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CN114567914A - 无线传感网络的信息传输路径规划方法及装置 - Google Patents

无线传感网络的信息传输路径规划方法及装置 Download PDF

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CN114567914A
CN114567914A CN202210175770.4A CN202210175770A CN114567914A CN 114567914 A CN114567914 A CN 114567914A CN 202210175770 A CN202210175770 A CN 202210175770A CN 114567914 A CN114567914 A CN 114567914A
Authority
CN
China
Prior art keywords
information transmission
transmission path
initial
wireless sensor
sensor network
Prior art date
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Pending
Application number
CN202210175770.4A
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李沐
林凡
朱耿林
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Guangdong University of Technology
GCI Science and Technology Co Ltd
Original Assignee
Guangdong University of Technology
GCI Science and Technology Co Ltd
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Publication date
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Abstract

本发明公开了一种无线传感网络的信息传输路径规划方法及装置，包括：根据无线传感网络中信号传输的起点与终点，构建信号传输路径的栅格地图；基于信息传输路径的距离和转折点数目，利用基于双向搜索策略的蚂蚁算法对所述栅格地图进行路径搜索，得到初始最优信息传输路径；对信号沿所述初始最优信息传输路径进行传输的线速度和角速度进行约束，并利用动态窗口法对所述初始最优信息传输路径的转折点进行检验，得到最终信息传输路径。采用本发明实施例能够提高信号在传输过程中对未知障碍物的避障能力。

Description

无线传感网络的信息传输路径规划方法及装置
技术领域
本发明涉及无线传感网络技术领域，尤其涉及一种无线传感网络的信息传输路径规划方法及装置。
背景技术
随着智能化城市的快速推进发展，无线传感网络越来越被广泛应用于人们生活的方方面面。在无线传感网络中，网络信息传输过程是通过带有数据信息的无线电波在传感器，路由器，主机三者之间互相传输的过程中实现的，然而，在无线电波的传输过程即网络信息传输过程中，无线电波会受到如水泥、墙壁等静态障碍物的阻拦，同时还会受到移动的电子设备产生的无线电的干扰即动态障碍物的干扰；因此，如何规划无线传感网络的信息传输路径，以减少网络信息传输过程中的干扰，加快信息的传输显得十分重要。
目前，通过蚁群算法从无线传感网络中找到一条从起点到终点的信息传输路径，然而，该方案仍然存在如下不足：信号在传输过程中对未知障碍物的避障能力较弱。
发明内容
本发明实施例的目的是提供一种无线传感网络的信息传输路径规划方法及装置，以解决现有技术中对信号在传输过程中对未知障碍物的避障能力较弱的问题，通过结合蚂蚁算法和动态窗口法对无线网络中的信息传输路径进行规划，能够提高信号在传输过程中对未知障碍物的避障能力。
为实现上述目的，本发明实施例提供了一种无线传感网络的信息传输路径规划方法，包括：
根据无线传感网络中信号传输的起点与终点，构建信号传输路径的栅格地图；
基于信息传输路径的距离和转折点数目，利用基于双向搜索策略的蚂蚁算法对所述栅格地图进行路径搜索，得到初始最优信息传输路径；
对信号沿所述初始最优信息传输路径进行传输的线速度和角速度进行约束，并利用动态窗口法对所述初始最优信息传输路径的转折点进行检验，得到最终信息传输路径。
作为上述方案的改进，所述无线传感网络的信息传输路径规划方法还包括：
获取所述最终信息传输路径的第一个转折点；
根据所述起点和所述第一个转折点，确定所述最终信息传输路径的起始传输航向角理论值；
获取所述最终信息传输路径的起始传输航向角实际值；
基于所述起始传输航向角实际值和所述起始传输航向角理论值的比较结果，得到最终最优信息传输路径。
其中，根据下式确定所述最终信息传输路径的起始传输航向角理论值：
d＝((X1-Xs)2+(Y1-Ys)2)1/2
Figure BDA0003518997530000021
θ＝arcsin(c)
其中，θ为最终信息传输路径的起始传输航向角理论值，(Xs,Ys)为信号传输的起点坐标，(X1,Y1)为最终信息传输路径的第一个转折点坐标。
作为上述方案的改进，所述基于信息传输路径的距离和转折点数目，利用基于双向搜索策略的蚂蚁算法对所述栅格地图进行路径搜索，得到初始最优信息传输路径，包括：
确定蚂蚁在对所述栅格地图进行路径搜索过程中释放的初始信息素浓度；
两组蚂蚁根据预设的启发函数和预设的概率选择公式确定下一节点；
当两组蚂蚁相遇时，获得若干初始信息传输路径；
更新若干所述初始信息传输路径的信息素浓度；
基于若干所述初始信息传输路径的距离和转折点数目，从中筛选出初始最优信息传输路径。
作为上述方案的改进，所述两组蚂蚁根据预设的启发函数和预设的概率选择公式确定下一节点包括：
利用所述预设的启发函数，判断任意两个相邻的节点之间的期望程度是否大于预设阈值，若是，利用所述预设的概率选择公式确定下一节点。
作为上述方案的改进，所述确定蚂蚁在对所述栅格地图进行路径搜索过程中释放的初始信息素浓度，包括：
根据下式，确定蚂蚁在对所述栅格地图进行路径搜索过程中释放的初始信息素浓度：
Figure BDA0003518997530000031
Figure BDA0003518997530000032
Figure BDA0003518997530000033
Figure BDA0003518997530000034
其中，k为连接无线传感网络中信号传输的起点(xs,ys)与终点(xe,ye)的直线的斜率，L为无线传感网络中信号传输的起点与终点之间的直线，d为节点i到直流L的距离，q为原始信息素浓度均匀分布时的原始信息素浓度，qi为节点i的初始信息素浓度。
作为上述方案的改进，所述预设的启发函数为：
Figure BDA0003518997530000041
其中，A为放大倍数，dijE为节点i到下一节点j的欧式距离与下一节点j到终点E的欧式距离之和；
所述预设的概率选择公式为：
Figure BDA0003518997530000042
其中，
Figure BDA0003518997530000043
nij为启发函数，nx为原栅格转移到下一栅格内所有节点的总期望程度，τij(t+1)为t+1时刻的信息素浓度。
作为上述方案的改进，根据下式更新若干所述初始信息传输路径的信息素浓度：
Figure BDA0003518997530000044
Figure BDA0003518997530000045
Figure BDA0003518997530000046
其中，τij(t+1)为t+1时刻的信息素浓度，ρ为信息素浓度挥发系数，0≤ρ≤1；τij表示t时刻的信息素浓度，Δτij为信息素浓度增量，初始时刻Δτij＝0；Q为信息素浓度总量，
Figure BDA0003518997530000047
为初始最优信息传输路径上的的信息素浓度增量；Lm为起点到终点的直线距离，Lmax为初始最优信息传输路径。
作为上述方案的改进，所述利用动态窗口法对所述初始最优信息传输路径的转折点进行检验，得到最终信息传输路径，包括：
根据预设的评价函数对所述初始最优信息传输路径的转折点进行检验：
Figure BDA0003518997530000048
其中，v、ω分别表示信号传输的线速度和角速度，angle(v,ω)为方向角评价函数；vel(v,ω)为速度评价函数；σ为平滑系数，γ和
Figure BDA0003518997530000049
分别为方向角评价函数、速度评价函数的加权系数。
作为上述方案的改进，所述方向角评价函数为：
Figure BDA0003518997530000051
所述速度评价函数为：
Figure BDA0003518997530000052
其中，Vm+1为信号传到第m+1个转折点时的传播速度，Vm为第m个转折点的传播速度。
本发明实施例还提供了一种无线传感网络的信息传输路径规划装置，包括：
栅格地图构建模块，用于根据无线传感网络中信号传输的起点与终点，构建信号传输路径的栅格地图；
初始最优信息传输路径获取模块，用于基于信息传输路径的距离和转折点数目，利用基于双向搜索策略的蚂蚁算法对所述栅格地图进行路径搜索，得到初始最优信息传输路径；
最终信息传输路径获取模块，用于对信号沿所述初始最优信息传输路径进行传输的线速度和角速度进行约束，并利用动态窗口法对所述初始最优信息传输路径的转折点进行检验，得到最终信息传输路径。
与现有技术相比，本发明实施例提供的一种无线传感网络的信息传输路径规划方法及装置，通过根据无线传感网络中信号传输的起点与终点，构建信号传输路径的栅格地图；基于信息传输路径的距离和转折点数目，利用基于双向搜索策略的蚂蚁算法对所述栅格地图进行路径搜索，得到初始最优信息传输路径；对信号沿所述初始最优信息传输路径进行传输的线速度和角速度进行约束，并利用动态窗口法对所述初始最优信息传输路径的转折点进行检验，得到最终信息传输路径。由此可见，本发明实施例通过结合蚂蚁算法和动态窗口法对无线网络中的信息传输路径进行规划，能够提高信号在传输过程中对未知障碍物的避障能力。
附图说明
图1是本发明实施例提供的一种无线传感网络的信息传输路径规划方法的流程图；
图2是本发明实施例提供的一种无线传感网络的信息传输路径规划装置的结构框图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
参见图1，图1是本发明实施例提供的一种无线传感网络的信息传输路径规划方法的流程图，所述无线传感网络的信息传输路径规划方法，包括：
S1、根据无线传感网络中信号传输的起点与终点，构建信号传输路径的栅格地图；
S2、基于信息传输路径的距离和转折点数目，利用基于双向搜索策略的蚂蚁算法对所述栅格地图进行路径搜索，得到初始最优信息传输路径；
S3、对信号沿所述初始最优信息传输路径进行传输的线速度和角速度进行约束，并利用动态窗口法对所述初始最优信息传输路径的转折点进行检验，得到最终信息传输路径。
具体地，在步骤S1中，连接无线传感网络中信号传输的起点与终点，计算起点与终点的直线距离，然后在起点、终点处各作一互相平行、长度等于起点与终点的直线距离的平行线，连接该互相平行的平行线的四端点，形成一平行四边形；对这一平行四边形进行适当多等分为一个个面积相等的栅格，即生成信号传输路径的栅格地图。
具体地，在步骤S2中，所述基于信息传输路径的距离和转折点数目，利用基于双向搜索策略的蚂蚁算法对所述栅格地图进行路径搜索，得到初始最优信息传输路径，包括：
S21、确定蚂蚁在对所述栅格地图进行路径搜索过程中释放的初始信息素浓度；
S22、两组蚂蚁根据预设的启发函数和预设的概率选择公式确定下一节点；
S23、当两组蚂蚁相遇时，获得若干初始信息传输路径；
S24、更新若干所述初始信息传输路径的信息素浓度；
S25、基于若干所述初始信息传输路径的距离和转折点数目，从中筛选出初始最优信息传输路径。
在本发明实施例中，根据启发函数和各栅格初始信息浓度组成的概率选择函数，双向搜索得到若干条初始信息传输路径；接着，对这若干条初始信息传输路径均进行信息浓度的更新(初始最优信息传输路径的信息浓度更新时，其
Figure BDA0003518997530000071
更新不为0，即该路径的浓度增加比其他路径高)；
基于若干所述初始信息传输路径的距离和转折点数目，从中筛选出初始最优信息传输路径，若得到的初始最优信息传输路径不理想，则将启发函数和更新后的信息浓度再次组成概率选择公式，再进行一次双向搜索，重复上述步骤，直至出现符合的最优解即得到初始最优信息传输路径。
具体地，在步骤S21中，所述确定蚂蚁在对所述栅格地图进行路径搜索过程中释放的初始信息素浓度，包括：
根据下式，确定蚂蚁在对所述栅格地图进行路径搜索过程中释放的初始信息素浓度：
Figure BDA0003518997530000072
Figure BDA0003518997530000081
Figure BDA0003518997530000082
Figure BDA0003518997530000083
其中，k为连接无线传感网络中信号传输的起点(xs,ys)与终点(xe,ye)的直线的斜率，L为无线传感网络中信号传输的起点与终点之间的直线，d为节点i到直流L的距离，q为原始信息素浓度均匀分布时的原始信息素浓度，qi为节点i的初始信息素浓度。
需要说的是，在目前常用的传统信息传输规划算法中，原始信息素浓度采用均匀分布的方法，简单易行，但各栅格信息浓度相同会导致算法初期存在盲目搜索，收敛性差等问题。由于双向搜索策略能够大大提高算法全局搜索能力、加快前期搜索效率、增大前期有效解，因此，本发明实施例在基于双向搜索策略下提出令原始信息浓度不同，双向分散分布，为双向搜索提供大体方向，避免算法初期盲目搜索、收敛性差等问题，并满足任意起点与终点的应用场景。
具体地，在步骤S22中，所述两组蚂蚁根据预设的启发函数和预设的概率选择公式确定下一节点包括：
利用所述预设的启发函数，判断任意两个相邻的节点之间的期望程度是否大于预设阈值，若是，利用所述预设的概率选择公式确定下一节点。
可以理解的是，本发明实施例利用启发函数判断任意相邻两节点之间的期望程度，若出现两节点之间期望程度过低的情况，放弃该相邻两节点组成的路径，否则，利用所述预设的概率选择公式确定下一节点。
具体地，所述预设的启发函数为：
Figure BDA0003518997530000091
其中，A为放大倍数，dijE为节点i到下一节点j的欧式距离与下一节点j到终点E的欧式距离之和；
具体地，dijE＝μdij+(1-μ)djE，其中，dij为节点i到下一节点j的欧式距离，djE为下一节点j到终点E的欧式距离，μ为常数。
需要说明的是，传统规划算法的启发函数与栅格i和栅格j之间的距离成反比，但相邻栅格之间的距离差异很小，对路径搜索的引导作用不大。目前，有效的改进是将信号下一可选栅格到终点的距离与当前栅格到下一可选栅格的距离的加权和倒数作为启发函数，该方法虽然考虑了当前栅格转移到下一栅格所付出的代价，但相邻栅格距离差异较小，对整体的启发信息影响也不大。因此，本发明实施例引入放大系数A来增大相邻栅格的启发信息差异，从而增大选择更短节点的概率。
具体地，所述预设的概率选择公式为：
Figure BDA0003518997530000092
其中，
Figure BDA0003518997530000093
nij为启发函数，nx为原栅格转移到下一栅格内所有节点的总期望程度，τij(t+1)为t+1时刻的信息素浓度。
需要说明的是，从一个栅格转移到下一个栅格，下一个栅格中可能转移的节点数量为n；
由启发函数知道，两个节点之间转移的期望程度为：
Figure BDA0003518997530000094
dijE＝μdij+(1-μ)djE
由此，可得从原栅格转移到下一栅格所有节点的总期望程度为：
Figure BDA0003518997530000101
则，可得下一栅格内某一节点被选中的概率为：
Figure BDA0003518997530000102
式子中，nij为启发函数，表示信号从节点i转移到节点j的期望程度；dij为节点i到下一节点j的欧式距离；djE为下一节点j到终点E的欧式距离，A为放大倍数，μ为常数。
对所有可能到达终点的路径进行信息浓度更新，假定下一栅格中某节点信息浓度为τij(t+1)；
则，该节点被上一节点转移的概率为：
Figure BDA0003518997530000103
其中，α为由启发式函数求得该节点被选中的概率。
可以理解的是，转移概率越大，被选中转移的概率也会越大，方便选择更合适、更恰当的转移节点。
具体地，在步骤S23中，当两组蚂蚁相遇时，获得若干初始信息传输路径。
具体地，在步骤S24中，根据下式更新若干所述初始信息传输路径的信息素浓度：
Figure BDA0003518997530000104
Figure BDA0003518997530000105
Figure BDA0003518997530000106
其中，τij(t+1)为t+1时刻的信息素浓度，ρ为信息素浓度挥发系数，0≤ρ≤1；τij表示t时刻的信息素浓度，Δτij为信息素浓度增量，初始时刻Δτij＝0；Q为信息素浓度总量，
Figure BDA0003518997530000111
为初始最优信息传输路径上的的信息素浓度增量；Lm为起点到终点的直线距离，Lmax为初始最优信息传输路径。
具体地，ρ为信息素浓度挥发系数，0≤ρ≤1，其取值取决于两节点之间的距离，若两点之间传输距离长，则挥发系数可以适当取值偏大；Q为信息素浓度总量，其大小取决于栅格地图总面积，总面积越大，Q值可适量取值偏大。
需要说明的是，传统路径规划算法采用全局信息浓度更新方式，只有最短路径上信息浓度被更新，虽然可以很好地利用最优解信息，但会导致过早集中在同一条路径上，降低算法的全局搜索能力，易陷入局部最优解。另外，在更新最短路径上的信息浓度时，可能会欠缺考虑最短路径可能并非只有一条，所以大多只更新其中一条最短路径上信息浓度，以致会丢失最优解。因此，本发明实施例对所有到达终点的路径都进行信息浓度更新，并找到其中的最短路径，然后在选择最优路径时引入转弯次数影响因素(转弯次数的增加会大大影响信号传播时的传播效率，过于频繁地转向还会加剧信号的衰减，影响传播效率)，选择转弯次数最少的最短路径作为最优路径更新信息浓度，从而得到平滑度更高，更符合信号传播的路径。例如，当更新得到最佳路径一和次最佳路径二时，这时需比较两者的传播距离和转弯次数；倘若路径一的传播距离和路径二类似，但转弯次数远大于路径二，这时则应该舍弃路径一，反而选用路径二为最佳路径。
在本发明实施例中，由于信息浓度在路程栅格中分散分布，因此起始点的信息浓度τij(0)需通过在栅格地图中双向搜索所得。
具体地，在步骤S25中，基于若干所述初始信息传输路径的距离和转折点数目，从中筛选出初始最优信息传输路径。
具体地，在步骤S3中，根据信号自身特性限制以及周围环境的因素，对信号沿所述初始最优信息传输路径进行传输的线速度和角速度进行约束：
(1)速度约束
设信号初始的传播速度为Vs，则Vs＝{(v,ω)|v∈[vmax,vmin],ω∈[ωmax,ωmin]}，
式中，v、ω分别表示信号传输的线速度和角速度；vmin、vmax和ωmin、ωmax分别表示信号传输的中线速度和角速度的最大值和最小值。
由于信号在传播过程中具有衰减性，因此，通常选定vmax和ωmax为上一节点的传输线速度和角速度，vmin和ωmin为上一节点的传输线速度和角速度的一半。
(2)加速度约束
虽然信号在传输过程中具有衰减性，但不能过度衰减，这样会影响信号传送接收的质量，甚至完全接受不到信号；因此对两节点之间线速度和角速度的加速度衰减做了以下限制：
Vd＝{(v,ω)|v∈[vn,v-at],ω∈[ωn,ωn-bt]}
式中，vn和ωn分别表示信号在转折点n的线速度和角速度；a，b分别表示信号传输的线速度和角速度最大衰减加速度，一般情况下为，最大衰减加速度为上一节点信号传播速度衰减到原来的三分之二时的衰减加速度。
具体地，在步骤S3中，所述利用动态窗口法对所述初始最优信息传输路径的转折点进行检验，得到最终信息传输路径，包括：
根据预设的评价函数对所述初始最优信息传输路径的转折点进行检验：
Figure BDA0003518997530000121
其中，v、ω分别表示信号传输的线速度和角速度，angle(v,ω)为方向角评价函数；vel(v,ω)为速度评价函数；σ为平滑系数，γ和
Figure BDA0003518997530000122
分别为方向角评价函数、速度评价函数的加权系数。
可以理解的是，函数评价准则是选用的转折点能帮助信号在传输过程中尽量避开障碍物，朝向目标快速前进。在本发明实施例中，通过评价函数算出某个转折点得分过低，可将该转折点删减，并以其上一转折点和下一转折点作为起点和终点，通过上述实施例求解得出其近似中间转折点。
具体地，所述方向角评价函数为：
Figure BDA0003518997530000131
所述速度评价函数为：
Figure BDA0003518997530000132
其中，Vm+1为信号传到第m+1个转折点时的传播速度，Vm为第m个转折点的传播速度。
在本发明实施例中，由于信号在传输过程中，传输速度衰减不能过快，每个转折节点的转弯角度也不能过高，因此方向角评价函数和速度评价函数如下：
Figure BDA0003518997530000133
Figure BDA0003518997530000134
式中，Vm+1为信号传到第m+1个转折点时的传播速度，Vm为第m个转折点的传播速度；γ和
Figure BDA0003518997530000135
的取值取决于起点与终点连线的角度的偏差、距离的长短，正常两者的取值为1，但倘若偏差角度大，则γ可适当取小，若直线距离短，则
Figure BDA0003518997530000136
可适当取值偏大。
在本发明实施例中，转折点的选取应该充分考虑信号自身特性限制以及环境对信号传播速度的约束，因此选取信号传播速度的二维空间中的速度对(线速度和角速度)，对它们进行一定的约束；并设计一合理的评价函数，对初始最优传输路径中所选节点进行一定的优化筛选，最终完成整体的路径优化。由此可见，通过设计合理且实际评价函数，不仅对传播速度进行合理评价，且对转折角度也进行合理检验，使得设计出来的路线不仅距离最短，转折角度与次数也大大减少，受动静态障碍物干扰程度低，信号传输效率高。
在又一优选实施例中，所述无线传感网络的信息传输路径规划方法还包括：
获取所述最终信息传输路径的第一个转折点；
根据所述起点和所述第一个转折点，确定所述最终信息传输路径的起始传输航向角理论值；
获取所述最终信息传输路径的起始传输航向角实际值；
基于所述起始传输航向角实际值和所述起始传输航向角理论值的比较结果，得到最终最优信息传输路径。
具体地，所述根据所述起点和所述第一个转折点，确定所述最终信息传输路径的起始传输航向角理论值，包括：
根据下式，确定所述最终信息传输路径的起始传输航向角理论值：
d＝((X1-Xs)2+(Y1-Ys)2)1/2
Figure BDA0003518997530000141
θ＝arcsin(c)
其中，θ为最终信息传输路径的起始传输航向角理论值，(Xs,Ys)为信号传输的起点坐标，(X1,Y1)为最终信息传输路径的第一个转折点坐标。
需要说明的是，在大多规划算法中，信号起初的传输航向角是随机设定的固定角，但当与目标点角度偏差较大时，会出现初期搜索路线绕行的现象，增加信号传输路径的冗余；因此，本发明实施例提出了以起点与第一个转折点的连线与水平方向的夹角来获取起初传输航向角理论值，当起初传输航向角理论值与起初传输航向角实际值的偏差不大于预设偏差时，判定最终信息传输路径为最终最优信息传输路径，否则，继续迭代，直至起初传输航向角理论值与起初传输航向角实际值的偏差不大于预设偏差，得到最终最优信息传输路径，以避免绕行的情况。
本发明实施例所提供的一种无线传感网络的信息传输路径规划方法，通过根据无线传感网络中信号传输的起点与终点，构建信号传输路径的栅格地图；基于信息传输路径的距离和转折点数目，利用基于双向搜索策略的蚂蚁算法对所述栅格地图进行路径搜索，得到初始最优信息传输路径；对信号沿所述初始最优信息传输路径进行传输的线速度和角速度进行约束，并利用动态窗口法对所述初始最优信息传输路径的转折点进行检验，得到最终信息传输路径。由此可见，本发明实施例通过结合蚂蚁算法和动态窗口法对无线网络中的信息传输路径进行规划，能够提高信号在传输过程中对未知障碍物的避障能力。
参见图2，图2是本发明实施例提供的一种无线传感网络的信息传输路径规划装置10的结构框图，所述无线传感网络的信息传输路径规划装置10，包括：
栅格地图构建模块11，用于根据无线传感网络中信号传输的起点与终点，构建信号传输路径的栅格地图；
初始最优信息传输路径获取模块12，用于基于信息传输路径的距离和转折点数目，利用基于双向搜索策略的蚂蚁算法对所述栅格地图进行路径搜索，得到初始最优信息传输路径；
最终信息传输路径获取模块13，用于对信号沿所述初始最优信息传输路径进行传输的线速度和角速度进行约束，并利用动态窗口法对所述初始最优信息传输路径的转折点进行检验，得到最终信息传输路径。
优选地，所述无线传感网络的信息传输路径规划装置还包括：
第一个转折点获取模块，用于获取所述最终信息传输路径的第一个转折点；
起始传输航向角理论值计算模块，用于根据所述起点和所述第一个转折点，确定所述最终信息传输路径的起始传输航向角理论值；
起始传输航向角实际值获取模块，用于获取所述最终信息传输路径的起始传输航向角实际值；
最终最优信息传输路径获取模块，用于基于所述起始传输航向角实际值和所述起始传输航向角理论值的比较结果，得到最终最优信息传输路径。
优选地，所述根据所述起点和所述第一个转折点，确定所述最终信息传输路径的起始传输航向角理论值，包括：
根据下式，确定所述最终信息传输路径的起始传输航向角理论值：
d＝((X1-Xs)2+(Y1-Ys)2)1/2
Figure BDA0003518997530000161
θ＝arcsin(c)
其中，θ为最终信息传输路径的起始传输航向角理论值，(Xs,Ys)为信号传输的起点坐标，(X1,Y1)为最终信息传输路径的第一个转折点坐标。
优选地，所述基于信息传输路径的距离和转折点数目，利用基于双向搜索策略的蚂蚁算法对所述栅格地图进行路径搜索，得到初始最优信息传输路径，包括：
确定蚂蚁在对所述栅格地图进行路径搜索过程中释放的初始信息素浓度；
两组蚂蚁根据预设的启发函数和预设的概率选择公式确定下一节点；
当两组蚂蚁相遇时，获得若干初始信息传输路径；
更新若干所述初始信息传输路径的信息素浓度；
基于若干所述初始信息传输路径的距离和转折点数目，从中筛选出初始最优信息传输路径。
优选地，所述两组蚂蚁根据预设的启发函数和预设的概率选择公式确定下一节点包括：
利用所述预设的启发函数，判断任意两个相邻的节点之间的期望程度是否大于预设阈值，若是，利用所述预设的概率选择公式确定下一节点。
优选地，所述确定蚂蚁在对所述栅格地图进行路径搜索过程中释放的初始信息素浓度，包括：
根据下式，确定蚂蚁在对所述栅格地图进行路径搜索过程中释放的初始信息素浓度：
Figure BDA0003518997530000162
Figure BDA0003518997530000163
Figure BDA0003518997530000171
Figure BDA0003518997530000172
其中，k为连接无线传感网络中信号传输的起点(xs,ys)与终点(xe,ye)的直线的斜率，L为无线传感网络中信号传输的起点与终点之间的直线，d为节点i到直流L的距离，q为原始信息素浓度均匀分布时的原始信息素浓度，qi为节点i的初始信息素浓度。
优选地，所述预设的启发函数为：
Figure BDA0003518997530000173
其中，A为放大倍数，dijE为节点i到下一节点j的欧式距离与下一节点j到终点E的欧式距离之和；
所述预设的概率选择公式为：
Figure BDA0003518997530000174
其中，
Figure BDA0003518997530000175
nij为启发函数，nx为原栅格转移到下一栅格内所有节点的总期望程度，τij(t+1)为t+1时刻的信息素浓度。
优选地，根据下式更新若干所述初始信息传输路径的信息素浓度：
Figure BDA0003518997530000176
Figure BDA0003518997530000177
Figure BDA0003518997530000181
其中，τij(t+1)为t+1时刻的信息素浓度，ρ为信息素浓度挥发系数，0≤ρ≤1；τij表示t时刻的信息素浓度，Δτij为信息素浓度增量，初始时刻Δτij＝0；Q为信息素浓度总量，
Figure BDA0003518997530000182
为初始最优信息传输路径上的的信息素浓度增量；Lm为起点到终点的直线距离，Lmax为初始最优信息传输路径。
优选地，所述利用动态窗口法对所述初始最优信息传输路径的转折点进行检验，得到最终信息传输路径，包括：
根据预设的评价函数对所述初始最优信息传输路径的转折点进行检验：
Figure BDA0003518997530000183
其中，v、ω分别表示信号传输的线速度和角速度，angle(v,ω)为方向角评价函数；vel(v,ω)为速度评价函数；σ为平滑系数，γ和
Figure BDA0003518997530000186
分别为方向角评价函数、速度评价函数的加权系数。
优选地，所述方向角评价函数为：
Figure BDA0003518997530000184
所述速度评价函数为：
Figure BDA0003518997530000185
其中，Vm+1为信号传到第m+1个转折点时的传播速度，Vm为第m个转折点的传播速度。
值得说明的是，本发明实施例所述的无线传感网络的信息传输路径规划装置10中各个模块的工作过程可参考上述实施例所述的无线传感网络的信息传输路径规划方法的工作过程，在此不再赘述。
本发明实施例所提供的一种无线传感网络的信息传输路径规划装置10，通过根据无线传感网络中信号传输的起点与终点，构建信号传输路径的栅格地图；基于信息传输路径的距离和转折点数目，利用基于双向搜索策略的蚂蚁算法对所述栅格地图进行路径搜索，得到初始最优信息传输路径；对信号沿所述初始最优信息传输路径进行传输的线速度和角速度进行约束，并利用动态窗口法对所述初始最优信息传输路径的转折点进行检验，得到最终信息传输路径。由此可见，本发明实施例通过结合蚂蚁算法和动态窗口法对无线网络中的信息传输路径进行规划，能够提高信号在传输过程中对未知障碍物的避障能力。
以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种无线传感网络的信息传输路径规划方法，其特征在于，包括：
根据无线传感网络中信号传输的起点与终点，构建信号传输路径的栅格地图；
基于信息传输路径的距离和转折点数目，利用基于双向搜索策略的蚂蚁算法对所述栅格地图进行路径搜索，得到初始最优信息传输路径；
对信号沿所述初始最优信息传输路径进行传输的线速度和角速度进行约束，并利用动态窗口法对所述初始最优信息传输路径的转折点进行检验，得到最终信息传输路径。
2.如权利要求1所述的无线传感网络的信息传输路径规划方法，其特征在于，所述无线传感网络的信息传输路径规划方法还包括：
获取所述最终信息传输路径的第一个转折点；
根据所述起点和所述第一个转折点，确定所述最终信息传输路径的起始传输航向角理论值；
获取所述最终信息传输路径的起始传输航向角实际值；
基于所述起始传输航向角实际值和所述起始传输航向角理论值的比较结果，得到最终最优信息传输路径；
其中，根据下式确定所述最终信息传输路径的起始传输航向角理论值：
d＝((X1-Xs)2+(Y1-Ys)2)1/2
Figure FDA0003518997520000011
θ＝arcsin(c)
其中，θ为最终信息传输路径的起始传输航向角理论值，(Xs，Ys)为信号传输的起点坐标，(X1，Y1)为最终信息传输路径的第一个转折点坐标。
3.如权利要求1所述的无线传感网络的信息传输路径规划方法，其特征在于，所述基于信息传输路径的距离和转折点数目，利用基于双向搜索策略的蚂蚁算法对所述栅格地图进行路径搜索，得到初始最优信息传输路径，包括：
确定蚂蚁在对所述栅格地图进行路径搜索过程中释放的初始信息素浓度；
两组蚂蚁根据预设的启发函数和预设的概率选择公式确定下一节点；
当两组蚂蚁相遇时，获得若干初始信息传输路径；
更新若干所述初始信息传输路径的信息素浓度；
基于若干所述初始信息传输路径的距离和转折点数目，从中筛选出初始最优信息传输路径。
4.如权利要求3所述的无线传感网络的信息传输路径规划方法，其特征在于，所述两组蚂蚁根据预设的启发函数和预设的概率选择公式确定下一节点包括：
利用所述预设的启发函数，判断任意两个相邻的节点之间的期望程度是否大于预设阈值，若是，利用所述预设的概率选择公式确定下一节点。
5.如权利要求3所述的无线传感网络的信息传输路径规划方法，其特征在于，所述确定蚂蚁在对所述栅格地图进行路径搜索过程中释放的初始信息素浓度，包括：
根据下式，确定蚂蚁在对所述栅格地图进行路径搜索过程中释放的初始信息素浓度：
Figure FDA0003518997520000021
Figure FDA0003518997520000022
Figure FDA0003518997520000031
Figure FDA0003518997520000032
其中，k为连接无线传感网络中信号传输的起点(xs,ys)与终点(xe,ye)的直线的斜率，L为无线传感网络中信号传输的起点与终点之间的直线，d为节点i到直线L的距离，q为原始信息素浓度均匀分布时的原始信息素浓度，qi为节点i的初始信息素浓度。
6.如权利要求3所述的无线传感网络的信息传输路径规划方法，其特征在于，所述预设的启发函数为：
Figure FDA0003518997520000033
其中，A为放大倍数，dijE为节点i到下一节点j的欧式距离与下一节点j到终点E的欧式距离之和；
所述预设的概率选择公式为：
Figure FDA0003518997520000034
其中，
Figure FDA0003518997520000035
nij为启发函数，nx为原栅格转移到下一栅格内所有节点的总期望程度，τij(t+1)为t+1时刻的信息素浓度。
7.如权利要求3所述的无线传感网络的信息传输路径规划方法，其特征在于，根据下式更新若干所述初始信息传输路径的信息素浓度：
Figure FDA0003518997520000036
Figure FDA0003518997520000041
Figure FDA0003518997520000042
其中，τij(t+1)为t+1时刻的信息素浓度，ρ为信息素浓度挥发系数，0≤ρ≤1；τij表示t时刻的信息素浓度，Δτij为信息素浓度增量，初始时刻Δτij＝0；Q为信息素浓度总量，
Figure FDA0003518997520000043
为初始最优信息传输路径上的的信息素浓度增量；Lm为起点到终点的直线距离，Lmax为初始最优信息传输路径。
8.如权利要求1所述的无线传感网络的信息传输路径规划方法，其特征在于，所述利用动态窗口法对所述初始最优信息传输路径的转折点进行检验，得到最终信息传输路径，包括：
根据预设的评价函数对所述初始最优信息传输路径的转折点进行检验：
Figure FDA0003518997520000044
其中，v、ω分别表示信号传输的线速度和角速度，angle(v,ω)为方向角评价函数；vel(v,ω)为速度评价函数；σ为平滑系数，γ和
Figure FDA0003518997520000045
分别为方向角评价函数、速度评价函数的加权系数。
9.如权利要求8所述的无线传感网络的信息传输路径规划方法，其特征在于，所述方向角评价函数为：
Figure FDA0003518997520000046
所述速度评价函数为：
Figure FDA0003518997520000051
其中，Vm+1为信号传到第m+1个转折点时的传播速度，Vm为第m个转折点的传播速度。
10.一种无线传感网络的信息传输路径规划装置，其特征在于，包括：
栅格地图构建模块，用于根据无线传感网络中信号传输的起点与终点，构建信号传输路径的栅格地图；
初始最优信息传输路径获取模块，用于基于信息传输路径的距离和转折点数目，利用基于双向搜索策略的蚂蚁算法对所述栅格地图进行路径搜索，得到初始最优信息传输路径；
最终信息传输路径获取模块，用于对信号沿所述初始最优信息传输路径进行传输的线速度和角速度进行约束，并利用动态窗口法对所述初始最优信息传输路径的转折点进行检验，得到最终信息传输路径。
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