面向三维场景的无线传感器网络区域覆盖两级映射方法技术

本发明专利技术是一种面向三维场景的无线传感器网络区域覆盖两级映射方法，其目的是提供一种三维场景下无线传感器网络覆盖区域的映射方法。该方法侧重于从三维场景到二维平面的映射过程，采用两级映射的思想，先将表面不规则的三维模型地形上各离散点映射到表面规则的圆锥上，再将圆锥沿母线侧面展开为扇形，同时将圆锥表面各离散点映射到二维平面上，实现三维地形上各离散点到二维平面上对应点的映射转换。通过本发明专利技术提出的方法，可充分利用无线传感器网络中节点感知的三维地形信息，真正从三维角度实现对监测区域的覆盖。

【技术实现步骤摘要】
面向三维场景的无线传感器网络区域覆盖两级映射方法
本专利技术适用于三维场景下的无线传感器网络区域覆盖，通过将三维地形表面各点映射至圆锥表面实现一级映射，在此基础上，再将圆锥表面各点映射至二维平面进行二级映射，结合二维无线传感器网络区域覆盖算法，实现对三维场景的覆盖控制。本技术属于计算机网络领域。
技术介绍
随着机电系统技术、无线通信技术以及计算机技术的飞速发展和日益成熟，低成本、低功耗的微型传感设备通过近距离无线通信自组织而形成的无线传感器网络得到了广泛关注，目前已成为一个极具活力和影响力的研究领域。事实上，与人类生活息息相关的信息绝大部分来自于三维场景中，相比当前研究中普遍采用的二维感知模型及简化场景，现实三维监测环境更为复杂，实际的监测场景很难采用传统二维简化模型进行描述。军事上雷达组网的空天监测即为典型的三维空间覆盖，而海洋水质监测更是面向三维场景的。因此迫切需要研究与实际环境更为贴近的无线传感器网络三维覆盖控制机制，以指导现实场景中传感器节点的部署，从而为场景监测及数据获取奠定基础设施保障。本专利技术的意义在于：局限于传感器假设简略，传统传感器网络节点二维感知模型及其相关覆盖控制理论和成熟算法很难直接应用于真实的人类生活场景中；本专利技术设计了一种面向三维感知的无线传感器网络覆盖优化控制机制，为无线传感器网络的场景监测部署和数据采集奠定基础。当前对于无线传感器网络的研究，无论是覆盖控制或是从能量优化角度大多基于传统的感知模型，并面向理想的二维平面而进行。实际应用中传感器节点一般部署于具体的三维场景中，而当前对于面向三维场景的无线传感器网络覆盖问题的相关研究工作较少。因此有必要对三维感知模型下不规则表面的覆盖增强控制机制展开深入研究。总的来看，目前无线传感器节点感知模型和覆盖增强控制方案大都是面向二维感知空间和理想监测平面区域，已有的部分三维感知模型则通过二维感知模型推广主要面向水下传感器节点设计的，很难准确刻画无线传感器节点的数据感知特性。
技术实现思路
技术问题：本专利技术的目的是提供一种面向三维场景的无线传感器网络区域覆盖两级映射方法。通过将三维地形表面各点映射至圆锥表面的第一级映射，再将圆锥表面各点映射至二维平面的第二级映射，结合平面无线传感器网络区域覆盖算法，实现对三维场景的区域覆盖。通过本专利技术提出的方法，可充分利用无线传感器网络中节点感知的三维地形信息，真正从三维角度实现对监测区域的覆盖。技术方案：本专利技术的面向三维场景的无线传感器网络区域覆盖两级映射方法侧重于从三维场景到二维平面的映射过程，采用两级映射的思想，先将表面不规则的三维模型地形上各离散点映射到表面规则的圆锥上，再将圆锥沿母线侧面展开为扇形，同时将圆锥表面各离散点映射到二维平面上，实现三维地形上各离散点到二维平面上对应点的映射转换。相比传统覆盖方法所采用的将三维场景简化为二维平面，即将三维空间中的点直接投影到二维平面上来进行研究的方式，本方法更好地保留了场景中各离散点的三维特性。面向区域覆盖计算的无线传感器网络三维场景两级映射方法，包含在以下具体步骤中：初始场景设置：步骤1）配置监测场景及传感器节点：设置需要采用无线传感器网络监测的区域场景大小；初始化监测场景中无线传感器节点的数量、布撒位置、主感知方向及感知半径；模型地形：步骤2）设置模型地形：模型地形定义为，表面凹凸不规则的整体单个凸起的三维地形，步骤3）基于模型地形的三维复杂场景离散处理：将三维场景中的地形段与模型地形进行类比处理，对于凸型地形，类比为模型地形；对于凹形地形，类比为倒置的模型地形；而对于平地，则跳过两级映射的步骤，直接采用已有的二维地形覆盖方法求解；第一级映射：步骤4）为模型地形配置对应圆锥：对于由不同的三维地形所得到的模型地形，设计能将其全部包含的三维圆锥体，且该圆锥与模型地形表面至少有一个切点，作为此模型地形的对应圆锥；步骤5）三维模型地形离散点与圆锥表面对应映射关系计算：当模型地形被包含在对应圆锥内时，以步骤4）所得的对应圆锥的中心轴为三维模型地形的轴，将模型地形表面的离散点，在平行于底面的平面内，沿轴到该点的方向，映射到对应圆锥表面；至此，实现三维场景表面的第一级映射，即将三维地形表面的离散点映射至对应圆锥表面；第二级映射：步骤6）将圆锥展开成扇形：将步骤4）所得的对应圆锥沿其任一母线展开，得到对应扇形；以扇形的顶点为极点，以所选展开母线对应扇形的边为极轴，建立极坐标系，步骤7）圆锥表面各离散点映射到二维平面上的对应点：此步骤是将步骤4）所得到的对应圆锥上的离散点映射到由步骤6）所得的扇形二维平面上，因此，各点之间存在一一对应的映射关系；至此，得到第二级映射后，实现了三维地形表面的离散点与二维平面点的对应。以上步骤中所涉及的一些关键操作定义如下：配置对应圆锥：对于附图1所示的模型地形，需设计一个能将其全部涵盖，且与模型地形表面至少有一个切点的圆锥作为其对应圆锥。设对应圆锥的顶点距离地面的高度为h，底面半径为r，选择合适的h和r，使得对应圆锥满足上述条件且与模型地形尽可能接近。示意图如附图3所示；模型地形上各点映射到圆锥表面：由附图3示意的模型地形与其对应圆锥，对模型地形表面各点在各平行于底面的平面内进行映射。以圆锥底面圆心为原点建立空间直角坐标系。设其中某平行于底面的平面如附图4所示，坐标原点为O'，若已知模型地形表面一点Q的坐标为(x0,y0,z0)，将Q点沿方向映射至圆锥表面得Q'点（Q'点即延长线与圆的交点）。设Q'点坐标为(x1,y1,z1)，由于Q点和Q'点在同一平面上，所以Q'点的z坐标z1=z0。Q'点的x，y坐标可由式（1）计算得到：式（1）中，r'为点Q，Q'所在的平行于底面的平面内的圆的半径，由附图5所示的比例关系可得r'：至此，得点Q经过第一级映射得到的坐标Q'圆锥表面各点映射到二维平面：如附图6所示，在空间直角坐标系中，圆锥与yOz面相交于2条母线。将圆锥沿其中位于负y轴一边的母线展开为扇形，建立极坐标系如附图2所示。附图6中从圆锥上方观察到的逆时针方向，与附图2平面中的逆时针方向一致。附图2中，易得由圆锥侧面展开所得的扇形的弧长为2πr，扇形的半径（即圆锥的母线长）为因此，扇形的圆心角由圆锥侧面上离散点与侧面展开扇形上的离散点存在一一对应的关系得，由模型地形中任意一点经过两级映射所得的二维平面上的点，其二维极坐标(ρ,α)满足条件：附图6中，设Q'点所在的且与底面平行的平面圆心为O'，该平面与之前所述的沿其展开的母线交于点P，易知点P坐标为(0,-r',z0)。点P到圆锥顶点的距离，等于点Q'到圆锥顶点的距离，即附图2中点Q''（Q''是Q'通过第二级映射得到的点）极坐标中ρ的大小：如附图4中所示，设∠PO'Q'＝β(0≤β＜2π)，由点P(0,-r',z1)和点Q'(x1,y1,z1)，以及向量关系得：因此，附图4中角β所对应的弧的弧长为r'β。附图4中的弧即附图6中弧也即附图2中的弧由此得点Q''极坐标中α的大小：至此，得点Q'经过第二级映射得到的坐标Q''。有益效果：使用本专利技术提出的面向区域覆盖计算的无线传感器网络三维场景两级映射方法，对应实现方案有如下优点：1.很好地保留了场景的三维特性相比当前其他对于无线传感器网络三本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种面向三维场景的无线传感器网络区域覆盖两级映射方法，其特征在于该方法包含在以下具体步骤中：初始场景设置：步骤1）配置监测场景及传感器节点：设置需要采用无线传感器网络监测的区域场景大小；初始化监测场景中无线传感器节点的数量、布撒位置、主感知方向及感知半径；模型地形：步骤2）设置模型地形：模型地形定义为，表面凹凸不规则的整体单个凸起的三维地形，步骤3）基于模型地形的三维复杂场景离散处理：将三维场景中的地形段与模型地形进行类比处理，对于凸型地形，类比为模型地形；对于凹形地形，类比为倒置的模型地形；而对于平地，则跳过两级映射的步骤，直接采用已有的二维地形覆盖方法求解；第一级映射：步骤4）为模型地形配置对应圆锥：对于由不同的三维地形所得到的模型地形，设计能将其全部包含的三维圆锥体，且该圆锥与模型地形表面至少有一个切点，作...

【专利技术属性】
技术研发人员：肖甫，丁文江，谢星宇，孙力娟，王汝传，郭剑，
申请(专利权)人：南京邮电大学，
类型：发明
国别省市：