無線網(wǎng)絡(luò)化多傳感器估計算法研究.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。在多傳感器估計系統(tǒng)中引入無線通信網(wǎng)絡(luò)作為傳感器節(jié)點與數(shù)據(jù)處理中心或鄰居節(jié)點之間信息傳輸?shù)臉屑~，構(gòu)成了無線網(wǎng)絡(luò)化多傳感器估計系統(tǒng)(Wireless Networked Multi-Sensor-Based Estimation Systems，WNMESs)。目前，WNMESs已成為

2、一個熱點研究課題。
　　WSNs在多傳感器估計系統(tǒng)中的應(yīng)用一方面帶來了部署方便、易維護、成本低、可靠性高、容錯性好和可擴展性強等優(yōu)點，另一方面也帶來了傳感器節(jié)點能量受限、通信信道約束和傳感器數(shù)據(jù)不同步等問題。本文基于集員估計理論、投影定理、Lyapunov理論、最小方差估計方法和協(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)亩鄠鞲衅鞴烙媶栴}。研究工作及取得的主要創(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問題。采用對數(shù)量化器，對待傳輸信息進行量化處理?；诠?jié)點自身觀測值和從鄰居節(jié)點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，推導出分布式集員估計算法。給出滿足分布式集員估計器存在性的一個充分條件，并將估計器增益的設(shè)計問題轉(zhuǎn)化為求解一凸優(yōu)化問題。通過移動目標的二維動態(tài)模型和三維動態(tài)模型驗證所提方法的有效性。
　　2.研究具有隨機傳感器失效和量化通信的

4、分布式一致性Kalman估計問題。鄰居節(jié)點間的編碼通信由概率量化機制來實現(xiàn)。推導了估計誤差矩陣的遞推方程和估計性能指標的上界，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估計增益和量化字長的最優(yōu)值。最后，通過仿真算例驗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，提出一隨機競爭傳輸策略，并給出了基于置零輸入機制和保持

5、輸入機制的混合存儲方案。通過引入隨機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系統(tǒng)，并采用正交投影理論給出基于隨機競爭傳輸和周期性混合存儲的多傳感器Kalman估計算法。通過連續(xù)攪拌釜式反應(yīng)器和目標跟蹤系統(tǒng)驗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∞估計問題。采用隨機競爭傳輸策略對所有傳感器節(jié)點進行調(diào)度，使得各傳感器的量測信息以嚴格異步的方式發(fā)送到估計器端。采用Lyapunov理論導

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?；趶膫鞲衅魈幨盏降漠惒讲蓸有畔ⅲ烙嬈骼盟玫臑V波算法等周期地產(chǎn)生估計值。最后，通過仿真算例驗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問題。采用隨機競爭傳輸策略和混合存儲策略分別進行傳感器調(diào)度和量測信息存儲。同時考慮隨機傳感器失效現(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，并將目標狀態(tài)的非等周期估計問題轉(zhuǎn)化為具有條件約束的最小二乘優(yōu)化求解問題。利用最小二乘估計方法得到目標的最優(yōu)估計，并對估計算法的性能進行分析，給出估計誤差的上界和滿足該上界收斂的一個充分條件。通過人工水渠系統(tǒng)驗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)姆旨壢诤瞎烙媶栴}。采用分級估計策略，通過先局部聚類估計再集中融合的方式對目標狀態(tài)進行估計。采用最小方差估計方法設(shè)計局部估計器，利用協(xié)方差交叉融合方法設(shè)計基于