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        一種適用于礦下人員定位的改進(jìn)DV-Hop算法

        2012-11-24 02:17:46周勝梅黃廷磊
        關(guān)鍵詞:區(qū)域

        張 琪,周勝梅,黃廷磊

        (桂林電子科技大學(xué),廣西 桂林541004)

        隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的飛速發(fā)展,通信技術(shù)及無線定位技術(shù)也迅速發(fā)展起來。伴隨信息時(shí)代的到來,無線定位技術(shù)被廣泛應(yīng)用于人員定位、救援等領(lǐng)域。我國(guó)礦難頻繁發(fā)生,這為國(guó)家和人民帶來了巨大的損失,所以礦下救援成為國(guó)家和煤礦企業(yè)非常重視的一個(gè)問題。礦下救援主要是對(duì)礦下人員的救援,其過程主要是確定礦下人員的準(zhǔn)確位置。無線定位技術(shù)的發(fā)展為礦下救援帶來了方便,它能大大加快救援速度。現(xiàn)有的定位技術(shù)在實(shí)際應(yīng)用中還有待研究,為了進(jìn)一步改善其技術(shù),定位算法的選擇至關(guān)重要。現(xiàn)有的定位算法有基于距離的算法(RSSI、TOA/TDOA和 AOA)和非基于距離的算法(質(zhì)心、DV-Hop、APIT、Amorphous、凸規(guī)劃)。

        DV-Hop節(jié)點(diǎn)定位算法由于對(duì)信標(biāo)節(jié)點(diǎn)比例要求較少,定位精度較高,從而可大大降低網(wǎng)絡(luò)的布置成本。以往對(duì)DV-Hop算法的改進(jìn)有:結(jié)合ZigBee技術(shù)來組建無線通信網(wǎng)絡(luò);與加權(quán)質(zhì)心相結(jié)合;與RSSI算法結(jié)合等。文本在分析DV-Hop算法的誤差成因后,在保留其算法簡(jiǎn)單、不依賴于測(cè)距誤差優(yōu)點(diǎn)的基礎(chǔ)上對(duì)其進(jìn)行了改進(jìn)。本文根據(jù)礦上地理位置進(jìn)行劃分范圍,以縮小查找未知節(jié)點(diǎn)的單位來提高定位精度。

        1 DV-Hop定位算法

        1.1 DV-Hop算法的基本思想

        DV-Hop算法由Niculescu等人提出,其基本思想是將未知節(jié)點(diǎn)和錨節(jié)點(diǎn)之間的距離用兩者之間的跳數(shù)和最近錨節(jié)點(diǎn)的平均跳距的乘積表示,當(dāng)未知節(jié)點(diǎn)獲得與3個(gè)或更多錨節(jié)點(diǎn)的距離時(shí)進(jìn)行三邊測(cè)量定位。其具體過程分為以下三步:

        (1)通過節(jié)點(diǎn)之間的信息交換,使網(wǎng)絡(luò)中的每個(gè)未知節(jié)點(diǎn)獲取到信標(biāo)節(jié)點(diǎn)的最小跳數(shù)。

        (2)在已知信標(biāo)節(jié)點(diǎn)的位置和它們到未知節(jié)點(diǎn)的最小跳數(shù)后,利用式(1)計(jì)算出網(wǎng)絡(luò)中平均每跳的距離,然后計(jì)算未知節(jié)點(diǎn)到每個(gè)信標(biāo)節(jié)點(diǎn)的跳段距離。

        其中,(xi,yi)、(xj,yj)為信標(biāo)節(jié)點(diǎn) i、j的坐標(biāo),hj為信標(biāo)節(jié)點(diǎn) i與 j(i≠j)之間的跳段數(shù)。

        (3)未知節(jié)點(diǎn)在獲得3個(gè)或3個(gè)以上到信標(biāo)節(jié)點(diǎn)的跳段距離時(shí),利用三邊測(cè)量公式法(如式(2)所示)或極大似然估計(jì)值法計(jì)算出未知節(jié)點(diǎn)的坐標(biāo)。

        1.2 DV-Hop算法的舉例基本思想

        如圖 1所示,如果 A、B、C為信標(biāo)節(jié)點(diǎn),第(1)步泛洪后可得到跳數(shù),根據(jù)它們的坐標(biāo)和跳數(shù)計(jì)算出相互間的距離,進(jìn)一步計(jì)算出平均每跳的距離:A為(20+40)/(3+5)=7.5;B 為(20+30)/(3+3)=8.33;C 為(30+40)/(3+5)=8.75。它們向其鄰居節(jié)點(diǎn)發(fā)送該平均距離,最后未知節(jié)點(diǎn)P得到的平均距離是最小跳數(shù)對(duì)應(yīng)的信標(biāo)節(jié)點(diǎn)B的平均每跳距離,即8.33,則 P到各個(gè)節(jié)點(diǎn)的距離為:P到A 為 8.33×2=16.66;P到 B 為 8.33×1=8.33;P到 C 為8.33×3=24.99,然后P根據(jù)這些距離和信標(biāo)節(jié)點(diǎn)的坐標(biāo)通過三邊測(cè)量法來計(jì)算自身坐標(biāo)[1]。

        1.3 現(xiàn)有改進(jìn)的DV-Hop算法

        [2]中,王新生等人提出了使用多個(gè)錨節(jié)點(diǎn)估算的平均跳距并且采用加權(quán)平均跳距代替?zhèn)鹘y(tǒng)算法中的平均跳距的改進(jìn)算法。參考文獻(xiàn)[3]中,沈明玉等提出了一種基于平均跳距和估計(jì)距離的改進(jìn)的DV-Hop算法。該算法考慮了未知節(jié)點(diǎn)到參考節(jié)點(diǎn)的路徑與參考節(jié)點(diǎn)間的路徑可能存在重合或部分重合這一特性,對(duì)平均跳距進(jìn)行修改,并利用誤差對(duì)距離進(jìn)行修正。參考文獻(xiàn)[4]~[5]中,周小波、呂振等提出了基于RSSI的改進(jìn)型DV-Hop算法。

        2 改進(jìn)DV-Hop算法

        對(duì)提高定位精度的一個(gè)有效方法就是縮小查找范圍,從而減小定位誤差。以往的算法應(yīng)用于整個(gè)區(qū)域,而本文是將所有的節(jié)點(diǎn)進(jìn)行分類,將查找的區(qū)域分成多塊,再在未知節(jié)點(diǎn)所在的那塊區(qū)域應(yīng)用DV-Hop算法來確定未知節(jié)點(diǎn)的位置。具體步驟如下:

        (1)將礦下整個(gè)區(qū)域看成是一個(gè)長(zhǎng)方形,那么未知節(jié)點(diǎn)就在這個(gè)長(zhǎng)方形范圍內(nèi)。把信標(biāo)節(jié)點(diǎn)均勻分布在這個(gè)長(zhǎng)方形區(qū)域內(nèi),使其整個(gè)區(qū)域都能被信號(hào)覆蓋(此區(qū)域內(nèi)的每個(gè)節(jié)點(diǎn)至少能接收到1個(gè)信標(biāo)節(jié)點(diǎn)廣播的信號(hào))。

        (2)導(dǎo)致DV-Hop算法定位精度不高的一個(gè)主要原因就是對(duì)平均跳距的計(jì)算存在很大的誤差,本文利用RSSI測(cè)距技術(shù)來計(jì)算平均跳距。

        未知節(jié)點(diǎn)收集鄰節(jié)點(diǎn)信息,選出RSSI最小值并確定此值所屬的信標(biāo)節(jié)點(diǎn)。如果這個(gè)信標(biāo)節(jié)點(diǎn)在邊界上,則另外選出與這個(gè)信標(biāo)節(jié)點(diǎn)最相鄰的3個(gè)信標(biāo)節(jié)點(diǎn)構(gòu)成一個(gè)新的區(qū)域;如果這個(gè)信標(biāo)節(jié)點(diǎn)在其內(nèi)部,則選出與這個(gè)信標(biāo)節(jié)點(diǎn)最相鄰的4個(gè)信標(biāo)節(jié)點(diǎn)構(gòu)成一個(gè)新的四邊形區(qū)域。

        (3)以9個(gè)信標(biāo)節(jié)點(diǎn)為例,位置分別在長(zhǎng)方形的頂點(diǎn)、中心和四邊的中點(diǎn)處,如圖2所示。如果測(cè)出RSSI最小值信標(biāo)節(jié)點(diǎn)是 1,則選擇 1、2、8、9 或 1、7、8、9 四個(gè)信標(biāo)節(jié)點(diǎn)構(gòu)成四邊形區(qū)域(一般礦下是非常窄的通道,選 1、7、8、9 比較合理);如果是 2,則選取 1、3、9 三個(gè)信標(biāo)節(jié)點(diǎn)構(gòu)成三角形區(qū)域;如果是 9,則選取 2、4、6、8這樣的信標(biāo)節(jié)點(diǎn)構(gòu)成四邊形區(qū)域。

        (4)對(duì)已知坐標(biāo)的節(jié)點(diǎn)進(jìn)行歸類。歸類方法:判定已知節(jié)點(diǎn)是否在新構(gòu)成的多邊形區(qū)域內(nèi),若在,則保留這個(gè)節(jié)點(diǎn)作為新的信標(biāo)節(jié)點(diǎn);否則放棄。如圖2所示,可以把已知節(jié)點(diǎn)歸類到A、B、C、D四個(gè)區(qū)域中。

        (5)在未知節(jié)點(diǎn)所在的區(qū)域中,把已知信息的未知節(jié)點(diǎn)當(dāng)做信標(biāo)節(jié)點(diǎn),采用基本DV-Hop算法來確定未知節(jié)點(diǎn)的位置。

        3 實(shí)驗(yàn)及仿真結(jié)果

        為了驗(yàn)證本文算法的可行性,使用Matlab7.0作為仿真工具進(jìn)行仿真,并對(duì)仿真結(jié)果進(jìn)行分析。仿真環(huán)境是在100 m×100 m的正方形范圍內(nèi)[6],隨機(jī)產(chǎn)生 191個(gè)未知傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)和9個(gè)確定的信標(biāo)節(jié)點(diǎn),節(jié)點(diǎn)的通信距離為15 m。仿真結(jié)果數(shù)據(jù)取自20次仿真的平均值。初始節(jié)點(diǎn)分布圖如圖3所示。

        縮小范圍后,節(jié)點(diǎn)分布圖如圖4所示。

        節(jié)點(diǎn)分類后,保留4個(gè)固定的信標(biāo)節(jié)點(diǎn),其余54個(gè)未知節(jié)點(diǎn)隨機(jī)分布。其中,也可將在其范圍內(nèi)的已知節(jié)點(diǎn)當(dāng)做新的信標(biāo)節(jié)點(diǎn),這樣可大大提高對(duì)未知節(jié)點(diǎn)的定位精度。

        當(dāng)把隨機(jī)給出的未知節(jié)點(diǎn)分類后,得出54個(gè)未知節(jié)點(diǎn),在其范圍內(nèi)隨機(jī)定義5個(gè)已知的鄰節(jié)點(diǎn)和4個(gè)固定的信標(biāo)節(jié)點(diǎn)作為新的信標(biāo)節(jié)點(diǎn)。圖5所示為在縮小的范圍內(nèi)當(dāng)有9個(gè)信標(biāo)節(jié)點(diǎn)、54個(gè)未知節(jié)點(diǎn)時(shí),每個(gè)未知節(jié)點(diǎn)的誤差。

        圖6是在通信距離為50 m時(shí)的平均定位誤差圖,從圖中可以看出隨著信標(biāo)節(jié)點(diǎn)的增加,未知節(jié)點(diǎn)的定位誤差會(huì)相對(duì)減少。與原始的DV-Hop算法相比,改進(jìn)后的算法定位誤差減少了近20%。改進(jìn)后將4個(gè)固定節(jié)點(diǎn)當(dāng)做是信標(biāo)節(jié)點(diǎn),然后隨著隨機(jī)增加信標(biāo)節(jié)點(diǎn)來確定定位誤差。以信標(biāo)節(jié)點(diǎn)占全部節(jié)點(diǎn)的比例作為圖中的橫坐標(biāo),以未知節(jié)點(diǎn)的平均誤差作為縱坐標(biāo)。

        介于礦下的特殊環(huán)境,本文介紹了一種基于DVHop的改進(jìn)后的節(jié)點(diǎn)定位算法,在保留傳統(tǒng)DV-Hop算法計(jì)算簡(jiǎn)單、通信開銷小的優(yōu)點(diǎn)的基礎(chǔ)上,用縮小定位范圍的方法來提高定位精度。本文先對(duì)未知節(jié)點(diǎn)進(jìn)行模糊定位,確定未知節(jié)點(diǎn)在哪塊區(qū)域內(nèi),再把已知坐標(biāo)的節(jié)點(diǎn)當(dāng)成信標(biāo)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行分類,最后在縮小定位范圍內(nèi)使用DV-Hop算法對(duì)未知節(jié)點(diǎn)進(jìn)行定位。實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明,此方法大大提高了定位精度,很適合于煤礦快速查找人員所在的位置。

        參考文獻(xiàn)

        [1]倪海燕,應(yīng)祥岳,簡(jiǎn)家文,等.無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的自身定位算法研究[J].寧波大學(xué)學(xué)報(bào),2009,22(1):7-11.

        [2]王新生,趙衍靜,李海濤.基于 DV-Hop定位算法的改進(jìn)研究[J].計(jì)算機(jī)科學(xué),2011,38(2):76-78.

        [3]沈明玉,張寅.基于改進(jìn)的平均跳距和估計(jì)距離的DVHop 定位算法[J].計(jì)算機(jī)應(yīng)用研究,2011,28(2):648-650.

        [4]周小波,喬鋼柱,曾建潮.無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中基于RSSI的加權(quán)DV-HOP定位方法[J].計(jì)算機(jī)工程與應(yīng)用,2011,18(4):93-96.

        [5]呂振,李亞杰,孫延飛,等.基于 DV-Hop的修正和改進(jìn)定位算法[J].傳感器與微系統(tǒng),2008,29(8):31-33.

        [6]楊小瑩,張萬禮,房愛東.一種改進(jìn)的 DV-Hop定位算法[J].宿州學(xué)院學(xué)報(bào),2011,18(4):23-25.

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