无线传感器网络原理及应用第5章目标跟踪技术

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1、第5章目标跟踪技术5.1目标跟踪的基本原理及跟踪策略设计要考虑的问题5.2点目标跟踪5.3面目标跟踪5.4小结5.1目标跟踪的基本原理及跟踪策略设计要考虑的问题5.1.1无线传感器网络中目标跟踪的基本原理传感器网络由大量体积小、成本低，具有感测、通信、数据处理能力的传感器节点构成，并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输到数据中心，供用户使用。传感器网络体系通常包括传感器节点、汇聚节点和管理节点。在不同的应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、处理器模块、无线通信模块和能量供应模块，其中处理器大都选用嵌入式CPU，通信模块采用

2、休眠/唤醒机制。各模块由一个微型操作系统控制。传感器网络由大量部署在监测区域内的传感器节点组成，当有目标进入监测区域时，由于目标的辐射特性(通常是红外辐射特征)、声传播特征和目标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。任一时刻t，当有目标以速度u进入传感器节点探测半径内时，传感器检测为“1”；否则检测为“0”。当网络探测到目标后便开始利用特定的跟踪算法与通信方式进行目标定位跟踪。下面定性地讨论现有的三种跟踪策略，以比较其跟踪目标的有效性、节能性以及网络寿命。(1)完全

3、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。显然，这种策略消耗的能量很大，造成了较大的资源浪费，为数据融合与消除冗余信息增加了负担，但同时这种方法提供了较高的跟踪精度。(2)随机跟踪策略：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行跟踪。显然，这种策略由于参与跟踪的节点数目得到了限制，因而可以降低能量消耗，但是不能保证跟踪精度。(3)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，既能节约能量又能保证跟踪精度。显然，协作跟踪策略是跟踪算法的最好选择。为了对跟踪策略有一个基本的理解，首先简单说明一个目标被跟踪的情况。假定

4、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，如果感测信息超出了门限，这时每一个处于侦测状态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汇聚节点。汇聚节点从网络内收集到数据后对信息进行融合，得出物体是否需要被跟踪的结论，如果目标的确需要被监控，传感器网络在监测区域内将使用一个跟踪运动目标的算法，随着目标的运动，跟踪算法将及时通知合适的节点参与跟踪，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。信息包

5、中含有传感器节点身份号码和传感器位置坐标以及目标在探测范围内持续的时间。(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，通过使用跟踪算法启动相应的节点参与跟踪。(5)当目标离开监测区域时，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。汇聚节点综合历史数据和新信息形成目标的运动趋势。5.1.2无线传感器网络跟踪策略设计要考虑的问题传感器网络跟踪目标涉及到目标探测、目标定位、通信、数据融合、跟踪算法的设计等很多方面的问题。在跟踪过程中，如果选择不合适的节点参与跟踪，不但跟踪精度较低甚至有可能丢失

6、目标，并且会过多地消耗不必要的能量。同时算法的优劣也直接影响着跟踪的效果。衡量一个跟踪策略是否具有较好的跟踪效果，需要考虑以下问题：(1)跟踪精度。跟踪精度是目标跟踪中首先要考虑的一个问题，当然也并不是跟踪精度越高就越好，精度越高意味着算法融合的数据越多，这样会增加能量消耗，所以还要结合能量消耗，综合评价跟踪算法的优劣。(2)跟踪能量消耗。由于用无线传感器网络跟踪目标大都应用于实际环境，节点的能量消耗是一个非常关键的问题。因而要求传感器节点最好不但能储备能量(电池)，而且还要根据实际情况可以现场蓄能(太阳能)。跟踪过程中选择合适的节点参与跟踪需要考虑该节点的通信能量消耗、感测能量消

7、耗和计算能量消耗，其中通信能量消耗是最主要的部分。在设计考虑跟踪算法时要综合衡量这几种能量消耗，找到合适的比重，以满足较低的能量消耗，从而延长节点和网络的寿命。(3)跟踪的可靠性。网络的可靠性对目标跟踪的质量有很大的影响。当前应用于目标跟踪的方法主要有集中式和分布式，集中式方法要求所有网络节点在探测到目标后都要向汇聚节点发回探测结果，不但引入的通信开销大，而且计算开销也增加很多，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，但是也要充分考虑跟踪算法的鲁棒性，能