1、基于無線傳感網(wǎng)絡的目標跟蹤技術,孫 婧 2012.5.15,CONTENTS,基于WSN的目標跟蹤系統(tǒng)的特點 WSN應用于目標跟蹤的優(yōu)勢 目標跟蹤研究的內容 目標跟蹤策略 目標跟蹤關鍵技術 目標跟蹤指標要求,目標跟蹤是無線傳感器網(wǎng)絡的重要研究和應用領域之一。與傳統(tǒng)WSN系統(tǒng)相比，基于WSN的目標跟蹤系統(tǒng)具有如下特點:,傳感器節(jié)點小，可近距離或直接置于監(jiān)視環(huán)境中，不易被監(jiān)視目標發(fā)現(xiàn)； WSN可快速部署、自組織、自配置，根據(jù)特定的監(jiān)視任務進行組網(wǎng)和任務分工，目標跟蹤更加靈活可靠； 在一些不能手工配置監(jiān)控設備的區(qū)域,如受污染區(qū)域、面積廣闊的原始森林、敵方戰(zhàn)場等，不可能使用傳統(tǒng)的目標跟蹤設備和方法，W

2、SN是最佳的選擇。,以上特點使得WSN非常適合于地面復雜環(huán)境和特殊應用場合中的目標跟蹤應用?；赪SN的目標跟蹤技術在軍事和民用領域的巨大應用前景受到了世界各國學術界和工業(yè)界的高度關注，成為無線傳感器網(wǎng)絡的研究重點和熱點。,WSN應用于目標跟蹤的優(yōu)勢,(l)低成本、低功耗、高冗余的設計原則為目標跟蹤提供了較強的容錯能力，網(wǎng)絡自組織、高密度部署，使得網(wǎng)絡抗毀能力強，在跟蹤目標時可靠性高。 (2)節(jié)點的綜合信息有效地提高了信噪比。 (3)節(jié)點與探測目標的近距離接觸，可對目標進行精確感知、跟蹤。 (4)節(jié)點中多種傳感器的混合應用，可實現(xiàn)對不同目標的監(jiān)測，其適應面廣，效益高，有利于提高探測的性能指標。

3、 (5)節(jié)點傳感器部署廣，多節(jié)點聯(lián)合，形成覆蓋面積較大的實時探測區(qū)域，還可混合部署，網(wǎng)絡抗干擾能力強。 (6)借助于節(jié)點的移動，可對網(wǎng)絡拓撲結構進行調整，有效地消除探測區(qū)域內的陰影和盲點。 (7)分布式的數(shù)據(jù)處理、多節(jié)點的協(xié)同工作，使跟蹤更加全面。,目標跟蹤研究的內容,一個自主的無線傳感器網(wǎng)絡要想獲得有關周圍環(huán)境的知識，或者更新優(yōu)化已有的知識，首先必須使用傳感器獲取相關的原始數(shù)據(jù)，然后根據(jù)先驗信息(數(shù)據(jù)庫、數(shù)學模型等)對原始數(shù)據(jù)進行處理，從而得到一些決策支持信息。目標跟蹤系統(tǒng)就是為了保持對目標當前狀態(tài)的估計而對所接收到的量測信息進行處理的軟、硬件系統(tǒng)。下圖是目標跟蹤跟蹤系統(tǒng)的框圖。,目標跟蹤研

4、究的內容,機動目標跟蹤的基本流程為遞推過程。,傳感器接收到的觀測數(shù)據(jù)首先被考慮用于更新已建立的目標軌跡，跟蹤規(guī)則用來確定量測/軌跡配對是否合理或正確。,數(shù)據(jù)關聯(lián)則用于最后確定合理的量測/軌跡配對，然后根據(jù)跟蹤維持方法估計出各目標軌跡的真實狀態(tài)； 在跟蹤空間中，那些與己經(jīng)建立的目標軌跡不相關的量測或回波可能來自新的目標或虛普，由跟蹤起始方法可以辨識其真?zhèn)危⑾鄳⑿碌哪繕藬?shù)據(jù)； 當某些目標逃離跟蹤空間后，由跟蹤終結方法，立即可消除多余目標數(shù)據(jù)，減少不必要的計算負載； 最后在新的量測到達之前，由目標預測狀態(tài)可以確定下一時刻的跟蹤中心和大小，并重新開始跟蹤過程的遞推循環(huán)。,隨著跟蹤技術的不斷發(fā)展，

5、跟蹤系統(tǒng)各環(huán)節(jié)之間的界限日益模糊，但跟蹤的基本原理大同小異。,目標跟蹤的基本內容包括,(1)濾波與預測 濾波和預測的目的是估計當前和未來時刻目標的運動狀態(tài)，包括目標的位置、速度和加速度等。基本的濾波方法有維納濾波、最小二乘濾波、-濾波、-濾波和卡爾曼濾波等。 (2)機動目標模型 機動目標模型是指描述目標運動狀態(tài)變化規(guī)律的數(shù)學模型。估計理論特別是卡爾曼濾波理論要求建立數(shù)學模型來描述與估計問題有關的物理現(xiàn)象。經(jīng)典的模型包括:機動目標加速度時間相關模型、相關高斯噪聲模型、變維濾波器、交互多模算法、機動目標“當前”統(tǒng)計模型等。 (3)數(shù)據(jù)關聯(lián) 數(shù)據(jù)關聯(lián)是目標跟蹤的核心部分。數(shù)據(jù)關聯(lián)過程是將候選軌跡(跟

6、蹤規(guī)則的輸出)與己知目標軌跡相比較，并最后確定正確的觀測/軌跡配對的過程。正確地判定量測信息的來源是有效維持目標跟蹤的關鍵。數(shù)據(jù)關聯(lián)的研究包括最佳批處理算法、“最近鄰”濾波、概率數(shù)據(jù)關聯(lián)濾波方法、聯(lián)合概率數(shù)據(jù)關聯(lián)濾波方法、“全鄰”最優(yōu)濾波器、多假設跟蹤方法等，并有更多的新的相關學科研究成果應于數(shù)據(jù)關聯(lián)，比如遺傳算法、神經(jīng)網(wǎng)絡、模糊集論等。,目標跟蹤策略,在傳感器網(wǎng)絡目標跟蹤過程中，節(jié)點間的工作狀態(tài)決定了目標跟蹤的有效性和精確性，因而研究跟蹤策略相當重要，有以下三種： (l)完全跟蹤策略：網(wǎng)絡內所有探測到目標的傳感器節(jié)點均參與跟蹤。顯然，這種策略消耗的能量很大，造成了較大資源浪費。但同時這種方式

7、也提供了較高的跟蹤精度。 (2)隨機跟蹤策略：網(wǎng)絡內每個節(jié)點以概率參與跟蹤，整個跟蹤以平均概率進行跟蹤。顯然，這種策略由于參與跟蹤節(jié)點數(shù)量得到限制，因而可以降低能量消耗，但是不能保證跟蹤精度。 (3)協(xié)作跟蹤策略：網(wǎng)絡通過一個跟蹤算法來適時啟動相關節(jié)點參與跟蹤。通過節(jié)點間相互協(xié)作對目標進行跟蹤，既能節(jié)約能量又能保證跟蹤精度。顯然，協(xié)作跟蹤策略是跟蹤算法的最好選擇。,目標跟蹤關鍵技術,在傳感器網(wǎng)絡的許多實際應用中，跟蹤運動目標是一項基本功能。由于傳感器節(jié)點體積小，價格低廉，采用無線通信方式，以及傳感器網(wǎng)絡部署隨機，具有自組織、魯棒性和隱蔽性等特點，傳感器網(wǎng)絡非常適合于移動目標的定位和跟蹤?；趥?/p>

8、感器網(wǎng)絡的目標跟蹤過程通常包括偵測、定位和通告三個主要階段，在不同的階段采用不同的技術。,在偵測階段，可以選擇紅外、超聲或者震動技術偵測目標的出現(xiàn)。 在定位階段，通過多個傳感器節(jié)點互相協(xié)作，采用三角測量、雙元檢測等算法，確定目標的當前位置，根據(jù)節(jié)點位置的歷史數(shù)據(jù)來估計目標的運動軌跡。 通告階段是節(jié)點交換信息的過程，主要是廣播目標的預估軌跡，通知和啟動軌跡附近的節(jié)點加入目標跟蹤過程。,目標跟蹤關鍵技術,節(jié)點的組織和路由 目標偵測 目標分類 產生初始區(qū)域或初始簇頭 目標的定位 目標軌跡的估計和預測 消息通知,節(jié)點的組織和路由,傳感器網(wǎng)絡沒有嚴格的控制中心，所有節(jié)點地位平等，是一個對等式網(wǎng)絡。而在目

9、標跟蹤應用中，由于節(jié)點能力的限制，單個節(jié)點無法有效地跟蹤目標，需要多個節(jié)點進行協(xié)同感知，并對所獲得的數(shù)據(jù)進行融合處理，提取信息，這樣在目標跟蹤過程中就有一個局部節(jié)點自組織和路由的問題。目前在節(jié)點的自組織方面有以下幾種方式：,集中式 靜態(tài)局部集中式 動態(tài)局部集中式 單點式 序貫式,節(jié)點的組織和路由,1.集中式 所有參與偵測的節(jié)點將數(shù)據(jù)通過多跳網(wǎng)絡直接送給服務器，目標的位置和軌跡在服務器中產生。這種方法和傳統(tǒng)網(wǎng)絡的方式無太大區(qū)別，雖然服務器的處理能力很強，跟蹤精度會很高，但由于節(jié)點的通信量龐大、延時大，所以這種方式在傳感器網(wǎng)絡中一般是不適用的。,節(jié)點的組織和路由,2.靜態(tài)局部集中式 在網(wǎng)絡中安排一

10、定量具有較強處理能力的簇頭(也叫超級節(jié)點)，普通節(jié)點在獲得測量數(shù)據(jù)后傳到簇頭，簇頭再對數(shù)據(jù)進行處理，然后通過簇頭間的路由送到用戶終端。這也是層次式的結構。雖然這是比較好的方法，但是對隨機撒布形成的傳感器網(wǎng)絡無法控制簇頭位置，事實上難以實現(xiàn)。在網(wǎng)絡拓撲不可人為控制時，這種方法就失去了其有效性。 3.動態(tài)局部集中式 簇頭在目標跟蹤過程中通過一定的準則動態(tài)產生，其他節(jié)點將數(shù)據(jù)傳送給動態(tài)簇頭；在目標離開簇頭偵測范圍后，產生新的簇頭，原來的簇頭恢復偵測狀態(tài)，這是目前比較流行的方法。不過這種方法在目標頻繁出現(xiàn)的情況下，容易引起網(wǎng)絡“黑洞”，簇頭負擔過重，同時在參與傳送數(shù)據(jù)的鄰居節(jié)點數(shù)量和區(qū)域的選取上還需慎

11、重考慮，以減少通信能量消耗。,節(jié)點的組織和路由,4.單點式 在目標跟蹤的過程中，始終只有一個動態(tài)頭節(jié)點在跟隨目標。在任何時刻t，只有一個頭節(jié)點k，它負責獲取測量值并更新目標位置的估計。頭節(jié)點從他的鄰居節(jié)點中選取信息量最大的節(jié)點，然后將信息傳給他。這個節(jié)點就成為下一時刻的頭節(jié)點，原先的節(jié)點回到空閑狀態(tài)。這種方法有效地減少了通信能量消耗。但是當頭節(jié)點損壞或數(shù)據(jù)丟失后，跟蹤就無法進行，降低了跟蹤系統(tǒng)的穩(wěn)定性。另外，這種方法只利用了信息量最大的節(jié)點，舍棄了其余的信息量。這一定會降低跟蹤的精度。 5.序貫式 測量值是通過“代理”的“走一遭”來獲取，在獲取過程中同時進行數(shù)據(jù)的融合。這種方法精度和能量是自適

12、應的，在獲得滿足條件的數(shù)據(jù)后就可以進行下面的跟蹤，可以是用戶定制的。如移動代理算法，但是在傳輸過程中要考慮代碼傳輸?shù)耐ㄐ拍芰肯摹?目標偵測,偵測階段的目的就是發(fā)現(xiàn)目標。每個傳感器節(jié)點周期性的利用自身的傳感模塊，通過紅外、超聲或震動探測傳感技術來偵測是否有目標出現(xiàn)。當目標進入偵測區(qū)域后，離它較近的傳感器節(jié)點首先確定目標出現(xiàn)，并計算各自到目標的距離，同時向整個網(wǎng)絡廣播偵測信息。偵測信息中通常包含有節(jié)點ID、節(jié)點自身的位置以及該節(jié)點到目標的距離。鄰居節(jié)點將該偵測消息保存到本地信息表中，并加上時間戳。節(jié)點定期檢查本地信息表，每個表項在一段時間內沒有更新就會被刪除。 目前對于目標來說，有被動偵測和主動

13、偵測。主動偵測是指目標和節(jié)點之間非敵對關系，節(jié)點已知目標所發(fā)出的信號(如射頻)，以明確的偵測手段進行偵測，而被動偵測是節(jié)點不知道目標的具體特征，只能通過聲波、磁場等普通特征來偵測目標。顯然，主動偵測發(fā)現(xiàn)目標的概率遠遠大于被動偵測，誤判率也大大減小，但實際情況中，這種情況只是一小部分。因此對被動偵測的研究應該是主要的方向。,目標分類,分類就是區(qū)分不同類目標的過程。在由Arora等人建立的“A line in the stand”系統(tǒng)中，利用不同種類物體對環(huán)境產生不同影響的原理，通過抽取目標現(xiàn)象特征區(qū)分不同種類的物體。例如，利用磁信號就可以區(qū)分平民和士兵。他們還建了“影響場(influence f

14、iled)”的理論。其基本原理是:目標物體的體積越大，其影響范圍也就越大。于是可以根據(jù)偵測到目標的傳感器節(jié)點的數(shù)目來區(qū)分不同種類的目標。,產生初始區(qū)域或初始簇頭,一個目標的出現(xiàn)經(jīng)常會被多個節(jié)點所感知，如何在考慮節(jié)能和跟蹤精度兩個要求下綜合安排利用各個節(jié)點的信息，這是傳感器網(wǎng)絡能夠實現(xiàn)目標跟蹤任務所要解決的問題。 初始區(qū)域或初始簇頭的選擇遵循這樣的原則：盡量減少信息貢獻量少的節(jié)點或信息有冗余的節(jié)點的參與和通信能量的消耗，同時保證達到跟蹤任務的精度要求。 通常處理的方法是形成一個偵測區(qū)域，也叫協(xié)同組或樹。每個節(jié)點執(zhí)行單獨的幀測，當測量值超過一定的門限值，則發(fā)送消息加入?yún)f(xié)同組或樹，然后在組(樹)內進

15、行頭(根)節(jié)點的選舉，聯(lián)合判決和估計。,目標的定位,傳感器節(jié)點定位過程中，未知節(jié)點在獲得對于鄰居信標節(jié)點的距離，或獲得臨近的信標節(jié)點與未知節(jié)點之間的相對角度后，通常使用的下列方法計算自己的位置。,目標的定位,目標的定位,目標的定位,目標的定位,目標的定位,目標的定位,目前主要的定位方法如下： (1)基于距離的定位 基于距離的定位中，測量節(jié)點間距離或方位時采用的方法包括：到達時間TOA；到達時間差TDOA；到達角度AOA；接收信號強度指示RSSI?；诰嚯x的定位方法雖然能夠達到很好的精度，但共同缺點都是需要節(jié)點間的嚴格同步，且能耗太大。 (2)與距離無關的定位 與距離無關的定位中，一種方法是對節(jié)

16、點到目標間的距離進行估計，然后通過三邊測量定位法或極大似估計法進行定位。還有一種方法是將包含目標的區(qū)域中心或離目標最近的節(jié)點位置作為目標位置，這種方法誤差較大。 (3)基于聲波衰減模型的定位 這種方法需要根據(jù)經(jīng)驗測量獲得比較接近實際的模型，因此在定位誤差上有待提高。,目標軌跡的估計和預測,(1)數(shù)據(jù)表達 目標的位置有三種數(shù)據(jù)表示方式:精確的坐標值、位置范圍、概率分布。精確的坐標值表示在實現(xiàn)時往往帶來很大的誤差，而且這種誤差會隨著跟蹤過程的進行而擴大，因此在精度要求不高的環(huán)境中可以使用。而位置范圍表示和概率分布表示由于考慮了目標位置的多個可能性而具有較高的可信度，從而成為現(xiàn)在目標跟蹤數(shù)據(jù)表示的趨

17、勢。但是同樣由于其數(shù)據(jù)的不確定性，在表達和計算上增加了復雜性。 (2)軌跡的估計 估計實際上就是在接受一系列測量值后，通過一定的估計方法得出盡量符合目標真實狀態(tài)的估計值。比較簡單的估計是取平均值、最小方差準則和MLE，不過最近有一些方法有更好的跟蹤效果，比如序貫估計法。,消息通知,計算出運動軌跡后，網(wǎng)絡需要通知附近的節(jié)點啟動并加入跟蹤過程。下圖描述了消息通知階段里對傳播節(jié)點的選取以及消息通知的過程。,消息通知,消息通知的過程是估算出目標運動軌跡的偵測節(jié)點要廣播一個通知消息，該消息包含發(fā)送者的位置和目標運動的軌跡參數(shù)。收到消息的節(jié)點計算自己到目標預估軌跡的的距離，如果該距離小于預先設定的閾值d，

18、則加入到跟蹤過程，同時轉發(fā)該通知消息。如果收到消息的節(jié)點到消息發(fā)送節(jié)點超過一定距離則丟棄這個消息。 由于每個偵測到目標的節(jié)點都嘗試計算目標的位置及運動軌跡，所以可能出現(xiàn)多個節(jié)點發(fā)送通知消息。為了節(jié)省網(wǎng)絡帶寬和能量，通常規(guī)定節(jié)點在轉發(fā)一個通知消息后的一段時間內不能在轉發(fā)任何節(jié)點的通知消息。如上圖所示，滿足閾值的傳播節(jié)點處于圖中兩條虛線之間，形成一個跟隨目標運動的跟蹤帶。,目標跟蹤指標要求,理想的傳感器網(wǎng)絡跟蹤系統(tǒng)具有可擴展性、漸進精度特性、實時性、可靠性、自適應性，節(jié)能效率高等優(yōu)點。 在目標跟蹤的過程中，需要考慮的指標有能量消耗、跟蹤精度、跟蹤的魯棒性和跟蹤反應時間等。能量消耗主要部分有傳感器、處理器、通信，其中最主要的能量消耗是通信能量消耗，在活動目標的跟蹤中，要考慮傳感器的偵測周期和安放策略以減少傳感器能量消耗，設計有效算法降低處理器能耗，減少數(shù)據(jù)傳輸和節(jié)點間交互以節(jié)約通信能量。然而，