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随着微型机电系统(Micro-Electro-Mechanical System,MEMS)、无线通信、数字电子学等技术不断地发展,基于无线传感器网络(Wireless Sensor Network,WSN)的定位技术孕育而生。正是由于无线传感器节点的低成本、低功耗、多功能、体积小,使得WSN式的无线定位模式的应用不断地扩大。而无线传感器网络定位最显著的一个特点是节点协助定位,即节点利用邻节点确定自己的位置,无需大量成本昂贵的固定信标点提供定位的协助。这种功能已广泛用于大量的应用场景中,如农作物的状态观察、生产线零件的规格检验、生命科学的自然环境观测等等。而正是由于无线传感器网络定位技术具有方便部署、扩展方便、运行健壮和智能处理功能等特点,该技术被扩展至对运动物体的定位。
利用WSN对物体,尤其是对运动的物体,进行跟踪将是本文的研究方向。在整个网络中,节点所依附的物体既可能是处于静止状态,也可能是处于运动状态。在往常的无线传感器网络定位应用中,网络节点都处于静止状态,节点的定位准确度更多依赖于测距的准确度。而在新的应用需求中,网络节点不仅仅是静止状态,其中也存在着处于运动状态的节点。在这样的情况下,若仍依据传统的定位策略进行定位,所获得的位置偏差将会很大。因为获得的测量距离中不仅包含了由于节点的制作工艺和环境因素所造成的偏差,同时,由于节点的运动而形成的运动偏差。即在进行测距操作时,测距与节点的真实位置存在时间上的漂移。这部分的偏差大小受节点的运动状态的影响。本文的研究目标就是根据节点运动特点,设计一套适合于动态无线传感器网络的定位策略。
本文的工作主要体现在以下几个方面:
(1)深入研究目前成熟的定位技术,包括测距算法、位置计算算法、平滑算法、预测算法等等。同时并分析了无线传感器网络节点的普遍特性,以及针对系统中所使用的定位模块进行性能参数的测试,为定位策略提供必要的参数依据。
(2)在上述工作的基础上,针对节点运动的特点,以及由运动而引起的偏差特点,提出了节点的运动检测技术、运动偏差估计算法削弱因节点的运动而引发的测距偏差。并且,针对WSN节点的特点,设计并实现了利用节点的邻点集以达到处理和结果折衷的分散算法,最后针对无线传感器硬件的有限性,设计适合于其上运行的三维进行单维多项式拟合平滑算法,以此减少节点轨迹总体的定位平均偏差。
(3)设计并实现iLocateNano系统,在实际环境中测试定位流程的可行性。
由实验的结果可以看出,利用这些技术一定程度上缓解了由于节点运动而带来的偏差,比利用传统定位策略而获得位置的准确度有了较大程度的提高。