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1、(10)申请公布号 CN 102420733 A (43)申请公布日 2012.04.18 C N 1 0 2 4 2 0 7 3 3 A *CN102420733A* (21)申请号 201110403094.3 (22)申请日 2011.12.07 H04L 12/28(2006.01) (71)申请人中国科学院上海微系统与信息技术 研究所 地址 200050 上海市长宁区长宁路865号5 号楼505室 (72)发明人田文强 张唯易 高丹 张帅 李伟 王营冠 (74)专利代理机构上海泰能知识产权代理事务 所 31233 代理人宋缨 孙健 (54) 发明名称 一种传感网中实现群体聚集编队的方。
2、法 (57) 摘要 本发明涉及一种传感网中实现群体聚集编队 的方法，包括下列步骤：每个传感器节点获取自 身所在区域的局部节点分布密度信息；在传感器 高密度分布区域选取节点，开启中高速工作模式； 每个传感器节点向自身有效通信区域内的其它传 感器节点发出汇聚信息，将自身的位置告知它们， 并要求它们向自己靠近；每个传感器可以收到多 个有效通信范围能够覆盖到自己的其它传感器的 汇聚消息和速度矢量，各矢量作向量求和后得到 自己下一步运动的速度矢量；根据得到的速度矢 量，各个传感器节点演化运动，最终实现传感器节 点系统的整体聚集。本发明能够高效地控制实现 传感器节点的聚集编队行为，且显著减少长距离 通信及。
3、聚集时的能耗。 (51)Int.Cl. (19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请 权利要求书 1 页 说明书 5 页 附图 2 页 CN 102420745 A 1/1页 2 1.一种传感网中实现群体聚集编队的方法，其特征在于，包括下列步骤： (1)每个传感器节点获取自身所在区域的局部节点分布密度信息； (2)在传感器高密度分布区域选取节点，开启中高速工作模式，加强其通信能力； (3)每个传感器节点向自身有效通信区域内的其它传感器节点发出汇聚信息，将自身 的位置告知它们，并要求它们向自己靠近；同时调控节点运动状态，在促进聚集运动的同时 避免传感器节点间相互碰撞；未开启中高速模。
4、式的传感器节点使用普通的低速模式，其有 效通信区域较小；开启中高速模式的传感器节点工作模式受所处环境节点分布密度调节； (4)每个传感器可以收到多个有效通信范围能够覆盖到自己的其它传感器的汇聚消息 和速度矢量，各矢量作向量求和后得到自己下一步运动的速度矢量，邻近传感器的作用范 围能够覆盖到该传感器的中高速工作模式传感器节点； (5)根据得到的速度矢量，各个传感器节点演化运动，最终实现传感器节点系统的整体 聚集。 2.如权利要求1所述的一种传感网中实现群体聚集编队的方法，其特征在于：所述的 步骤(1)中，传感器节点获取自身所在区域的局部节点分布密度信息采用如下方法：传感 器节点探测自身周围区域内。
5、的其他传感器个数，作为自身所处环境的传感器分布密度信 息。 3.如权利要求1所述的一种传感网中实现群体聚集编队的方法，其特征在于：所述的 步骤(2)中，启用中高速工作模式的传感器节点选取采用如下方法：设定密度阈值，若传感 器节点在步骤(1)中所获得的密度信息超过预设阈值，则认为处于高密度区域，各个高密 度区域节点定期采用竞争的方式选出一个节点开启中高速工作模式，已经开启过中高速模 式的传感器节点不再参与竞争。 4.如权利要求1所述的一种传感网中实现群体聚集编队的方法，其特征在于：所述的 步骤(3)中，节点分布密度与有效通信区域的关系采用如下方法判断：其中，R i 是 传感器节点i的有效通信范围。
6、， i 是节点i在步骤1中所获得的密度信息。 5.如权利要求1所述的一种传感网中实现群体聚集编队的方法，其特征在于：所述的 步骤(3)中，节点的运动状态调整方案采用基于节点密度分布信息的群体聚集控制算法作 为优选方案，为：其中r i 是传感器节点的位置，v i 是传 感器节点的速度，f ij 是传感器节点受其它传感器节点的汇聚作用方程；x ij 是传感器节点i 和传感器节点j之间的距离，通过节点分布密度和与其他节点之间的距离调控吸引和排 斥作用，通过密度信息调控传感器节点聚集后的平衡距离，从而形成编队，方程为 权 利 要 求 书CN 102420733 A CN 102420745 A 1/5。
7、页 3 一种传感网中实现群体聚集编队的方法 技术领域 0001 本发明属群体行为控制技术领域，特别是涉及一种传感网中实现群体聚集编队的 方法。 背景技术 0002 群体聚集编队控制问题是指一个由大量自治个体组成的集合，在无集中式控制 和全局模型的情况下，通过个体的局部感知作用和相应的反应行为，使整体呈现出汇聚行 为。这种控制技术在很多领域都有着十分重要的应用，例如，无人驾驶飞行器的编队控制以 及目前人们热衷的户外探险等活动中，可靠合理的保证个体最终能够集合编队是非常关键 的。 0003 群体聚集编队控制技术的原型可以追溯到Reynolds模型，之后，在Reynolds模 型的基础上，Tanne。
8、r利用势场法和力学分析技巧，考虑了具有固定和动态拓扑的无向网络 的智能群体群集运动控制，并利用代数图论和非平滑分析工具给出了算法的稳定性分析。 Olfati-Saber和Murray基于结构能量函数和一致性协议提出了无向切换网络的群集运动 控制算法，并讨论了避障和跟踪问题。Gazi和Passio提出了一种有效的A/R(attractive or repulsive)模型，这种模型有两条基本原则：(1)远距离个体间相互吸引；(2)近距离个 体间相互排斥。一年后，Gazi和Passion又在原有的模型上加以改进引入了第三条基本原 则，即存在着指向有利区域方向的吸引作用和指向不利区域方向的排斥作用。。
9、 0004 但是这些目前广泛使用的控制模型都忽略了个体分布密度对于其控制的调节作 用，然而这种调节作用在一些场合是十分重要且有意义的。传统的群体聚集控制方式中，两 个个体之间的相互作用是对等的相互靠近或者背离的行动，个体之间的通信也是双向通信 的方式，这种工作方式使所有个体都要进行相对长距离的通信和运动，而长距离通信和运 动意味着能量的消耗，在一些场合，特别是以传感器网络为例的需要高度重视整体能量消 耗的场合来说，是比较不适用的。 0005 为满足传感器网络对于整体能量节约的高度要求，需要一种新型的调控机制来实 现传感器节点的聚集编队行为。这种调控机制需要保证传感器节点需要时能够有效聚集， 同。
10、时能够有效控制长距离通信时能量的消耗。本发明的提出就是为了解决这一问题，以带 有可移动传感器节点的无人飞行器编队问题为例，应用本发明中涉及的基于群体聚集编队 控制技术的工作模式调整方法，将可以自适应调控节点的单向通信和双向通信方式，同时 使飞行器倾向于向高密度飞行器区域聚集，有利于少量孤立飞行器向高密度飞行器区域靠 拢，有利于整体能量的节约和聚集编队的形成。再以户外探险运动为例，当分散的探险团队 需要聚集时，通过携带基于群体聚集控制技术工作模式可调的便携式传感器节点，可以帮 助队员向团队靠拢，实现团队的集合，同时也可节约团队传感器的能量。 发明内容 0006 本发明所要解决的技术问题是提供一种。
11、传感网中实现群体聚集编队的方法，能够 说 明 书CN 102420733 A CN 102420745 A 2/5页 4 高效地控制实现传感器节点的聚集编队行为，且显著减少长距离通信及聚集时的能耗。 0007 本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：提供一种传感网中实现群体聚集编 队的方法，包括下列步骤： 0008 (1)每个传感器节点获取自身所在区域的局部节点分布密度信息； 0009 (2)在传感器高密度分布区域选取节点，开启中高速工作模式，以加强其通信能 力； 0010 (3)每个传感器节点向自身有效通信区域内的其它传感器节点发出汇聚信息，将 自身的位置告知它们，并要求它们向自己靠近；同时。
12、调控节点运动状态，在促进聚集运动的 同时避免传感器节点间相互碰撞； 0011 此时，未开启中高速模式的传感器节点使用普通的低速模式，其有效通信区域较 小；开启中高速模式的传感器节点工作模式受所处环境节点分布密度调节； 0012 (4)每个传感器可以收到多个有效通信范围能够覆盖到自己的其它传感器的汇聚 消息和速度矢量，各矢量作向量求和后得到自己下一步运动的速度矢量，邻近传感器的作 用范围能够覆盖到该传感器的中高速工作模式传感器节点； 0013 (5)根据得到的速度矢量，各个传感器节点演化运动，最终实现传感器节点系统的 整体聚集； 0014 所述的步骤(1)中，传感器节点获取自身所在区域的局部节点。
13、分布密度信息采用 如下方法：传感器节点探测自身周围一定区域内的其他传感器个数，作为自身所处环境的 传感器分布密度信息。 0015 所述的步骤(2)中，启用中高速工作模式的传感器节点选取采用如下方法：设定 密度阈值，若传感器节点在步骤1中所获得的密度信息超过预设阈值，则认为处于高密度 区域，各个高密度区域节点定期采用竞争的方式选出一个节点开启中高速工作模式，已经 开启过中高速模式的传感器节点不再参与竞争。 0016 所述的步骤(3)中，节点分布密度与有效通信区域的关系采用如下方法判断： 其中，R i 是传感器节点i的有效通信范围， i 是节点i在步骤1中所获得的密度 信息。 0017 所述的步骤。
14、(3)中，节点的运动状态调整方案采用基于节点密度分布信息的群体 聚集控制算法作为优选方案，为：其中r i 是传感器节 点的位置，v i 是传感器节点的速度，f ij 是传感器节点受其它传感器节点的汇聚作用方程； x ij 是传感器节点i和传感器节点j之间的距离，通过节点分布密度和与其他节点之间的 距离调控吸引和排斥作用，通过密度信息调控传感器节点聚集后的平衡距离，从而形成 编队，方程为 0018 0019 说 明 书CN 102420733 A CN 102420745 A 3/5页 5 0020 有益效果 0021 本发明相比较现有技术，具备下列有益效果： 0022 (1)高效地控制传感器节。
15、点的聚集编队行为，基于节点密度分布信息的群体聚集 编队控制算法，将引入自适应控制的单双向通信方式，与纯粹的广域双向通信相比，大大降 低了通信耗费； 0023 (2)促进鼓励节点向相对聚集节点群汇聚的方案，可以相对减小智能体聚集运动 所需的总路径，有利于减小运动开销； 0024 (3)在保证高密度节点区域内相对多数节点处于低能耗的短距离通信方式的同 时，引入部分节点开启中高速模式，增强通信能力，发布广域信息，有效促进智能体编队的 形成，避免聚集过程中分裂现象的产生。 附图说明 0025 图1为本发明基于节点密度分布信息的示意图； 0026 图2为本发明流程框图； 0027 1.处于高密度区域的传。
16、感器节点A 2.处于低密度区域的传感器节点B 0028 R(A)表示传感器A的对外有效通信半径 R(B)表示传感器B的对外有效通信半 径 0029 r表示传感器密度感知半径 具体实施方式 0030 下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明 而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人 员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定 的范围。 0031 如图1、图2所示，本发明一种传感网中实现群体聚集编队的方法，包括下列步骤： 0032 (1)每个传感器节点获取自身所在区域的局部节点分布密度信息；。
17、 0033 (2)在传感器高密度分布区域选取节点，开启中高速工作模式，以加强其通信能 力； 0034 (3)每个传感器节点向自身有效通信区域内的其它传感器节点发出汇聚信息，将 自身的位置告知它们，并要求它们向自己靠近；同时调控节点运动状态，在促进聚集运动的 同时避免传感器节点间相互碰撞； 0035 此时，未开启中高速模式的传感器节点使用普通的低速模式，其有效通信区域较 小；开启中高速模式的传感器节点工作模式受所处环境节点分布密度调节； 0036 (4)每个传感器可以收到多个有效通信范围能够覆盖到自己的其它传感器的汇聚 消息和速度矢量，各矢量作向量求和后得到自己下一步运动的速度矢量，邻近传感器的。
18、作 用范围能够覆盖到该传感器的中高速工作模式传感器节点； 0037 (5)根据得到的速度矢量，各个传感器节点演化运动，最终实现传感器节点系统的 整体聚集； 0038 所述的步骤(1)中，传感器节点获取自身所在区域的局部节点分布密度信息采用 说 明 书CN 102420733 A CN 102420745 A 4/5页 6 如下方法：传感器节点探测自身周围一定区域内的其他传感器个数，作为自身所处环境的 传感器分布密度信息。 0039 所述的步骤(2)中，启用中高速工作模式的传感器节点选取采用如下方法：设定 密度阈值，若传感器节点在步骤1中所获得的密度信息超过预设阈值，则认为处于高密度 区域，各个。
19、高密度区域节点定期采用竞争的方式选出一个节点开启中高速工作模式，已经 开启过中高速模式的传感器节点不再参与竞争。 0040 所述的步骤(3)中，节点分布密度与有效通信区域的关系采用如下方法判断： 其中，R i 是传感器节点i的有效通信范围， i 是节点i在步骤1中所获得的密度 信息。 0041 所述的步骤(3)中，节点的运动状态调整方案采用基于节点密度分布信息的群体 聚集控制算法作为优选方案，为：其中r i 是传感器节 点的位置，v i 是传感器节点的速度，f ij 是传感器节点受其它传感器节点的汇聚作用方程； x ij 是传感器节点i和传感器节点j之间的距离，通过节点分布密度和与其他节点之间。
20、的 距离调控吸引和排斥作用，通过密度信息调控传感器节点聚集后的平衡距离，从而形成 编队，方程为 0042 0043 0044 如图1所示，A和B两个传感器节点分别处于高密度分布区域和低密度分布区域， 如步骤1、2所述，A被选取开启中高速工作模式，B使用普通工作模式。如步骤3所述，传感 器A具有较大的通信范围，传感器B具有有限的通信范围，从而A与B之间单向通信，B可 以收到A的聚集信息，而A收不到B的聚集信息。如步骤3、4、5所述，B会向高密度区域聚 集，最终完成群体聚集编队。A和B之间，由于传感器分布密度的差异引入了局部的单向通 信，这种通信方式与双向通信相比，节省了通信量。同时，所有传感器构。
21、成的系统的总运动 路程近似于等于B到A的直线距离，不需要所有智能体共同运动，节省了整个系统的运动开 销。 0045 如图2所示，通过本发明所述的方法实现100个随机分布在空间内(以半径10m 的圆作为随机分布区域为例)的传感器节点的聚集编队。首先，每个传感器节点各自计算 自身邻域(以自己为中心，半径1m的圆)内其他传感器的个数，得到自身所处环境的传感 器分布密度信息。以4作为密度阈值，所有传感器节点检测自己在上一步中获得的传感器 节点密度分布信息，该信息大于4的节点如步骤2所述开启中高速工作模式。如步骤3所 述，未开启中高速模式的传感器节点使用普通的低速模式，其通信范围小(以自身为中心， 半径。
22、为2m的圆)，开启中高速模式的传感器节点如步骤3和权利要求4所述确定通信范围， 最小通信范围是半径为2m的圆，最大通信范围是半径为10m的圆。各个传感器节点向自己 有效通信区域内的其它节点发出汇聚消息，将自身的位置告知它们，并要求它们向自己靠 说 明 书CN 102420733 A CN 102420745 A 5/5页 7 近。如步骤3和权利要求4所述，各个传感器节点根据收到的汇聚消息，得出自己的下一步 速度矢量。如步骤4、5所述，传感器节点群体作演化运动，最终实现100个传感器节点的聚 集编队。 说 明 书CN 102420733 A CN 102420745 A 1/2页 8 图1 说 明 书 附 图CN 102420733 A CN 102420745 A 2/2页 9 图2 说 明 书 附 图CN 102420733 A 。