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专利号: 2020113168646
申请人: 江苏科技大学
专利类型:发明专利
专利状态:已下证
专利领域: 电通信技术
更新日期:2024-05-09
缴费截止日期: 暂无
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摘要:

权利要求书:

1.一种联合水流作用的传感节点三维覆盖控制方法,其特征在于,包括以下步骤:步骤1.对水下传感节点受力进行建模,在重力、浮力、推力以及阻力的共同作用下,长时间水流作用下部分区域出现覆盖不均衡的现象,建立水下传感节点的漂移运动模型;

步骤2.由于存在传感节点与邻居传感节点、传感节点与障碍物以及传感节点与边界的不同情况,推导水下传感节点的三维虚拟力覆盖模型,结合移动步长驱使传感节点进行再覆盖;

所述的步骤1包括:

1.1水下三维覆盖区域为L×W×H,其中L、W、H分别表示水下待监测区域长宽高;建立用于水下传感节点覆盖的三维坐标系,以水平向左为X轴正方向,垂直于X水平向上为Y轴正方向,垂直于XOY平面竖直向下为Z轴正方向;水下三维区域由传感节点ANs=[AN1,AN2,...,TANi,...,ANn]组成,其中ANi表示每个传感节点,n表示传感节点的个数;而每个传感节点的T三维坐标为ANi=[xi,yi,zi] ,传感节点受到水流水力作用坐标发生漂移,传感节点运动呈现不规则的脉动,传感节点的三维速度为 传感节点的三维加速度为

1.2基于水流水力对传感节点的作用,传感节点在水下受到重力作用为 其中ρs表示传感节点的密度,Vs表示传感节点容量,表示传感节点受到的重力加速度;传感节点在水下受到浮力作用为 其中ρw表示水的密度;水流推力为 其中Cp表示与传感节点截面形状相关的常数, 表示XOY平面水流推力作用在传感节点上的截面积, 表示水流速度与传感节点速度在截面方向的速度差;水流阻力为其中Cr表示与传感节点截面形状相关的常数, 表示水流阻力作用在传感节点上的截面积, 表示与水流有关的相对速度;

1.3传感节点受到重力 浮力 推力 和阻力 共同作用下,传感节点在X轴受到的分力可以表示为 传感节点在Y轴受到的分力可以表示为传感节点在Z轴受到的分力可以表示为 其

中:αp表示水流推力与X轴的夹角,0≤αp≤2π;αr表示水流阻力与XOY平面的夹角,0≤αr≤π;

βr表示水流阻力在XOY平面的投影与X轴的夹角,0≤βr≤2π;传感节点在X轴上的分力为Y轴上的分力为 以及Z轴上的分力为 其合力 可以表示为 其中 表示传感节点受到的加速度;

所述的步骤2具体过程包括:

2.1传感节点在水流作用下呈现不规则部署,不规则的部署导致不均衡的监测性能,容易在水下部分区域聚集大量传感节点而出现信息冗余,而水下部分区域无传感节点而导致覆盖空洞;基于传感节点ANi和ANi+1间的几何距离||ANi‑ANi+1||,通过判断传感节点几何距离||ANi‑ANi+1||与通信距离Rc和阈值距离dth的关系,可以得到传感节点间的三维虚拟力当传感节点间几何距离||ANi‑ANi+1||小于阈值距离dth时,则传感节点间的三维虚拟力为 其中wR为传感节点间的排斥力系数,αi,i+1为传感节点间的方位角,β1为传感器节点物理特性参数;

当传感节点间几何距离||ANi‑ANi+1||大于阈值距离dth且小于通信距离Rc时,则传感节点间的三维虚拟力为 其中wA为传感节点间的排斥力系数,αi,i+1为传感节点间的方位角,β2为传感器节点物理特性参数;

当传感节点间几何距离||ANi‑ANi+1||大于通信距离Rc时,则传感节点间的三维虚拟力为T T

2.2水下三维监测空间覆盖点集为Gs=[G1,G2,...,Gm],其中Gj=[gxj,gyj,gzj] ,j∈m;

T

水下任意一点p=[px,py,pz]与覆盖点集Gj存在有效边 则判定该点p到点Gj之间为可连通;当传感节点靠近障碍物时,传感节点在障碍物区域需要施加排斥力为当传感节点与障碍物间几何距离||p‑Gj||小于Rs+rth时,则传感节点与障碍物间的排斥力为 其中,Rs是指节点的通信半径,rth为与障碍物相关的阈值,wO为传感节点与障碍物间的排斥力系数, 为传感节点与障碍物间的方位角;

当传感节点与障碍物间几何距离||p‑Gj||大于Rs+rth时,则传感节点与障碍物间的排斥力为

2.3当传感节点在边界区域时需要施加一个排斥力 则传感节点ANi受到邻居传感节点ANi+1的作用力为 同时受到障碍物Oj和边界区域Bj的排斥力分别为 和 则传感节点ANi的三维虚拟力合力可以表示为

2.4将传感节点受到的合力 分解到X,Y和Z轴,其在X,Y和Z轴上坐标增量为和 其中: 分别为合力 在X,Y

和Z轴上的分量,dmax为最大单步移动距离。