点的侦测范围内匀速运动，从而将目的运动轨迹近似为一条折线。由于单个传感器节点的侦测范围比较小，这样的假设很接近目的的真实运动轨迹。经过大量节点的协作可以进一步提高跟踪精度。双元检测协作跟踪的根本过程如下：(1) 当节点侦测到目的进入侦测区域时，唤醒本身的通讯模块并向邻居节点广播检测到目的的音讯。音讯中包含节点I
14、D以及本身位置信息。同时该节点开场记录目的出现的继续时间。第5章 目标跟踪技术 (2) 假设节点检测到目的出现，同时接纳到两个或两个以上节点发送的通告音讯，那么节点计算目的位置。计算时采用目的在节点侦测范围内的继续时间作为权重。(3) 当目的分开侦测区域时，节点向会聚节点发送本人的位置信息以及目的在本人侦测区域内的继续时间信息。会聚节点根据已有的历史数据和当前获得的最新数据进展线性拟合，计算挪动目的的运动轨迹。第5章 目标跟踪技术 双元检测传感器虽然不能确定它到目的的间隔，却可确定目的在本人检测范围内的继续时间。如图5-2所示，假设挪动目的匀速运动，那么目的在监测区域内的继续时间越长，就阐明它
15、离节点越近，该节点的侦测数据也就越准确。因此检测到目的时间长的节点，它的数据应具有较大的权重。基于双元检测的协作跟踪适用于简单低廉的传感器节点，并经过大量密集部署节点保证跟踪精度，另外，该协作跟踪需求节点间的时钟同步，并要求节点知道本身的位置信息。第5章 目标跟踪技术 图5-2目的继续时间长度与计算权重的关系 第5章 目标跟踪技术 5.2.2 信息驱动协作跟踪信息驱动协作跟踪对挪动目的的侦测、分类、跟踪通常需求在传感器节点对挪动目的的侦测、分类、跟踪通常需求在传感器节点间进展协作。对节点跟踪数据的交融可以有效地提高跟踪精间进展协作。对节点跟踪数据的交融可以有效地提高跟踪精度。经过选择适宜的节点
16、进展协作能降低节点间的数据通讯度。经过选择适宜的节点进展协作能降低节点间的数据通讯量，从而节省节点能量和通讯带宽。协作跟踪的关键在于如量，从而节省节点能量和通讯带宽。协作跟踪的关键在于如何经过节点间交换跟踪信息实现对目的运动轨迹较为准确的何经过节点间交换跟踪信息实现对目的运动轨迹较为准确的跟踪，同时尽量减少节点的能量耗费。协作跟踪的关键问题跟踪，同时尽量减少节点的能量耗费。协作跟踪的关键问题包括确定让哪些节点进展跟踪，需求获取哪些侦测数据以及包括确定让哪些节点进展跟踪，需求获取哪些侦测数据以及节点间必需交换哪些信息。根据综合思索节点获得的跟踪信节点间必需交换哪些信息。根据综合思索节点获得的跟踪
17、信息的有效性和准确度，以及节点完成跟踪义务需求的能量代息的有效性和准确度，以及节点完成跟踪义务需求的能量代第5章 目标跟踪技术 价来决议哪些传感器节点应参与跟踪过程以及跟踪节点间的协作方式。信息驱动(information-driven)协作跟踪的中心思想就是传感器节点利用本人侦测到的信息和接纳到的其他节点的侦测信息判别目的能够的运动轨迹，唤醒适宜的传感器节点在下一时辰参与跟踪活动。由于运用了适宜的预测机制，信息驱动的协作跟踪可以有效地减少节点间的通讯量，从而节省节点有限的能量资源和通讯资源。第5章 目标跟踪技术 1信息驱动的协作跟踪方法信息驱动的协作跟踪方法由于目的运动轨迹没有规律，而且目的
18、还能够作加速或由于目的运动轨迹没有规律，而且目的还能够作加速或减速运动，因此经过预先选定的一些传感器节点进展目的跟减速运动，因此经过预先选定的一些传感器节点进展目的跟踪会产生一些问题。首先是不能保证有效的跟踪，其次是跟踪会产生一些问题。首先是不能保证有效的跟踪，其次是跟踪效率较低，有些不在目的运动轨迹附近的节点也要参与跟踪效率较低，有些不在目的运动轨迹附近的节点也要参与跟踪。为此，有些学者提出了基于信息驱动的协作跟踪方法，踪。为此，有些学者提出了基于信息驱动的协作跟踪方法，使传感器节点可以经过交换部分信息来选择适宜的节点检测使传感器节点可以经过交换部分信息来选择适宜的节点检测目的并传送信息。目
19、的并传送信息。图图5-3表示了一个信息驱动的协作跟踪实例。网络中包表示了一个信息驱动的协作跟踪实例。网络中包括两类传感器节点，分别装有角度传感器和间隔传感器。图括两类传感器节点，分别装有角度传感器和间隔传感器。图中的粗线表示目的穿过传感器网络的轨迹，虚线边境圆形中的粗线表示目的穿过传感器网络的轨迹，虚线边境圆形第5章 目标跟踪技术 区域为传感器节点的侦测范围，用户经过会聚节点(如图5-3中节点Q)查询目的跟踪信息，要求传感器网络每隔一段时间报告一次目的位置。任何时辰传感器网络中至少有一个节点处于活动形状，担任存放当前目的跟踪形状信息，这个节点称为跟踪节点。随着目的的挪动，当前跟踪节点担任唤醒并
20、将现有的跟踪信息传送给下一个跟踪节点。目的进入传感器区域时，离目的最近的节点a获得目的位置的初始估计值，并计算出下一时辰节点b进展跟踪时可以保证侦测数据的精度，使本人到节点b的通讯代价在规定的范围内，那么将获得的目的位置估计值传给节点b。b运用一样的规范选择下一个跟踪节点c，这个过程不断反复直到目的分开传感器网络侦测区域。每隔一段时间节点就将目的的位置信息前往给会聚节点。第5章 目标跟踪技术 图5-3 信息驱动的协作跟踪实例 第5章 目标跟踪技术 2. 跟踪节点的选择跟踪节点的选择信息驱动的协作跟踪的中心问题是如何选择下一时辰的信息驱动的协作跟踪的中心问题是如何选择下一时辰的跟踪节点。假设选择
21、了不适宜的节点，传感器网络能够会丧跟踪节点。假设选择了不适宜的节点，传感器网络能够会丧失跟踪目的或者产生多余的通讯代价。选取下一时辰最优跟失跟踪目的或者产生多余的通讯代价。选取下一时辰最优跟踪节点的战略需求综合思索该节点侦测数据对结果的影响以踪节点的战略需求综合思索该节点侦测数据对结果的影响以及当前节点到该节点的通讯代价，如何以较小的能量耗费代及当前节点到该节点的通讯代价，如何以较小的能量耗费代价来提高目的位置估计的准确性。价来提高目的位置估计的准确性。第5章 目标跟踪技术 1) 侦测精度评价结合附近传感器节点的数据，能提高当前目的位置估计结果的准确性。传感器节点并不是都能提供可靠的信息，而且
22、有些数据信息虽然有效，却是冗余的。因此就要寻觅一个最优化的节点子集，并且确定这些节点数据参与目的位置估计过程的最正确顺序。第5章 目标跟踪技术 经过计算传感器节点到当前目的的有效估测范围的均值，可以评价节点数据的有效性。假设目的位置的估计服从高斯分布，那么可以用不确定性椭圆表示。如图5-4所示，实线椭圆表示当前目的位置估计，虚线椭圆表示在下一时辰结合了传感器节点S1或S2的丈量值后的目的位置估计。结合传感器节点S1或S2的丈量值都能够提高对当前目的形状估计的准确性，但由于传感器节点S1，S2位置不同，得到的估计结果也不同。虽然分别结合这两个节点侦测数据后的估计结果都会减少不确定性椭圆的面积，但
23、大小不同，选择令椭圆面积更小的节点作为下一个跟踪节点。假设减少了一样面积，但假设结合节点S2侦测数据后不确定性椭圆依然有很长的长轴，而结合节点S1侦测数据后椭圆的长轴大大缩短，思索到高斯分布中不确定性椭圆的长轴越长那么表示不确定性越高，因此选取S1作为新的跟踪节点可以得到对目的位置更加准确的估计。第5章 目标跟踪技术 图5-4 基于信息增益的传感器选择 第5章 目标跟踪技术 2) 代价评价选择下一时辰的跟踪节点需求思索该节点的通讯代价、该节点获取目的位置信息的耗费代价以及该节点结合本身侦测结果和接纳到的侦测结果时的能量耗费。这三部分能量耗费分别是通讯能量耗费、感应能量耗费和计算能量耗费，其中通
24、讯能量耗费是主要部分。普通来说，对于传感特征一样的节点，相互间隔越近这些代价将越小。因此跟踪节点选择令目的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，将能以较小的能量耗费来提高目的位置估计的准确性。第5章 目标跟踪技术 基于信息驱动的目的跟踪方法在保证跟踪精度的同时尽量减少由于节点间不用要的通讯带来的能量耗费。衡量节点间的不确定性是估计一个节点能否能添加侦测精度的一种可行方法。而在思索节点跟踪精度的同时也要思索节点间能量耗费。如何更好地结合这两个要素是未来信息驱动跟踪中的一个重要问题。由于节点可以智能地决议后继跟踪节点，所以信息驱动的跟踪方法可以大幅地减少参与跟踪活动的节点数
25、量，从而减少整个网络的能量耗费。第5章 目标跟踪技术 5.2.3 传送树跟踪算法传送树跟踪算法目前大多数传感器网络跟踪算法都是集中式的，传感器目前大多数传感器网络跟踪算法都是集中式的，传感器节点需求把跟踪信息传送到数据中心去进展综合处置。本节节点需求把跟踪信息传送到数据中心去进展综合处置。本节引见的基于传送树的跟踪算法是一种分布式算法，节点只在引见的基于传送树的跟踪算法是一种分布式算法，节点只在本地搜集数据并经过部分节点交换信息以完成目的跟踪。本地搜集数据并经过部分节点交换信息以完成目的跟踪。传送树传送树(convey tree)是一种由挪动目的附近的节点组成是一种由挪动目的附近的节点组成的动
26、态树型构造，并且会随着目的的挪动，动态地添加或者的动态树型构造，并且会随着目的的挪动，动态地添加或者删除一些节点。挪动目的附近的节点经过传送树构造进展协删除一些节点。挪动目的附近的节点经过传送树构造进展协作跟踪，在保证对目的进展高效跟踪的同时减少节点间的通作跟踪，在保证对目的进展高效跟踪的同时减少节点间的通讯开销。讯开销。第5章 目标跟踪技术 图5-5表示经过传送树进展目的跟踪的过程。如图5-5(a)所示，目的进入侦测区域时，在探测到目的的传感器节点中选出一个根节点，并构造出初始传送树。传送树上每个节点周期性发出侦测信息，并传送到根节点。根节点搜集传送树上一切节点的侦测报告，进展数据交融处置，
27、并将处置结果发送到会聚节点。随着目的的挪动，传送树删除那些间隔目的越来越远的节点，唤醒目的挪动方向上的节点并将其参与传送树。当目的与根节点的间隔超越一定阈值时，需求重新选出根节点并重新构造传送树，如图5-5(b)所示。第5章 目标跟踪技术 图5-5基于动态传送树的目的跟踪第5章 目标跟踪技术 为了节省传感器节点的能量，传感器网络采用网格状的分簇构造。簇内节点周期性地担任簇头节点。当该网格没有侦测事件发生时，只需簇头节点处于任务形状，普通节点那么处于休眠形状。当挪动目的进入网格时，簇头节点担任唤醒单元格中的其他节点。传送树跟踪算法包括如下3个关键问题：当目的第一次出如今监视区域中时，构造一棵初始
28、传送树；随着目的的挪动对传送树进展调整；当根节点间隔目的超越阈值时重新选出根节点并重构传送树。第5章 目标跟踪技术 1. 初始传送树的建造初始传送树的建造当目的第一次进入传感器网络的侦测区域时，它附近的当目的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的，并且立刻唤醒网格内的其他节点。簇头节点会探测到目的，并且立刻唤醒网格内的其他节点。被唤醒的节点相互交换本人到目的的间隔，并选出当前间隔被唤醒的节点相互交换本人到目的的间隔，并选出当前间隔目的最近的节点作为传送树的根节点。假设几个节点到目的目的最近的节点作为传送树的根节点。假设几个节点到目的的间隔一样，就选择节点号小的节点作为根
29、节点。的间隔一样，就选择节点号小的节点作为根节点。第5章 目标跟踪技术 选举根节点的过程分为两个阶段：第一阶段中，每个任务节点都广播一个选举音讯给一切的邻居节点，选举音讯包括本节点到目的的间隔以及节点号信息。假设某个节点在一切邻居节点中到目的的间隔最短，那么该节点成为根节点的候选者；否那么，它就放弃竞选根节点并选择邻居中间隔目的最近的节点作为父节点。第二阶段，每个根节点候选者向整个网络广播胜利者音讯，胜利者音讯依然包括本人到目的的间隔以及节点号信息。假设某个候选者收到一个胜利者音讯，而且该胜利者到目的的间隔比本人到目的的间隔小，它就放弃竞选根节点并且选择转发胜利者音讯的节点作为父节点。最终选出
30、间隔目的最近的节点成为传送树的根节点，其他可以侦测到目的的节点都衔接至该传送树。第5章 目标跟踪技术 2. 传送树的调整传送树的调整由于目的的挪动，传送树上有些节点不再可以侦测到目由于目的的挪动，传送树上有些节点不再可以侦测到目的，而另外一些处于目的挪动方向上的节点需求参与传送树。的，而另外一些处于目的挪动方向上的节点需求参与传送树。当传送树上的节点发现本人不能侦测到目的时，向父节点发当传送树上的节点发现本人不能侦测到目的时，向父节点发出通告，父节点将其从传送树上删除。为了确定需求参与传出通告，父节点将其从传送树上删除。为了确定需求参与传送树的节点，目前提出了保守机制和预测机制两种方法。这送树
31、的节点，目前提出了保守机制和预测机制两种方法。这两种方法都由根节点计算需求添加的节点。两种方法都由根节点计算需求添加的节点。第5章 目标跟踪技术 在如图5-6(a)所示的保守机制中，到当前目的位置的间隔小于的节点都将包含在传送树中。其中，vt是目的当前的挪动速度，是一个全局参数，ds是节点监控区域的半径。这个方案假设目的以小于的速度向恣意方向挪动。为了令下一时辰凡侦测到目的的节点都位于传送树上，参数应该足够大。但假设过大，传送树将包含许多冗余节点。第5章 目标跟踪技术 为减少保守机制中的冗余节点，有些学者提出了一种预测机制。该机制假设可以经过一定的方向预测技术判别出目的未来的位置。只需处在预测
32、监控范围内的节点才干参与传送树。如图5-6(b)所示，只需那些到目的预测位置的间隔小于ds的节点才会参与传送树。由于目的的挪动方向不会频繁的改动，所以预测机制可以在大大减少冗余节点的同时保证对目的的跟踪。确定需求参与传送树的节点后，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。这些节点将选择本人邻居中到目的间隔最近的节点作为父节点。第5章 目标跟踪技术 图5-6 基于动态传送树的目的跟踪第5章 目标跟踪技术 3. 传送送树的重构的重构当目的到根当目的到根节点的点的间隔超越一定隔超越一定阈值时，需求重构，需求重构传送送树以保以保证对目的的跟踪。目的的跟踪。这个个阈值为dm
33、+a+vt。其中。其中dm表示最小的重构表示最小的重构间隔，隔，vt为t时辰的目的速度，辰的目的速度，a为一个小数。一个小数。重构重构传送送树仍旧按照上述算法仍旧按照上述算法选举间隔目的最近的隔目的最近的节点点作作为新的根新的根节点。当新的根点。当新的根节点点选出后，要出后，要进展根的迁移。展根的迁移。由于当前根由于当前根节点只知道新的根点只知道新的根节点离目的点离目的较近，所以原先的近，所以原先的根根节点先点先寻觅目的当前的目的当前的单元格，然后向元格，然后向该单元格的元格的头节点点发送迁移送迁移恳求。收到求。收到恳求后，求后，头节点把点把这个音个音讯发给新的根新的根节点。在根点。在根节点改
34、点改动后，网后，网络需求重构需求重构传送送树以使搜集各以使搜集各节点数据的能量耗点数据的能量耗费最小。新的根最小。新的根节点先广播一个重点先广播一个重组音音讯给第5章 目标跟踪技术 它的邻居。收到重组音讯的节点在重组信息包中参与本身的位置信息和与根节点通讯的代价信息，并继续广播。当其他任何节点收到重组音讯后，都等待一定的时间以便搜集一切发送给本人的重组音讯。然后，每个节点选择与根节点的通讯代价最小的邻居节点作为本人的父节点。这个过程将继续到监控区域内的一切节点都参与到树中为止。第5章 目标跟踪技术 传送树是传感器节点协作跟踪的一种可行方案，挪动目的附近的节点经过参与传送树将侦测信息会聚到树根节
35、点。经过添加和删除适当的节点以及重构传送树，可以保证对目的的有效跟踪。选择间隔目的最近的节点作为根节点，并且每个节点只将本人的数据传送给父节点，从而降低了数据传输的冗余性。运用分簇的拓扑构造也减少了整个网络的能量耗费。但是根节点需求进展数据交融和新节点的计算，能量耗费比较大。第5章 目标跟踪技术 5.3 面面目目标跟跟踪踪传感器网感器网络跟踪中，很多情况下需求跟跟踪中，很多情况下需求跟踪面踪面积较大的目的，例如森林火灾中火灾大的目的，例如森林火灾中火灾边缘的推的推进轨迹，台迹，台风的行的行进道路等。在道路等。在这种种情况下情况下仅仅经过部分部分节点的点的协作无法作无法侦测到到完好的目的挪完好的
36、目的挪动轨迹，迹，为此有些学者提出运此有些学者提出运用用对偶空偶空间转换的方法决的方法决议由哪些由哪些节点参与点参与跟踪，以保跟踪，以保证对目的挪目的挪动轨迹的完好迹的完好侦测。第5章 目标跟踪技术 5.3.1 对偶空偶空间转换思索初始二思索初始二维空空间的直的直线，它由和两个参数独一确定，它由和两个参数独一确定，其中表示斜率，表示截距。定其中表示斜率，表示截距。定义这条直条直线的两个参数在初始的两个参数在初始空空间的的对偶空偶空间中用点表示。同中用点表示。同样地，初始空地，初始空间中的点中的点(a，b)定定义了了对偶空偶空间中的一条直中的一条直线=a+b。这是一个一一是一个一一映射关系，如映
37、射关系，如图5-7所示。所示。第5章 目标跟踪技术 图5-7初始空间与对偶空间的映射关系第5章 目标跟踪技术 假设将面积较大的目的看成一个半平面，那么它的边境就是一条直线。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，将目的的边境映射为对偶空间中的一个点。这样，在初始空间中无规律分布的传感器节点在对偶空间中便成为许多相交的直线，并将对偶空间划分为众多子区域，而跟踪目的的边境映射到对偶空间中那么是一个点，并处于某个子区域中，如图5-8所示。这个子区域对应的几条相交直线就是离目的最近的传感器节点，再经过到初始空间的逆变换确定此时需求的跟踪节点。第5章 目标跟踪技术 图5-8对偶空间映
38、射 第5章 目标跟踪技术 经过对偶跟踪的方法，跟踪问题转换为在对偶空间中寻觅包括目的边境映射点的子区域。当目的挪动时，映射点会进入其他子区域，这时需求唤醒新区域中的节点进展跟踪，而让原有区域中不再属于新区域的节点转入休眠形状。第5章 目标跟踪技术 5.3.2 对偶空偶空间跟踪算法跟踪算法假假设传感器感器节点知道本人能否点知道本人能否处于跟踪目的的半平面内，于跟踪目的的半平面内，并且并且处于于该半平面内的半平面内的节点将本人点将本人标志志为0，不在，不在该半平面半平面内的内的节点将本人点将本人标志志为1。如。如图5-9所示，假所示，假设节点点P1坐坐标为(x1，y1)，目的，目的边缘L的方程的方
39、程为y=ax+b，由于点，由于点P1处于直于直线L上方，因此有上方，因此有 (5-1) 当当节点点P1和直和直线L都映射到都映射到对偶空偶空间后，后，P1对应直直线y=x1x+y1，对应坐坐标点点(-a，b)，因此有，因此有 (5-2) 第5章 目标跟踪技术 图5-9 节点与目的边缘关系第5章 目标跟踪技术 即在对偶空间中，点P1处于直线L的下方。每个节点都进展这样的计算，从而可以得到一组线性不等式，经过这组线性不等式可以计算出目的映射点在对偶空间中的子区域。对偶空间跟踪算法是一种集中式算法，需求一个计算中心计算当前需求的跟踪节点，并向这些节点发出指令。只需那些包含映射点的传感器节点才需求被激
40、活。经过数学方法可以证明，在由恣意多个传感器节点构成的任何直线集合中，确定一个子区域的平均直线数量至多是4个。所以对偶空间跟踪算法需求较少的跟踪节点就能完成跟踪义务，从而有效地节省能量。第5章 目标跟踪技术 仅经过部分传感器节点的协作很难有效地跟踪大面积目的。经过将侦测目的转换为寻觅目的边境的行进轨迹，可以有效地简化跟踪目的的难度。利用对偶空间转换，将边境变换为点，将传感器节点转换为直线，可以有效地确定跟踪节点。但是这种方法需求一个中心节点来实现算法并进展调度，增大了网络传输负载，也缺乏足够的实时性。第5章 目标跟踪技术 5.4 小小 结结当前的目的跟踪算法主要针对不同环境当前的目的跟踪算法主
41、要针对不同环境下的单目的跟踪。如何以最低的能量代价高下的单目的跟踪。如何以最低的能量代价高效地交融有效信息是各种算法的中心问题。效地交融有效信息是各种算法的中心问题。假设要提高目的跟踪精度，必然需求交融较假设要提高目的跟踪精度，必然需求交融较多节点的数据，这就会带来较高的能量开销。多节点的数据，这就会带来较高的能量开销。而假设要节省能量，就只能在有限范围内进而假设要节省能量，就只能在有限范围内进展通讯和计算，那么结果精度就会遭到影响。展通讯和计算，那么结果精度就会遭到影响。实践中需求根据对结果准确度的要求和能量实践中需求根据对结果准确度的要求和能量耗费等方面进展综合思索，以选择适宜的跟耗费等方面进展综合思索，以选择适宜的跟踪战略。踪战略。第5章 目标跟踪技术 传感器网络目的跟踪涉及目的检测、定位、运动轨迹预测、预警等重要问题。在研讨过程中需求综合思索传感器网络的自治性、低存储和计算才干、数据传送的鲁棒性、通讯延迟、可靠性等特点，并要在节省能耗、增大丈量精度、延伸生存期等性能目的的提高上进展更深化的研讨。
