[发明专利]一种联合水流作用的传感节点三维覆盖控制方法

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AN_s＝[AN₁,AN₂,...,AN_i,...,AN_n]^T组成，其中AN_i表示每个传感节点，n表示传感节点的个数；而每个传感节点的三维坐标为AN_i＝[x_i,y_i,z_i]^T，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ρ_s表示传感节点的密度，V_s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ρ_w表示水的密度；水流推力为其中C_p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C_r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：α_p表示水流推力与X轴的夹角，0≤α_p≤2π；α_r表示水流阻力与XOY平面的夹角，0≤α_r≤π；β_r表示水流阻力在XOY平面的投影与X轴的夹角，0≤β_r≤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AN_i和AN_i+1间的几何距离||AN_i-AN_i+1||，通过判断传感节点几何距离||AN_i-AN_i+1||与通信距离R_c和阈值距离d_th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||AN_i-AN_i+1||小于阈值距离d_th时，则传感节点间的三维虚拟力为其中w_R为传感节点间的排斥力系数，α_i,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||AN_i-AN_i+1||大于阈值距离d_th且小于通信距离R_c时，则传感节点间的三维虚拟力为其中w_A为传感节点间的排斥力系数，α_i,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||AN_i-AN_i+1||大于通信距离R_c时，则传感节点间的三维虚拟力为

2.2水下三维监测空间覆盖点集为G_s＝[G₁,G₂,...,G_m]^T，其中G_j＝[gx_j,gy_j,gz_j]^T，j∈m；水下任意一点p＝[px,py,pz]^T与覆盖点集G_j存在有效边则判定该点p到点G_j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-G_j||小于R_s+r_th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，r_th为与障碍物相关的阈值，w_O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-G_j||大于R_s+r_th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AN_i受到邻居传感节点AN_i+1的作用力为同时受到障碍物O_j和边界区域B_j的排斥力分别为和则传感节点AN_i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，d_max为最大单步移动距离。