無線網(wǎng)絡(luò)化多傳感器估計(jì)算法研究.pdf

1、近年來，隨著無線通信技術(shù)的發(fā)展和傳感器節(jié)點(diǎn)性能的提升，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)(Wireless Sensor Networks，WSNs)在眾多領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。在多傳感器估計(jì)系統(tǒng)中引入無線通信網(wǎng)絡(luò)作為傳感器節(jié)點(diǎn)與數(shù)據(jù)處理中心或鄰居節(jié)點(diǎn)之間信息傳輸?shù)臉屑~，構(gòu)成了無線網(wǎng)絡(luò)化多傳感器估計(jì)系統(tǒng)(Wireless Networked Multi-Sensor-Based Estimation Systems，WNMESs)。目前，WNMESs已成為

2、一個(gè)熱點(diǎn)研究課題。
　　WSNs在多傳感器估計(jì)系統(tǒng)中的應(yīng)用一方面帶來了部署方便、易維護(hù)、成本低、可靠性高、容錯(cuò)性好和可擴(kuò)展性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，另一方面也帶來了傳感器節(jié)點(diǎn)能量受限、通信信道約束和傳感器數(shù)據(jù)不同步等問題。本文基于集員估計(jì)理論、投影定理、Lyapunov理論、最小方差估計(jì)方法和協(xié)方差交叉融合算法，研究了基于量化通信、傳感器調(diào)度、聚類傳感器信息和異步傳輸?shù)亩鄠鞲衅鞴烙?jì)問題。研究工作及取得的主要?jiǎng)?chuàng)新性成果包括:
　　1.針對能

3、量受限和帶寬約束的WNMESs，研究基于鄰域量化通信的分布式集員估計(jì)問題。采用對數(shù)量化器，對待傳輸信息進(jìn)行量化處理?；诠?jié)點(diǎn)自身觀測值和從鄰居節(jié)點(diǎn)處接收到的局部交互信息，通過將對數(shù)量化誤差轉(zhuǎn)化為有界不確定項(xiàng)，推導(dǎo)出分布式集員估計(jì)算法。給出滿足分布式集員估計(jì)器存在性的一個(gè)充分條件，并將估計(jì)器增益的設(shè)計(jì)問題轉(zhuǎn)化為求解一凸優(yōu)化問題。通過移動(dòng)目標(biāo)的二維動(dòng)態(tài)模型和三維動(dòng)態(tài)模型驗(yàn)證所提方法的有效性。
　　2.研究具有隨機(jī)傳感器失效和量化通信的

4、分布式一致性Kalman估計(jì)問題。鄰居節(jié)點(diǎn)間的編碼通信由概率量化機(jī)制來實(shí)現(xiàn)。推導(dǎo)了估計(jì)誤差矩陣的遞推方程和估計(jì)性能指標(biāo)的上界，并給出了保證上界收斂的充分條件。針對能耗是否受限的不同情況，根據(jù)估計(jì)性能和量化參數(shù)的關(guān)系構(gòu)造了兩類優(yōu)化問題，通過求解優(yōu)化問題確定Kalman估計(jì)增益和量化字長的最優(yōu)值。最后，通過仿真算例驗(yàn)證所提方法的有效性。
　　3.針對由單信道約束引起的通信受限問題，提出一隨機(jī)競爭傳輸策略，并給出了基于置零輸入機(jī)制和保持

5、輸入機(jī)制的混合存儲(chǔ)方案。通過引入隨機(jī)變量刻畫傳感器的傳輸狀態(tài)，將WNMESs描述為一周期性離散隨機(jī)系統(tǒng)，并采用正交投影理論給出基于隨機(jī)競爭傳輸和周期性混合存儲(chǔ)的多傳感器Kalman估計(jì)算法。通過連續(xù)攪拌釜式反應(yīng)器和目標(biāo)跟蹤系統(tǒng)驗(yàn)證所提方法的有效性。
　　4.研究單信道異質(zhì)傳感器網(wǎng)絡(luò)中的多傳感器H∞估計(jì)問題。采用隨機(jī)競爭傳輸策略對所有傳感器節(jié)點(diǎn)進(jìn)行調(diào)度，使得各傳感器的量測信息以嚴(yán)格異步的方式發(fā)送到估計(jì)器端。采用Lyapunov理論導(dǎo)

6、出多傳感器H∞濾波器，其中濾波器增益通過求解一線性矩陣不等式獲得。基于從傳感器處收到的異步采樣信息，估計(jì)器利用所得的濾波算法等周期地產(chǎn)生估計(jì)值。最后，通過仿真算例驗(yàn)證所提方法的有效性。
　　5.研究單信道異質(zhì)傳感器網(wǎng)絡(luò)中的多傳感器非等周期最小方差估計(jì)問題。采用隨機(jī)競爭傳輸策略和混合存儲(chǔ)策略分別進(jìn)行傳感器調(diào)度和量測信息存儲(chǔ)。同時(shí)考慮隨機(jī)傳感器失效現(xiàn)象，引入Bernoulli變量刻畫傳感器失效過程。引入能耗函數(shù)建立WNMESs的性能指

7、標(biāo)，并將目標(biāo)狀態(tài)的非等周期估計(jì)問題轉(zhuǎn)化為具有條件約束的最小二乘優(yōu)化求解問題。利用最小二乘估計(jì)方法得到目標(biāo)的最優(yōu)估計(jì)，并對估計(jì)算法的性能進(jìn)行分析，給出估計(jì)誤差的上界和滿足該上界收斂的一個(gè)充分條件。通過人工水渠系統(tǒng)驗(yàn)證所提方法的有效性。
　　6.研究基于聚類傳感信息和異步局部傳輸?shù)姆旨?jí)融合估計(jì)問題。采用分級(jí)估計(jì)策略，通過先局部聚類估計(jì)再集中融合的方式對目標(biāo)狀態(tài)進(jìn)行估計(jì)。采用最小方差估計(jì)方法設(shè)計(jì)局部估計(jì)器，利用協(xié)方差交叉融合方法設(shè)計(jì)基于