无线传感器网络中基于粒子滤波的多目标跟踪

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目标跟踪做为数据融合问题的一个典型应用,受到了学术界的广泛关注。它的主要目的是确定监测区域内目标的位置、个数、速度等。随着无线传感器网络的发展,基于无线传感器网络的目标跟踪问题成为了一个研究热点。目前已有的研究工作很多集中于对单个目标的监视和跟踪,一种典型的方法是将监测到同一目标信号的节点组织成一个簇,簇内节点的质心作为目标的估算位置,进而得到目标的运动轨迹,并预测目标的下一步运动。针对无线传感器网络中的多目标跟踪研究目前还不是很多,主要是传统的雷达等系统中的多目标跟踪算法的引入,没有考虑到无线传感器网络本身的特点。   针对无线传感器网络中的多目标跟踪问题特点,本文使用粒子滤波理论解决该类问题。粒子滤波是一种从有噪声的观测数据序列估计运动状态的理论,于传统的卡尔曼滤波相比,粒子滤波适用的领域更广。卡尔曼滤波要求系统为线性,噪声符合高斯分布。但在无线传感器网络中,这些条件通常不能被满足,而粒子滤波则无此严格的限制。   本文的主要研究工作包括:首先针对网络中目标特征提取影响的问题,根据目标辐射信号快速衰退的特点,提出了一种分布式的快速节点管理算法(QAM)。该算法在传感器节点上并行运行,尽可能将受不同目标影响的节点分到不同的簇中,受同目标影响节点分在同一簇中。簇头节点融合簇内其它节点信息,得到目标特征。其次,根据融合后的节点簇结构和目标特征,提出了一种自适应的基于粒子滤波的多目标跟踪算法(APF)。算法迭代的将目标先验信息与簇关联得到目标簇关联矩阵,根据此矩阵自适应的调整粒子采样分布,使得粒子分布与目标真实分布契合度更高,从而得到更精确的跟踪结果。最后,使用matlab平台仿真实现跟踪算法,针对各种参数条件下的跟踪性能进行了详细的分析,并提出了相应的提高跟踪精度建议。仿真结果表明,由于采用自适应的方法对目标进行采样,使得采样结果与目标真实分布契合更佳,跟踪过程中的粒子效率更高,只用少量粒子即可较好的描述系统的分布特性。另外,良好的数据融合策略也减少了算法的计算和通信量。
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