本發(fā)明涉及水域物聯(lián)網(wǎng)和機(jī)器人船領(lǐng)域，具體涉及一種用于水域信息采集的機(jī)器人船系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

自動(dòng)機(jī)器人船平臺(tái)是水域物聯(lián)網(wǎng)和傳感器網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建的基本網(wǎng)絡(luò)終端，能夠以河川、湖泊、海岸、港灣等水域?yàn)楣ぷ鲗?duì)象，在勘測(cè)水體資源、監(jiān)控水域態(tài)勢(shì)、保護(hù)水體環(huán)境等方面有著廣泛的應(yīng)用基礎(chǔ)。目前水域傳感網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)主要包括靜態(tài)節(jié)點(diǎn)和運(yùn)動(dòng)節(jié)點(diǎn)兩種。靜態(tài)節(jié)點(diǎn)(包括傳感節(jié)點(diǎn)、匯聚節(jié)點(diǎn)、控制節(jié)點(diǎn)等)被布設(shè)在固定水域位置，通過(guò)搭載傳感、通訊、計(jì)算等單元來(lái)實(shí)現(xiàn)不同功能。水域運(yùn)動(dòng)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)包括自主漂浮和無(wú)線遙控兩類，在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中完成對(duì)途經(jīng)水域的感知任務(wù)。它們都局限于網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)昂貴、組網(wǎng)復(fù)雜、擴(kuò)展性差、節(jié)點(diǎn)機(jī)動(dòng)監(jiān)測(cè)能力不足、監(jiān)測(cè)范圍小、系統(tǒng)管理維護(hù)麻煩等局限性。機(jī)器人船系統(tǒng)設(shè)計(jì)子系統(tǒng)和設(shè)備較多，已有的控制系統(tǒng)和通訊系統(tǒng)設(shè)計(jì)兼容性和擴(kuò)展性較差，計(jì)算能力不足，缺乏完全自主能力。如果采用船體搭載射頻點(diǎn)對(duì)點(diǎn)遙控、船體搭載工控機(jī)、導(dǎo)航芯片等架構(gòu)，則會(huì)增加成本，限制水域傳感網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的布設(shè)數(shù)量和速度。

為了擴(kuò)大水域物聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用領(lǐng)域，優(yōu)化水域傳感器網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)速度和建設(shè)成本，目前急需一種具有通用性、擴(kuò)展性、可靠性的水域無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，以及適應(yīng)該網(wǎng)絡(luò)的靈活、廉價(jià)、可快速構(gòu)建擴(kuò)容的機(jī)器人船終端。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

為解決上述問(wèn)題，本發(fā)明旨在提供一種用于水域信息采集的機(jī)器人船系統(tǒng)。

本發(fā)明的目的采用以下技術(shù)方案來(lái)實(shí)現(xiàn)：

一種用于水域信息采集的機(jī)器人船系統(tǒng)，包括機(jī)器人船終端、控制器、無(wú)線網(wǎng)絡(luò)采集器、服務(wù)中心和用戶終端；機(jī)器人船終端，用以搭載傳感器在水域環(huán)境中進(jìn)行遠(yuǎn)程控制、自主航行；無(wú)線網(wǎng)絡(luò)采集器，接收控制器指令并將傳感器獲得的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)上傳至服務(wù)中心；服務(wù)中心，負(fù)責(zé)組織管理所有的機(jī)器人船終端，計(jì)算機(jī)器人船終端遠(yuǎn)程控制模式下的航行軌跡，所述監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，為用戶提供使用操控界面和控制管道；用戶終端，用戶采用Web瀏覽器的方式，通過(guò)訪問(wèn)服務(wù)中心提供的Web頁(yè)面，進(jìn)行信息監(jiān)控和控制操作。

本發(fā)明的有益效果為：提供了一種小型的、低成本的、可搭載配置不同傳感器、具有協(xié)同編組能力、自主航行能力和遠(yuǎn)程監(jiān)控能力的自動(dòng)機(jī)器人船系統(tǒng)，從而解決了上述的技術(shù)問(wèn)題。

附圖說(shuō)明

利用附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說(shuō)明，但附圖中的實(shí)施例不構(gòu)成對(duì)本發(fā)明的任何限制，對(duì)于本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員，在不付出創(chuàng)造性勞動(dòng)的前提下，還可以根據(jù)以下附圖獲得其它的附圖。

圖1是本發(fā)明結(jié)構(gòu)連接示意圖；

圖2是本發(fā)明無(wú)線網(wǎng)絡(luò)采集器的結(jié)構(gòu)示意圖。

附圖標(biāo)記：

機(jī)器人船終端1、控制器2、服務(wù)中心3、無(wú)線網(wǎng)絡(luò)采集器4、用戶終端5、傳感器定位單元41、傳感器網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化單元42、數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)單元43、數(shù)據(jù)處理單元44、數(shù)據(jù)接收單元45、數(shù)據(jù)傳送單元46。

具體實(shí)施方式

結(jié)合以下實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步描述。

應(yīng)用場(chǎng)景1

參見(jiàn)圖1、圖2，本應(yīng)用場(chǎng)景的一個(gè)實(shí)施例的用于水域信息采集的機(jī)器人船系統(tǒng)，包括機(jī)器人船終端1、控制器2、無(wú)線網(wǎng)絡(luò)采集器4、服務(wù)中心3和用戶終端5；機(jī)器人船終端1，用以搭載傳感器在水域環(huán)境中進(jìn)行遠(yuǎn)程控制、自主航行；無(wú)線網(wǎng)絡(luò)采集器4，接收控制器2指令并將傳感器獲得的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)上傳至服務(wù)中心3；服務(wù)中心3，負(fù)責(zé)組織管理所有的機(jī)器人船終端1，計(jì)算機(jī)器人船終端1遠(yuǎn)程控制模式下的航行軌跡，所述監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，為用戶提供使用操控界面和控制管道；用戶終端5，用戶采用Web瀏覽器的方式，通過(guò)訪問(wèn)服務(wù)中心提供的Web頁(yè)面，進(jìn)行信息監(jiān)控和控制操作。

本發(fā)明上述實(shí)施例提供了一種小型的、低成本的、可搭載配置不同傳感器、具有協(xié)同編組能力、自主航行能力和遠(yuǎn)程監(jiān)控能力的自動(dòng)機(jī)器人船系統(tǒng)，從而解決了上述的技術(shù)問(wèn)題。

優(yōu)選的，所述傳感器包括位置傳感器、視頻傳感器和水文傳感器，水文傳感器負(fù)責(zé)采集水文水體數(shù)據(jù)，位置傳感器負(fù)責(zé)采集的船體在水域中的位置、速度、姿態(tài)空間狀態(tài)數(shù)據(jù)，視頻傳感器負(fù)責(zé)采集船體周圍水域環(huán)境的影音圖像數(shù)據(jù)；優(yōu)選的，所述的水文水體數(shù)據(jù)包括水溫、水位、水體含氧量。

本優(yōu)選實(shí)施例設(shè)置不同的傳感器進(jìn)行監(jiān)測(cè)，監(jiān)測(cè)效果好，精度高。

優(yōu)選的，所述無(wú)線網(wǎng)絡(luò)采集器4包括傳感器定位單元41、傳感器網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化單元42、數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)單元43、數(shù)據(jù)處理單元44、數(shù)據(jù)接收單元45和數(shù)據(jù)傳送單元46。

本優(yōu)選實(shí)施例構(gòu)建了無(wú)線網(wǎng)絡(luò)采集器4的框架。

優(yōu)選的，所述傳感器定位單元41用于對(duì)未知的傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行定位，定位方法如下：

(1)在少數(shù)傳感器節(jié)點(diǎn)上集成GPS定位芯片，這些傳感器節(jié)點(diǎn)通過(guò)接收GPS信號(hào)獲取自身位置而成為已知位置節(jié)點(diǎn)，作為其他未知位置節(jié)點(diǎn)的定位基礎(chǔ)；

(2)求取四個(gè)已知位置節(jié)點(diǎn)相互間的距離和跳數(shù)，計(jì)算平均每跳的距離；

(3)對(duì)于未知位置節(jié)點(diǎn)X，使用其到四個(gè)已知位置節(jié)點(diǎn)的跳數(shù)與(2)中平均每跳的距離相乘得到未知位置節(jié)點(diǎn)到四個(gè)已知位置節(jié)點(diǎn)的距離；

(4)通過(guò)任意組合的方式選取其中三個(gè)已知位置節(jié)點(diǎn)，對(duì)于每一組合，根據(jù)三邊測(cè)量法獲取其位置，則產(chǎn)生四個(gè)計(jì)算結(jié)果，求取平均位置作為未知位置節(jié)點(diǎn)最終位置。

本優(yōu)選實(shí)施例設(shè)置傳感器定位單元41，便于獲取監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的位置來(lái)源，采用GPS定位芯片和三邊定位結(jié)合的方法，既節(jié)約了成本，又能取得良好的定位效果。

優(yōu)選的，所述傳感器網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化單元42采用遺傳-蟻群優(yōu)化算法對(duì)傳感器網(wǎng)絡(luò)路由算法進(jìn)行優(yōu)化，具體方法如下：

(1)隨機(jī)生成無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)；

(2)設(shè)定遺傳算法的參數(shù)，采用遺傳算法精簡(jiǎn)傳感器網(wǎng)絡(luò)，形成新的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)；

(3)根據(jù)遺傳算法結(jié)果初始化蟻群算法信息素；

(4)設(shè)定蟻群算法參數(shù)，采用蟻群算法對(duì)最優(yōu)路徑進(jìn)行搜索和更新。

本優(yōu)選實(shí)施例對(duì)傳感器網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行優(yōu)化，在保證整個(gè)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)性能下降有限的情況下，提升了網(wǎng)絡(luò)節(jié)能效果，延長(zhǎng)了網(wǎng)絡(luò)的壽命。

優(yōu)選的，所述數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)單元43用于通過(guò)由各傳感器構(gòu)建的傳感器節(jié)點(diǎn)相互協(xié)作進(jìn)行某區(qū)域的監(jiān)測(cè)，并輸出各傳感器節(jié)點(diǎn)監(jiān)測(cè)的感知數(shù)據(jù)；

所述數(shù)據(jù)處理單元44用于對(duì)各傳感器節(jié)點(diǎn)監(jiān)測(cè)的感知數(shù)據(jù)進(jìn)行壓縮處理，包括：

設(shè)所述感知數(shù)據(jù)的一個(gè)單位時(shí)間段的數(shù)據(jù)序列為X＝{x(t₁),x(t₂),…,x(t_n)},其中t_i(1≤i≤n)表示時(shí)間戳，x(t_i)表示在t_i(1≤i≤n)時(shí)刻某個(gè)節(jié)點(diǎn)產(chǎn)生的監(jiān)測(cè)值，設(shè)定誤差界限為ε，誤差界限為ε的取值范圍為[0.4,0.8]，從第一個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)[t₁，x(t₁)]開(kāi)始，對(duì)數(shù)據(jù)序列X＝{x(t₁),x(t₂),…,x(t_n)}中的數(shù)據(jù)點(diǎn)按序進(jìn)行第一次掃描，當(dāng)達(dá)到設(shè)定的掃描停止條件時(shí)，停止第一次的掃描，將第一次掃描的數(shù)據(jù)子序列用一條線段來(lái)近似，從第一次掃描的數(shù)據(jù)子序列后的第一個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)開(kāi)始進(jìn)行類似的第二次的掃描，直至掃描完整個(gè)單位時(shí)間段的數(shù)據(jù)序列；將第一條線段的起始時(shí)間、之后每條線段的結(jié)束時(shí)間和每條線段的斜率與截距作為單位時(shí)間段的數(shù)據(jù)序列對(duì)應(yīng)的壓縮數(shù)據(jù)并輸出；

其中，所述設(shè)定的掃描停止條件為：當(dāng)掃描到一個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)[t_k，x(t_k)]，在這個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)[t_k，x(t_k)]之前的所有數(shù)據(jù)點(diǎn)能被一條線段來(lái)近似描述，且滿足誤差精度要求，而加上數(shù)據(jù)點(diǎn)[t_k，x(t_k)]之后，不存在一條線段能近似描述當(dāng)前所有未被近似描述的數(shù)據(jù)點(diǎn)時(shí)，停止掃描；

所述誤差精度要求為：

$|x\left(t_j\right)-\[x\left(t_{\mathrm{\α}}\right)+\frac{x\left(t_{k-1}\right)-x\left(t_{\mathrm{\α}}\right)}{t_{k-1}-t_{\mathrm{\α}}}(t_j-t_{\mathrm{\α}})\]|\≤\mathrm{\ϵ}$

其中，設(shè)所述數(shù)據(jù)點(diǎn)[t_k，x(t_k)]之前的子序列為X＝{x(t_α),x(t_α+1),…,x(t_k-1)}，式中x(t_j)為在t_j(α≤j≤k-1)時(shí)刻的真實(shí)值。

本優(yōu)選實(shí)施例設(shè)置數(shù)據(jù)處理單元44，通過(guò)設(shè)定的掃描停止條件進(jìn)行數(shù)據(jù)掃描，能夠在線性時(shí)間內(nèi)，使用最少數(shù)目的線段數(shù)來(lái)近似描述感知數(shù)據(jù)的一個(gè)單位時(shí)間段的數(shù)據(jù)序列且保證誤差精度要求，然后將第一條線段的起始時(shí)間、之后每條線段的結(jié)束時(shí)間和每條線段的斜率與截距作為單位時(shí)間段的數(shù)據(jù)序列對(duì)應(yīng)的壓縮數(shù)據(jù)并輸出，從而減少了需要傳送的數(shù)據(jù)量，降低了數(shù)據(jù)傳送的能量消耗，從而相對(duì)減少了無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的通信開(kāi)銷；提出誤差精度要求的公式，保證了數(shù)據(jù)壓縮的精度，且提高了數(shù)據(jù)掃描的速度。

優(yōu)選的，所述數(shù)據(jù)接收單元45由無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)匯聚節(jié)點(diǎn)進(jìn)行構(gòu)建，所述無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)匯聚節(jié)點(diǎn)基于保證加權(quán)公平性的數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議接收各傳感器節(jié)點(diǎn)對(duì)應(yīng)的壓縮后的感知數(shù)據(jù)，并將接收的傳感器節(jié)點(diǎn)對(duì)應(yīng)的壓縮后的感知數(shù)據(jù)傳送到高性能計(jì)算機(jī)進(jìn)行處理和分析，實(shí)現(xiàn)無(wú)線數(shù)據(jù)的采集；

其中，所述保證加權(quán)公平性的數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議為：

所述無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)匯聚節(jié)點(diǎn)在某單位時(shí)間段[0,t]接收來(lái)自傳感器節(jié)點(diǎn)i的對(duì)應(yīng)的壓縮后的感知數(shù)據(jù)的數(shù)量S_i,t需滿足以下公平性度量條件：

$\frac{{({\mathrm{\Σ}}_{i=1}^N{S}_{i,t}/w_i)}^2}{{\mathrm{N\Σ}}_{i=1}^N{(S_{i,t}/w_i)}^2}\≥1-{(10\mathrm{\γ}/9)}^2$

式中，w_i為設(shè)定的傳感器節(jié)點(diǎn)i的表征其數(shù)據(jù)重要程度的權(quán)值，N為傳感器節(jié)點(diǎn)的總數(shù)，γ為常數(shù)，其取值范圍為(0,0.2)。

本優(yōu)選實(shí)施例無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)匯聚節(jié)點(diǎn)基于保證加權(quán)公平性的數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議接收各傳感器節(jié)點(diǎn)對(duì)應(yīng)的壓縮后的感知數(shù)據(jù)，使無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)匯聚節(jié)點(diǎn)能夠從重要的傳感器節(jié)點(diǎn)接收較多的感知數(shù)據(jù)，保證了數(shù)據(jù)傳輸?shù)男实耐瑫r(shí)，提高了數(shù)據(jù)傳輸?shù)墓叫浴?/p>

優(yōu)選的，所述數(shù)據(jù)傳送單元46通過(guò)網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)傳送給用戶，包括近距離傳送子單元、遠(yuǎn)距離通信子單元和切換子單元，所述近距離通信子單元采用zigbee協(xié)議通信，所述遠(yuǎn)距離通信子單元采用無(wú)線網(wǎng)絡(luò)通信，正常情況下，用戶通過(guò)近距離通信子模塊從計(jì)算機(jī)控制端獲取監(jiān)測(cè)信息，當(dāng)用戶外出時(shí)，切換子單元啟動(dòng)遠(yuǎn)距離通信子單元，向用戶手機(jī)控制端遠(yuǎn)距離傳送監(jiān)測(cè)信息。

本優(yōu)選實(shí)施例設(shè)置數(shù)據(jù)傳送單元46，能夠根據(jù)用戶距離選擇通信方式，實(shí)現(xiàn)了實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。

在此應(yīng)用場(chǎng)景中，誤差界限為ε取0.4，監(jiān)測(cè)速度相對(duì)提高了10％，監(jiān)測(cè)精度相對(duì)提高了12％。

應(yīng)用場(chǎng)景2

參見(jiàn)圖1、圖2，本應(yīng)用場(chǎng)景的一個(gè)實(shí)施例的用于水域信息采集的機(jī)器人船系統(tǒng)，包括機(jī)器人船終端1、控制器2、無(wú)線網(wǎng)絡(luò)采集器4、服務(wù)中心3和用戶終端5；機(jī)器人船終端1，用以搭載傳感器在水域環(huán)境中進(jìn)行遠(yuǎn)程控制、自主航行；無(wú)線網(wǎng)絡(luò)采集器4，接收控制器2指令并將傳感器獲得的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)上傳至服務(wù)中心3；服務(wù)中心3，負(fù)責(zé)組織管理所有的機(jī)器人船終端1，計(jì)算機(jī)器人船終端1遠(yuǎn)程控制模式下的航行軌跡，所述監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，為用戶提供使用操控界面和控制管道；用戶終端5，用戶采用Web瀏覽器的方式，通過(guò)訪問(wèn)服務(wù)中心提供的Web頁(yè)面，進(jìn)行信息監(jiān)控和控制操作。

本發(fā)明上述實(shí)施例提供了一種小型的、低成本的、可搭載配置不同傳感器、具有協(xié)同編組能力、自主航行能力和遠(yuǎn)程監(jiān)控能力的自動(dòng)機(jī)器人船系統(tǒng)，從而解決了上述的技術(shù)問(wèn)題。

優(yōu)選的，所述傳感器包括位置傳感器、視頻傳感器和水文傳感器，水文傳感器負(fù)責(zé)采集水文水體數(shù)據(jù)，位置傳感器負(fù)責(zé)采集的船體在水域中的位置、速度、姿態(tài)空間狀態(tài)數(shù)據(jù)，視頻傳感器負(fù)責(zé)采集船體周圍水域環(huán)境的影音圖像數(shù)據(jù)；優(yōu)選的，所述的水文水體數(shù)據(jù)包括水溫、水位、水體含氧量。

本優(yōu)選實(shí)施例設(shè)置不同的傳感器進(jìn)行監(jiān)測(cè)，監(jiān)測(cè)效果好，精度高。

優(yōu)選的，所述無(wú)線網(wǎng)絡(luò)采集器4包括傳感器定位單元41、傳感器網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化單元42、數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)單元43、數(shù)據(jù)處理單元44、數(shù)據(jù)接收單元45和數(shù)據(jù)傳送單元46。

本優(yōu)選實(shí)施例構(gòu)建了無(wú)線網(wǎng)絡(luò)采集器4的框架。

優(yōu)選的，所述傳感器定位單元41用于對(duì)未知的傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行定位，定位方法如下：

(1)在少數(shù)傳感器節(jié)點(diǎn)上集成GPS定位芯片，這些傳感器節(jié)點(diǎn)通過(guò)接收GPS信號(hào)獲取自身位置而成為已知位置節(jié)點(diǎn)，作為其他未知位置節(jié)點(diǎn)的定位基礎(chǔ)；

(2)求取四個(gè)已知位置節(jié)點(diǎn)相互間的距離和跳數(shù)，計(jì)算平均每跳的距離；

(3)對(duì)于未知位置節(jié)點(diǎn)X，使用其到四個(gè)已知位置節(jié)點(diǎn)的跳數(shù)與(2)中平均每跳的距離相乘得到未知位置節(jié)點(diǎn)到四個(gè)已知位置節(jié)點(diǎn)的距離；

(4)通過(guò)任意組合的方式選取其中三個(gè)已知位置節(jié)點(diǎn)，對(duì)于每一組合，根據(jù)三邊測(cè)量法獲取其位置，則產(chǎn)生四個(gè)計(jì)算結(jié)果，求取平均位置作為未知位置節(jié)點(diǎn)最終位置。

本優(yōu)選實(shí)施例設(shè)置傳感器定位單元41，便于獲取監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的位置來(lái)源，采用GPS定位芯片和三邊定位結(jié)合的方法，既節(jié)約了成本，又能取得良好的定位效果。

優(yōu)選的，所述傳感器網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化單元42采用遺傳-蟻群優(yōu)化算法對(duì)傳感器網(wǎng)絡(luò)路由算法進(jìn)行優(yōu)化，具體方法如下：

(1)隨機(jī)生成無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)；

(2)設(shè)定遺傳算法的參數(shù)，采用遺傳算法精簡(jiǎn)傳感器網(wǎng)絡(luò)，形成新的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)；

(3)根據(jù)遺傳算法結(jié)果初始化蟻群算法信息素；

(4)設(shè)定蟻群算法參數(shù)，采用蟻群算法對(duì)最優(yōu)路徑進(jìn)行搜索和更新。

本優(yōu)選實(shí)施例對(duì)傳感器網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行優(yōu)化，在保證整個(gè)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)性能下降有限的情況下，提升了網(wǎng)絡(luò)節(jié)能效果，延長(zhǎng)了網(wǎng)絡(luò)的壽命。

優(yōu)選的，所述數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)單元43用于通過(guò)由各傳感器構(gòu)建的傳感器節(jié)點(diǎn)相互協(xié)作進(jìn)行某區(qū)域的監(jiān)測(cè)，并輸出各傳感器節(jié)點(diǎn)監(jiān)測(cè)的感知數(shù)據(jù)；

所述數(shù)據(jù)處理單元44用于對(duì)各傳感器節(jié)點(diǎn)監(jiān)測(cè)的感知數(shù)據(jù)進(jìn)行壓縮處理，包括：

設(shè)所述感知數(shù)據(jù)的一個(gè)單位時(shí)間段的數(shù)據(jù)序列為X＝{x(t₁),x(t₂),…,x(t_n)},其中t_i(1≤i≤n)表示時(shí)間戳，x(t_i)表示在t_i(1≤i≤n)時(shí)刻某個(gè)節(jié)點(diǎn)產(chǎn)生的監(jiān)測(cè)值，設(shè)定誤差界限為ε，誤差界限為ε的取值范圍為[0.4,0.8]，從第一個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)[t₁，x(t₁)]開(kāi)始，對(duì)數(shù)據(jù)序列X＝{x(t₁),x(t₂),…,x(t_n)}中的數(shù)據(jù)點(diǎn)按序進(jìn)行第一次掃描，當(dāng)達(dá)到設(shè)定的掃描停止條件時(shí)，停止第一次的掃描，將第一次掃描的數(shù)據(jù)子序列用一條線段來(lái)近似，從第一次掃描的數(shù)據(jù)子序列后的第一個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)開(kāi)始進(jìn)行類似的第二次的掃描，直至掃描完整個(gè)單位時(shí)間段的數(shù)據(jù)序列；將第一條線段的起始時(shí)間、之后每條線段的結(jié)束時(shí)間和每條線段的斜率與截距作為單位時(shí)間段的數(shù)據(jù)序列對(duì)應(yīng)的壓縮數(shù)據(jù)并輸出；

其中，所述設(shè)定的掃描停止條件為：當(dāng)掃描到一個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)[t_k，x(t_k)]，在這個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)[t_k，x(t_k)]之前的所有數(shù)據(jù)點(diǎn)能被一條線段來(lái)近似描述，且滿足誤差精度要求，而加上數(shù)據(jù)點(diǎn)[t_k，x(t_k)]之后，不存在一條線段能近似描述當(dāng)前所有未被近似描述的數(shù)據(jù)點(diǎn)時(shí)，停止掃描；

所述誤差精度要求為：

$|x\left(t_j\right)-\[x\left(t_{\mathrm{\α}}\right)+\frac{x\left(t_{k-1}\right)-x\left(t_{\mathrm{\α}}\right)}{t_{k-1}-t_{\mathrm{\α}}}(t_j-t_{\mathrm{\α}})\]|\≤\mathrm{\ϵ}$

其中，設(shè)所述數(shù)據(jù)點(diǎn)[t_k，x(t_k)]之前的子序列為X＝{x(t_α),x(t_α+1),…,x(t_k-1)}，式中x(t_j)為在t_j(α≤j≤k-1)時(shí)刻的真實(shí)值。

本優(yōu)選實(shí)施例設(shè)置數(shù)據(jù)處理單元44，通過(guò)設(shè)定的掃描停止條件進(jìn)行數(shù)據(jù)掃描，能夠在線性時(shí)間內(nèi)，使用最少數(shù)目的線段數(shù)來(lái)近似描述感知數(shù)據(jù)的一個(gè)單位時(shí)間段的數(shù)據(jù)序列且保證誤差精度要求，然后將第一條線段的起始時(shí)間、之后每條線段的結(jié)束時(shí)間和每條線段的斜率與截距作為單位時(shí)間段的數(shù)據(jù)序列對(duì)應(yīng)的壓縮數(shù)據(jù)并輸出，從而減少了需要傳送的數(shù)據(jù)量，降低了數(shù)據(jù)傳送的能量消耗，從而相對(duì)減少了無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的通信開(kāi)銷；提出誤差精度要求的公式，保證了數(shù)據(jù)壓縮的精度，且提高了數(shù)據(jù)掃描的速度。

優(yōu)選的，所述數(shù)據(jù)接收單元45由無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)匯聚節(jié)點(diǎn)進(jìn)行構(gòu)建，所述無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)匯聚節(jié)點(diǎn)基于保證加權(quán)公平性的數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議接收各傳感器節(jié)點(diǎn)對(duì)應(yīng)的壓縮后的感知數(shù)據(jù)，并將接收的傳感器節(jié)點(diǎn)對(duì)應(yīng)的壓縮后的感知數(shù)據(jù)傳送到高性能計(jì)算機(jī)進(jìn)行處理和分析，實(shí)現(xiàn)無(wú)線數(shù)據(jù)的采集；

其中，所述保證加權(quán)公平性的數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議為：

所述無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)匯聚節(jié)點(diǎn)在某單位時(shí)間段[0,t]接收來(lái)自傳感器節(jié)點(diǎn)i的對(duì)應(yīng)的壓縮后的感知數(shù)據(jù)的數(shù)量S_i,t需滿足以下公平性度量條件：

$\frac{{({\mathrm{\Σ}}_{i=1}^N{S}_{i,t}/w_i)}^2}{{\mathrm{N\Σ}}_{i=1}^N{(S_{i,t}/w_i)}^2}\≥1-{(10\mathrm{\γ}/9)}^2$

式中，w_i為設(shè)定的傳感器節(jié)點(diǎn)i的表征其數(shù)據(jù)重要程度的權(quán)值，N為傳感器節(jié)點(diǎn)的總數(shù)，γ為常數(shù)，其取值范圍為(0,0.2)。

本優(yōu)選實(shí)施例無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)匯聚節(jié)點(diǎn)基于保證加權(quán)公平性的數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議接收各傳感器節(jié)點(diǎn)對(duì)應(yīng)的壓縮后的感知數(shù)據(jù)，使無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)匯聚節(jié)點(diǎn)能夠從重要的傳感器節(jié)點(diǎn)接收較多的感知數(shù)據(jù)，保證了數(shù)據(jù)傳輸?shù)男实耐瑫r(shí)，提高了數(shù)據(jù)傳輸?shù)墓叫浴?/p>

優(yōu)選的，所述數(shù)據(jù)傳送單元46通過(guò)網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)傳送給用戶，包括近距離傳送子單元、遠(yuǎn)距離通信子單元和切換子單元，所述近距離通信子單元采用zigbee協(xié)議通信，所述遠(yuǎn)距離通信子單元采用無(wú)線網(wǎng)絡(luò)通信，正常情況下，用戶通過(guò)近距離通信子模塊從計(jì)算機(jī)控制端獲取監(jiān)測(cè)信息，當(dāng)用戶外出時(shí)，切換子單元啟動(dòng)遠(yuǎn)距離通信子單元，向用戶手機(jī)控制端遠(yuǎn)距離傳送監(jiān)測(cè)信息。

本優(yōu)選實(shí)施例設(shè)置數(shù)據(jù)傳送單元46，能夠根據(jù)用戶距離選擇通信方式，實(shí)現(xiàn)了實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。

在此應(yīng)用場(chǎng)景中，誤差界限為ε取0.4，監(jiān)測(cè)速度相對(duì)提高了10％，監(jiān)測(cè)精度相對(duì)提高了12％。

應(yīng)用場(chǎng)景3

參見(jiàn)圖1、圖2，本應(yīng)用場(chǎng)景的一個(gè)實(shí)施例的用于水域信息采集的機(jī)器人船系統(tǒng)，包括機(jī)器人船終端1、控制器2、無(wú)線網(wǎng)絡(luò)采集器4、服務(wù)中心3和用戶終端5；機(jī)器人船終端1，用以搭載傳感器在水域環(huán)境中進(jìn)行遠(yuǎn)程控制、自主航行；無(wú)線網(wǎng)絡(luò)采集器4，接收控制器2指令并將傳感器獲得的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)上傳至服務(wù)中心3；服務(wù)中心3，負(fù)責(zé)組織管理所有的機(jī)器人船終端1，計(jì)算機(jī)器人船終端1遠(yuǎn)程控制模式下的航行軌跡，所述監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，為用戶提供使用操控界面和控制管道；用戶終端5，用戶采用Web瀏覽器的方式，通過(guò)訪問(wèn)服務(wù)中心提供的Web頁(yè)面，進(jìn)行信息監(jiān)控和控制操作。

本發(fā)明上述實(shí)施例提供了一種小型的、低成本的、可搭載配置不同傳感器、具有協(xié)同編組能力、自主航行能力和遠(yuǎn)程監(jiān)控能力的自動(dòng)機(jī)器人船系統(tǒng)，從而解決了上述的技術(shù)問(wèn)題。

優(yōu)選的，所述傳感器包括位置傳感器、視頻傳感器和水文傳感器，水文傳感器負(fù)責(zé)采集水文水體數(shù)據(jù)，位置傳感器負(fù)責(zé)采集的船體在水域中的位置、速度、姿態(tài)空間狀態(tài)數(shù)據(jù)，視頻傳感器負(fù)責(zé)采集船體周圍水域環(huán)境的影音圖像數(shù)據(jù)；優(yōu)選的，所述的水文水體數(shù)據(jù)包括水溫、水位、水體含氧量。

本優(yōu)選實(shí)施例設(shè)置不同的傳感器進(jìn)行監(jiān)測(cè)，監(jiān)測(cè)效果好，精度高。

優(yōu)選的，所述無(wú)線網(wǎng)絡(luò)采集器4包括傳感器定位單元41、傳感器網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化單元42、數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)單元43、數(shù)據(jù)處理單元44、數(shù)據(jù)接收單元45和數(shù)據(jù)傳送單元46。

本優(yōu)選實(shí)施例構(gòu)建了無(wú)線網(wǎng)絡(luò)采集器4的框架。

優(yōu)選的，所述傳感器定位單元41用于對(duì)未知的傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行定位，定位方法如下：

(1)在少數(shù)傳感器節(jié)點(diǎn)上集成GPS定位芯片，這些傳感器節(jié)點(diǎn)通過(guò)接收GPS信號(hào)獲取自身位置而成為已知位置節(jié)點(diǎn)，作為其他未知位置節(jié)點(diǎn)的定位基礎(chǔ)；

(2)求取四個(gè)已知位置節(jié)點(diǎn)相互間的距離和跳數(shù)，計(jì)算平均每跳的距離；

(3)對(duì)于未知位置節(jié)點(diǎn)X，使用其到四個(gè)已知位置節(jié)點(diǎn)的跳數(shù)與(2)中平均每跳的距離相乘得到未知位置節(jié)點(diǎn)到四個(gè)已知位置節(jié)點(diǎn)的距離；

(4)通過(guò)任意組合的方式選取其中三個(gè)已知位置節(jié)點(diǎn)，對(duì)于每一組合，根據(jù)三邊測(cè)量法獲取其位置，則產(chǎn)生四個(gè)計(jì)算結(jié)果，求取平均位置作為未知位置節(jié)點(diǎn)最終位置。

本優(yōu)選實(shí)施例設(shè)置傳感器定位單元41，便于獲取監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的位置來(lái)源，采用GPS定位芯片和三邊定位結(jié)合的方法，既節(jié)約了成本，又能取得良好的定位效果。

優(yōu)選的，所述傳感器網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化單元42采用遺傳-蟻群優(yōu)化算法對(duì)傳感器網(wǎng)絡(luò)路由算法進(jìn)行優(yōu)化，具體方法如下：

(1)隨機(jī)生成無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)；

(2)設(shè)定遺傳算法的參數(shù)，采用遺傳算法精簡(jiǎn)傳感器網(wǎng)絡(luò)，形成新的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)；

(3)根據(jù)遺傳算法結(jié)果初始化蟻群算法信息素；

(4)設(shè)定蟻群算法參數(shù)，采用蟻群算法對(duì)最優(yōu)路徑進(jìn)行搜索和更新。

本優(yōu)選實(shí)施例對(duì)傳感器網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行優(yōu)化，在保證整個(gè)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)性能下降有限的情況下，提升了網(wǎng)絡(luò)節(jié)能效果，延長(zhǎng)了網(wǎng)絡(luò)的壽命。

優(yōu)選的，所述數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)單元43用于通過(guò)由各傳感器構(gòu)建的傳感器節(jié)點(diǎn)相互協(xié)作進(jìn)行某區(qū)域的監(jiān)測(cè)，并輸出各傳感器節(jié)點(diǎn)監(jiān)測(cè)的感知數(shù)據(jù)；

所述數(shù)據(jù)處理單元44用于對(duì)各傳感器節(jié)點(diǎn)監(jiān)測(cè)的感知數(shù)據(jù)進(jìn)行壓縮處理，包括：

設(shè)所述感知數(shù)據(jù)的一個(gè)單位時(shí)間段的數(shù)據(jù)序列為X＝{x(t₁),x(t₂),…,x(t_n)},其中t_i(1≤i≤n)表示時(shí)間戳，x(t_i)表示在t_i(1≤i≤n)時(shí)刻某個(gè)節(jié)點(diǎn)產(chǎn)生的監(jiān)測(cè)值，設(shè)定誤差界限為ε，誤差界限為ε的取值范圍為[0.4,0.8]，從第一個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)[t₁，x(t₁)]開(kāi)始，對(duì)數(shù)據(jù)序列X＝{x(t₁),x(t₂),…,x(t_n)}中的數(shù)據(jù)點(diǎn)按序進(jìn)行第一次掃描，當(dāng)達(dá)到設(shè)定的掃描停止條件時(shí)，停止第一次的掃描，將第一次掃描的數(shù)據(jù)子序列用一條線段來(lái)近似，從第一次掃描的數(shù)據(jù)子序列后的第一個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)開(kāi)始進(jìn)行類似的第二次的掃描，直至掃描完整個(gè)單位時(shí)間段的數(shù)據(jù)序列；將第一條線段的起始時(shí)間、之后每條線段的結(jié)束時(shí)間和每條線段的斜率與截距作為單位時(shí)間段的數(shù)據(jù)序列對(duì)應(yīng)的壓縮數(shù)據(jù)并輸出；

其中，所述設(shè)定的掃描停止條件為：當(dāng)掃描到一個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)[t_k，x(t_k)]，在這個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)[t_k，x(t_k)]之前的所有數(shù)據(jù)點(diǎn)能被一條線段來(lái)近似描述，且滿足誤差精度要求，而加上數(shù)據(jù)點(diǎn)[t_k，x(t_k)]之后，不存在一條線段能近似描述當(dāng)前所有未被近似描述的數(shù)據(jù)點(diǎn)時(shí)，停止掃描；

所述誤差精度要求為：

$|x\left(t_j\right)-\[x\left(t_{\mathrm{\α}}\right)+\frac{x\left(t_{k-1}\right)-x\left(t_{\mathrm{\α}}\right)}{t_{k-1}-t_{\mathrm{\α}}}(t_j-t_{\mathrm{\α}})\]|\≤\mathrm{\ϵ}$

其中，設(shè)所述數(shù)據(jù)點(diǎn)[t_k，x(t_k)]之前的子序列為X＝{x(t_α),x(t_α+1),…,x(t_k-1)}，式中x(t_j)為在t_j(α≤j≤k-1)時(shí)刻的真實(shí)值。

本優(yōu)選實(shí)施例設(shè)置數(shù)據(jù)處理單元44，通過(guò)設(shè)定的掃描停止條件進(jìn)行數(shù)據(jù)掃描，能夠在線性時(shí)間內(nèi)，使用最少數(shù)目的線段數(shù)來(lái)近似描述感知數(shù)據(jù)的一個(gè)單位時(shí)間段的數(shù)據(jù)序列且保證誤差精度要求，然后將第一條線段的起始時(shí)間、之后每條線段的結(jié)束時(shí)間和每條線段的斜率與截距作為單位時(shí)間段的數(shù)據(jù)序列對(duì)應(yīng)的壓縮數(shù)據(jù)并輸出，從而減少了需要傳送的數(shù)據(jù)量，降低了數(shù)據(jù)傳送的能量消耗，從而相對(duì)減少了無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的通信開(kāi)銷；提出誤差精度要求的公式，保證了數(shù)據(jù)壓縮的精度，且提高了數(shù)據(jù)掃描的速度。

優(yōu)選的，所述數(shù)據(jù)接收單元45由無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)匯聚節(jié)點(diǎn)進(jìn)行構(gòu)建，所述無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)匯聚節(jié)點(diǎn)基于保證加權(quán)公平性的數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議接收各傳感器節(jié)點(diǎn)對(duì)應(yīng)的壓縮后的感知數(shù)據(jù)，并將接收的傳感器節(jié)點(diǎn)對(duì)應(yīng)的壓縮后的感知數(shù)據(jù)傳送到高性能計(jì)算機(jī)進(jìn)行處理和分析，實(shí)現(xiàn)無(wú)線數(shù)據(jù)的采集；

其中，所述保證加權(quán)公平性的數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議為：

所述無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)匯聚節(jié)點(diǎn)在某單位時(shí)間段[0,t]接收來(lái)自傳感器節(jié)點(diǎn)i的對(duì)應(yīng)的壓縮后的感知數(shù)據(jù)的數(shù)量S_i,t需滿足以下公平性度量條件：

$\frac{{({\mathrm{\Σ}}_{i=1}^N{S}_{i,t}/w_i)}^2}{{\mathrm{N\Σ}}_{i=1}^N{(S_{i,t}/w_i)}^2}\≥1-{(10\mathrm{\γ}/9)}^2$

式中，w_i為設(shè)定的傳感器節(jié)點(diǎn)i的表征其數(shù)據(jù)重要程度的權(quán)值，N為傳感器節(jié)點(diǎn)的總數(shù)，γ為常數(shù)，其取值范圍為(0,0.2)。

本優(yōu)選實(shí)施例無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)匯聚節(jié)點(diǎn)基于保證加權(quán)公平性的數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議接收各傳感器節(jié)點(diǎn)對(duì)應(yīng)的壓縮后的感知數(shù)據(jù)，使無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)匯聚節(jié)點(diǎn)能夠從重要的傳感器節(jié)點(diǎn)接收較多的感知數(shù)據(jù)，保證了數(shù)據(jù)傳輸?shù)男实耐瑫r(shí)，提高了數(shù)據(jù)傳輸?shù)墓叫浴?/p>

優(yōu)選的，所述數(shù)據(jù)傳送單元46通過(guò)網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)傳送給用戶，包括近距離傳送子單元、遠(yuǎn)距離通信子單元和切換子單元，所述近距離通信子單元采用zigbee協(xié)議通信，所述遠(yuǎn)距離通信子單元采用無(wú)線網(wǎng)絡(luò)通信，正常情況下，用戶通過(guò)近距離通信子模塊從計(jì)算機(jī)控制端獲取監(jiān)測(cè)信息，當(dāng)用戶外出時(shí)，切換子單元啟動(dòng)遠(yuǎn)距離通信子單元，向用戶手機(jī)控制端遠(yuǎn)距離傳送監(jiān)測(cè)信息。

本優(yōu)選實(shí)施例設(shè)置數(shù)據(jù)傳送單元46，能夠根據(jù)用戶距離選擇通信方式，實(shí)現(xiàn)了實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。

在此應(yīng)用場(chǎng)景中，誤差界限為ε取0.5，監(jiān)測(cè)速度相對(duì)提高了11％，監(jiān)測(cè)精度相對(duì)提高了11％。

應(yīng)用場(chǎng)景4

參見(jiàn)圖1、圖2，本應(yīng)用場(chǎng)景的一個(gè)實(shí)施例的用于水域信息采集的機(jī)器人船系統(tǒng)，包括機(jī)器人船終端1、控制器2、無(wú)線網(wǎng)絡(luò)采集器4、服務(wù)中心3和用戶終端5；機(jī)器人船終端1，用以搭載傳感器在水域環(huán)境中進(jìn)行遠(yuǎn)程控制、自主航行；無(wú)線網(wǎng)絡(luò)采集器4，接收控制器2指令并將傳感器獲得的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)上傳至服務(wù)中心3；服務(wù)中心3，負(fù)責(zé)組織管理所有的機(jī)器人船終端1，計(jì)算機(jī)器人船終端1遠(yuǎn)程控制模式下的航行軌跡，所述監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，為用戶提供使用操控界面和控制管道；用戶終端5，用戶采用Web瀏覽器的方式，通過(guò)訪問(wèn)服務(wù)中心提供的Web頁(yè)面，進(jìn)行信息監(jiān)控和控制操作。

本發(fā)明上述實(shí)施例提供了一種小型的、低成本的、可搭載配置不同傳感器、具有協(xié)同編組能力、自主航行能力和遠(yuǎn)程監(jiān)控能力的自動(dòng)機(jī)器人船系統(tǒng)，從而解決了上述的技術(shù)問(wèn)題。

優(yōu)選的，所述傳感器包括位置傳感器、視頻傳感器和水文傳感器，水文傳感器負(fù)責(zé)采集水文水體數(shù)據(jù)，位置傳感器負(fù)責(zé)采集的船體在水域中的位置、速度、姿態(tài)空間狀態(tài)數(shù)據(jù)，視頻傳感器負(fù)責(zé)采集船體周圍水域環(huán)境的影音圖像數(shù)據(jù)；優(yōu)選的，所述的水文水體數(shù)據(jù)包括水溫、水位、水體含氧量。

本優(yōu)選實(shí)施例設(shè)置不同的傳感器進(jìn)行監(jiān)測(cè)，監(jiān)測(cè)效果好，精度高。

優(yōu)選的，所述無(wú)線網(wǎng)絡(luò)采集器4包括傳感器定位單元41、傳感器網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化單元42、數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)單元43、數(shù)據(jù)處理單元44、數(shù)據(jù)接收單元45和數(shù)據(jù)傳送單元46。

本優(yōu)選實(shí)施例構(gòu)建了無(wú)線網(wǎng)絡(luò)采集器4的框架。

優(yōu)選的，所述傳感器定位單元41用于對(duì)未知的傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行定位，定位方法如下：

(1)在少數(shù)傳感器節(jié)點(diǎn)上集成GPS定位芯片，這些傳感器節(jié)點(diǎn)通過(guò)接收GPS信號(hào)獲取自身位置而成為已知位置節(jié)點(diǎn)，作為其他未知位置節(jié)點(diǎn)的定位基礎(chǔ)；

(2)求取四個(gè)已知位置節(jié)點(diǎn)相互間的距離和跳數(shù)，計(jì)算平均每跳的距離；

(3)對(duì)于未知位置節(jié)點(diǎn)X，使用其到四個(gè)已知位置節(jié)點(diǎn)的跳數(shù)與(2)中平均每跳的距離相乘得到未知位置節(jié)點(diǎn)到四個(gè)已知位置節(jié)點(diǎn)的距離；

(4)通過(guò)任意組合的方式選取其中三個(gè)已知位置節(jié)點(diǎn)，對(duì)于每一組合，根據(jù)三邊測(cè)量法獲取其位置，則產(chǎn)生四個(gè)計(jì)算結(jié)果，求取平均位置作為未知位置節(jié)點(diǎn)最終位置。

本優(yōu)選實(shí)施例設(shè)置傳感器定位單元41，便于獲取監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的位置來(lái)源，采用GPS定位芯片和三邊定位結(jié)合的方法，既節(jié)約了成本，又能取得良好的定位效果。

優(yōu)選的，所述傳感器網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化單元42采用遺傳-蟻群優(yōu)化算法對(duì)傳感器網(wǎng)絡(luò)路由算法進(jìn)行優(yōu)化，具體方法如下：

(1)隨機(jī)生成無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)；

(2)設(shè)定遺傳算法的參數(shù)，采用遺傳算法精簡(jiǎn)傳感器網(wǎng)絡(luò)，形成新的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)；

(3)根據(jù)遺傳算法結(jié)果初始化蟻群算法信息素；

(4)設(shè)定蟻群算法參數(shù)，采用蟻群算法對(duì)最優(yōu)路徑進(jìn)行搜索和更新。

本優(yōu)選實(shí)施例對(duì)傳感器網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行優(yōu)化，在保證整個(gè)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)性能下降有限的情況下，提升了網(wǎng)絡(luò)節(jié)能效果，延長(zhǎng)了網(wǎng)絡(luò)的壽命。

優(yōu)選的，所述數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)單元43用于通過(guò)由各傳感器構(gòu)建的傳感器節(jié)點(diǎn)相互協(xié)作進(jìn)行某區(qū)域的監(jiān)測(cè)，并輸出各傳感器節(jié)點(diǎn)監(jiān)測(cè)的感知數(shù)據(jù)；

所述數(shù)據(jù)處理單元44用于對(duì)各傳感器節(jié)點(diǎn)監(jiān)測(cè)的感知數(shù)據(jù)進(jìn)行壓縮處理，包括：

設(shè)所述感知數(shù)據(jù)的一個(gè)單位時(shí)間段的數(shù)據(jù)序列為X＝{x(t₁),x(t₂),…,x(t_n)},其中t_i(1≤i≤n)表示時(shí)間戳，x(t_i)表示在t_i(1≤i≤n)時(shí)刻某個(gè)節(jié)點(diǎn)產(chǎn)生的監(jiān)測(cè)值，設(shè)定誤差界限為ε，誤差界限為ε的取值范圍為[0.4,0.8]，從第一個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)[t₁，x(t₁)]開(kāi)始，對(duì)數(shù)據(jù)序列X＝{x(t₁),x(t₂),…,x(t_n)}中的數(shù)據(jù)點(diǎn)按序進(jìn)行第一次掃描，當(dāng)達(dá)到設(shè)定的掃描停止條件時(shí)，停止第一次的掃描，將第一次掃描的數(shù)據(jù)子序列用一條線段來(lái)近似，從第一次掃描的數(shù)據(jù)子序列后的第一個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)開(kāi)始進(jìn)行類似的第二次的掃描，直至掃描完整個(gè)單位時(shí)間段的數(shù)據(jù)序列；將第一條線段的起始時(shí)間、之后每條線段的結(jié)束時(shí)間和每條線段的斜率與截距作為單位時(shí)間段的數(shù)據(jù)序列對(duì)應(yīng)的壓縮數(shù)據(jù)并輸出；

其中，所述設(shè)定的掃描停止條件為：當(dāng)掃描到一個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)[t_k，x(t_k)]，在這個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)[t_k，x(t_k)]之前的所有數(shù)據(jù)點(diǎn)能被一條線段來(lái)近似描述，且滿足誤差精度要求，而加上數(shù)據(jù)點(diǎn)[t_k，x(t_k)]之后，不存在一條線段能近似描述當(dāng)前所有未被近似描述的數(shù)據(jù)點(diǎn)時(shí)，停止掃描；

所述誤差精度要求為：

$|x\left(t_j\right)-\[x\left(t_{\mathrm{\α}}\right)+\frac{x\left(t_{k-1}\right)-x\left(t_{\mathrm{\α}}\right)}{t_{k-1}-t_{\mathrm{\α}}}(t_j-t_{\mathrm{\α}})\]|\≤\mathrm{\ϵ}$

其中，設(shè)所述數(shù)據(jù)點(diǎn)[t_k，x(t_k)]之前的子序列為X＝{x(t_α),x(t_α+1),…,x(t_k-1)}，式中x(t_j)為在t_j(α≤j≤k-1)時(shí)刻的真實(shí)值。

本優(yōu)選實(shí)施例設(shè)置數(shù)據(jù)處理單元44，通過(guò)設(shè)定的掃描停止條件進(jìn)行數(shù)據(jù)掃描，能夠在線性時(shí)間內(nèi)，使用最少數(shù)目的線段數(shù)來(lái)近似描述感知數(shù)據(jù)的一個(gè)單位時(shí)間段的數(shù)據(jù)序列且保證誤差精度要求，然后將第一條線段的起始時(shí)間、之后每條線段的結(jié)束時(shí)間和每條線段的斜率與截距作為單位時(shí)間段的數(shù)據(jù)序列對(duì)應(yīng)的壓縮數(shù)據(jù)并輸出，從而減少了需要傳送的數(shù)據(jù)量，降低了數(shù)據(jù)傳送的能量消耗，從而相對(duì)減少了無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的通信開(kāi)銷；提出誤差精度要求的公式，保證了數(shù)據(jù)壓縮的精度，且提高了數(shù)據(jù)掃描的速度。

優(yōu)選的，所述數(shù)據(jù)接收單元45由無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)匯聚節(jié)點(diǎn)進(jìn)行構(gòu)建，所述無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)匯聚節(jié)點(diǎn)基于保證加權(quán)公平性的數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議接收各傳感器節(jié)點(diǎn)對(duì)應(yīng)的壓縮后的感知數(shù)據(jù)，并將接收的傳感器節(jié)點(diǎn)對(duì)應(yīng)的壓縮后的感知數(shù)據(jù)傳送到高性能計(jì)算機(jī)進(jìn)行處理和分析，實(shí)現(xiàn)無(wú)線數(shù)據(jù)的采集；

其中，所述保證加權(quán)公平性的數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議為：

所述無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)匯聚節(jié)點(diǎn)在某單位時(shí)間段[0,t]接收來(lái)自傳感器節(jié)點(diǎn)i的對(duì)應(yīng)的壓縮后的感知數(shù)據(jù)的數(shù)量S_i,t需滿足以下公平性度量條件：

$\frac{{({\mathrm{\Σ}}_{i=1}^N{S}_{i,t}/w_i)}^2}{{\mathrm{N\Σ}}_{i=1}^N{(S_{i,t}/w_i)}^2}\≥1-{(10\mathrm{\γ}/9)}^2$

式中，w_i為設(shè)定的傳感器節(jié)點(diǎn)i的表征其數(shù)據(jù)重要程度的權(quán)值，N為傳感器節(jié)點(diǎn)的總數(shù)，γ為常數(shù)，其取值范圍為(0,0.2)。

本優(yōu)選實(shí)施例無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)匯聚節(jié)點(diǎn)基于保證加權(quán)公平性的數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議接收各傳感器節(jié)點(diǎn)對(duì)應(yīng)的壓縮后的感知數(shù)據(jù)，使無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)匯聚節(jié)點(diǎn)能夠從重要的傳感器節(jié)點(diǎn)接收較多的感知數(shù)據(jù)，保證了數(shù)據(jù)傳輸?shù)男实耐瑫r(shí)，提高了數(shù)據(jù)傳輸?shù)墓叫浴?/p>

優(yōu)選的，所述數(shù)據(jù)傳送單元46通過(guò)網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)傳送給用戶，包括近距離傳送子單元、遠(yuǎn)距離通信子單元和切換子單元，所述近距離通信子單元采用zigbee協(xié)議通信，所述遠(yuǎn)距離通信子單元采用無(wú)線網(wǎng)絡(luò)通信，正常情況下，用戶通過(guò)近距離通信子模塊從計(jì)算機(jī)控制端獲取監(jiān)測(cè)信息，當(dāng)用戶外出時(shí)，切換子單元啟動(dòng)遠(yuǎn)距離通信子單元，向用戶手機(jī)控制端遠(yuǎn)距離傳送監(jiān)測(cè)信息。

本優(yōu)選實(shí)施例設(shè)置數(shù)據(jù)傳送單元46，能夠根據(jù)用戶距離選擇通信方式，實(shí)現(xiàn)了實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。

在此應(yīng)用場(chǎng)景中，誤差界限為ε取0.4，監(jiān)測(cè)速度相對(duì)提高了10％，監(jiān)測(cè)精度相對(duì)提高了12％。

應(yīng)用場(chǎng)景5

參見(jiàn)圖1、圖2，本應(yīng)用場(chǎng)景的一個(gè)實(shí)施例的用于水域信息采集的機(jī)器人船系統(tǒng)，包括機(jī)器人船終端1、控制器2、無(wú)線網(wǎng)絡(luò)采集器4、服務(wù)中心3和用戶終端5；機(jī)器人船終端1，用以搭載傳感器在水域環(huán)境中進(jìn)行遠(yuǎn)程控制、自主航行；無(wú)線網(wǎng)絡(luò)采集器4，接收控制器2指令并將傳感器獲得的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)上傳至服務(wù)中心3；服務(wù)中心3，負(fù)責(zé)組織管理所有的機(jī)器人船終端1，計(jì)算機(jī)器人船終端1遠(yuǎn)程控制模式下的航行軌跡，所述監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，為用戶提供使用操控界面和控制管道；用戶終端5，用戶采用Web瀏覽器的方式，通過(guò)訪問(wèn)服務(wù)中心提供的Web頁(yè)面，進(jìn)行信息監(jiān)控和控制操作。

本發(fā)明上述實(shí)施例提供了一種小型的、低成本的、可搭載配置不同傳感器、具有協(xié)同編組能力、自主航行能力和遠(yuǎn)程監(jiān)控能力的自動(dòng)機(jī)器人船系統(tǒng)，從而解決了上述的技術(shù)問(wèn)題。

優(yōu)選的，所述傳感器包括位置傳感器、視頻傳感器和水文傳感器，水文傳感器負(fù)責(zé)采集水文水體數(shù)據(jù)，位置傳感器負(fù)責(zé)采集的船體在水域中的位置、速度、姿態(tài)空間狀態(tài)數(shù)據(jù)，視頻傳感器負(fù)責(zé)采集船體周圍水域環(huán)境的影音圖像數(shù)據(jù)；優(yōu)選的，所述的水文水體數(shù)據(jù)包括水溫、水位、水體含氧量。

本優(yōu)選實(shí)施例設(shè)置不同的傳感器進(jìn)行監(jiān)測(cè)，監(jiān)測(cè)效果好，精度高。

優(yōu)選的，所述無(wú)線網(wǎng)絡(luò)采集器4包括傳感器定位單元41、傳感器網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化單元42、數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)單元43、數(shù)據(jù)處理單元44、數(shù)據(jù)接收單元45和數(shù)據(jù)傳送單元46。

本優(yōu)選實(shí)施例構(gòu)建了無(wú)線網(wǎng)絡(luò)采集器4的框架。

優(yōu)選的，所述傳感器定位單元41用于對(duì)未知的傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行定位，定位方法如下：

(1)在少數(shù)傳感器節(jié)點(diǎn)上集成GPS定位芯片，這些傳感器節(jié)點(diǎn)通過(guò)接收GPS信號(hào)獲取自身位置而成為已知位置節(jié)點(diǎn)，作為其他未知位置節(jié)點(diǎn)的定位基礎(chǔ)；

(2)求取四個(gè)已知位置節(jié)點(diǎn)相互間的距離和跳數(shù)，計(jì)算平均每跳的距離；

(3)對(duì)于未知位置節(jié)點(diǎn)X，使用其到四個(gè)已知位置節(jié)點(diǎn)的跳數(shù)與(2)中平均每跳的距離相乘得到未知位置節(jié)點(diǎn)到四個(gè)已知位置節(jié)點(diǎn)的距離；

(4)通過(guò)任意組合的方式選取其中三個(gè)已知位置節(jié)點(diǎn)，對(duì)于每一組合，根據(jù)三邊測(cè)量法獲取其位置，則產(chǎn)生四個(gè)計(jì)算結(jié)果，求取平均位置作為未知位置節(jié)點(diǎn)最終位置。

本優(yōu)選實(shí)施例設(shè)置傳感器定位單元41，便于獲取監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的位置來(lái)源，采用GPS定位芯片和三邊定位結(jié)合的方法，既節(jié)約了成本，又能取得良好的定位效果。

優(yōu)選的，所述傳感器網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化單元42采用遺傳-蟻群優(yōu)化算法對(duì)傳感器網(wǎng)絡(luò)路由算法進(jìn)行優(yōu)化，具體方法如下：

(1)隨機(jī)生成無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)；

(2)設(shè)定遺傳算法的參數(shù)，采用遺傳算法精簡(jiǎn)傳感器網(wǎng)絡(luò)，形成新的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)；

(3)根據(jù)遺傳算法結(jié)果初始化蟻群算法信息素；

(4)設(shè)定蟻群算法參數(shù)，采用蟻群算法對(duì)最優(yōu)路徑進(jìn)行搜索和更新。

本優(yōu)選實(shí)施例對(duì)傳感器網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行優(yōu)化，在保證整個(gè)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)性能下降有限的情況下，提升了網(wǎng)絡(luò)節(jié)能效果，延長(zhǎng)了網(wǎng)絡(luò)的壽命。

優(yōu)選的，所述數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)單元43用于通過(guò)由各傳感器構(gòu)建的傳感器節(jié)點(diǎn)相互協(xié)作進(jìn)行某區(qū)域的監(jiān)測(cè)，并輸出各傳感器節(jié)點(diǎn)監(jiān)測(cè)的感知數(shù)據(jù)；

所述數(shù)據(jù)處理單元44用于對(duì)各傳感器節(jié)點(diǎn)監(jiān)測(cè)的感知數(shù)據(jù)進(jìn)行壓縮處理，包括：

設(shè)所述感知數(shù)據(jù)的一個(gè)單位時(shí)間段的數(shù)據(jù)序列為X＝{x(t₁),x(t₂),…,x(t_n)},其中t_i(1≤i≤n)表示時(shí)間戳，x(t_i)表示在t_i(1≤i≤n)時(shí)刻某個(gè)節(jié)點(diǎn)產(chǎn)生的監(jiān)測(cè)值，設(shè)定誤差界限為ε，誤差界限為ε的取值范圍為[0.4,0.8]，從第一個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)[t₁，x(t₁)]開(kāi)始，對(duì)數(shù)據(jù)序列X＝{x(t₁),x(t₂),…,x(t_n)}中的數(shù)據(jù)點(diǎn)按序進(jìn)行第一次掃描，當(dāng)達(dá)到設(shè)定的掃描停止條件時(shí)，停止第一次的掃描，將第一次掃描的數(shù)據(jù)子序列用一條線段來(lái)近似，從第一次掃描的數(shù)據(jù)子序列后的第一個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)開(kāi)始進(jìn)行類似的第二次的掃描，直至掃描完整個(gè)單位時(shí)間段的數(shù)據(jù)序列；將第一條線段的起始時(shí)間、之后每條線段的結(jié)束時(shí)間和每條線段的斜率與截距作為單位時(shí)間段的數(shù)據(jù)序列對(duì)應(yīng)的壓縮數(shù)據(jù)并輸出；

其中，所述設(shè)定的掃描停止條件為：當(dāng)掃描到一個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)[t_k，x(t_k)]，在這個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)[t_k，x(t_k)]之前的所有數(shù)據(jù)點(diǎn)能被一條線段來(lái)近似描述，且滿足誤差精度要求，而加上數(shù)據(jù)點(diǎn)[t_k，x(t_k)]之后，不存在一條線段能近似描述當(dāng)前所有未被近似描述的數(shù)據(jù)點(diǎn)時(shí)，停止掃描；

所述誤差精度要求為：

$|x\left(t_j\right)-\[x\left(t_{\mathrm{\α}}\right)+\frac{x\left(t_{k-1}\right)-x\left(t_{\mathrm{\α}}\right)}{t_{k-1}-t_{\mathrm{\α}}}(t_j-t_{\mathrm{\α}})\]|\≤\mathrm{\ϵ}$

其中，設(shè)所述數(shù)據(jù)點(diǎn)[t_k，x(t_k)]之前的子序列為X＝{x(t_α),x(t_α+1),…,x(t_k-1)}，式中x(t_j)為在t_j(α≤j≤k-1)時(shí)刻的真實(shí)值。

本優(yōu)選實(shí)施例設(shè)置數(shù)據(jù)處理單元44，通過(guò)設(shè)定的掃描停止條件進(jìn)行數(shù)據(jù)掃描，能夠在線性時(shí)間內(nèi)，使用最少數(shù)目的線段數(shù)來(lái)近似描述感知數(shù)據(jù)的一個(gè)單位時(shí)間段的數(shù)據(jù)序列且保證誤差精度要求，然后將第一條線段的起始時(shí)間、之后每條線段的結(jié)束時(shí)間和每條線段的斜率與截距作為單位時(shí)間段的數(shù)據(jù)序列對(duì)應(yīng)的壓縮數(shù)據(jù)并輸出，從而減少了需要傳送的數(shù)據(jù)量，降低了數(shù)據(jù)傳送的能量消耗，從而相對(duì)減少了無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的通信開(kāi)銷；提出誤差精度要求的公式，保證了數(shù)據(jù)壓縮的精度，且提高了數(shù)據(jù)掃描的速度。

優(yōu)選的，所述數(shù)據(jù)接收單元45由無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)匯聚節(jié)點(diǎn)進(jìn)行構(gòu)建，所述無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)匯聚節(jié)點(diǎn)基于保證加權(quán)公平性的數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議接收各傳感器節(jié)點(diǎn)對(duì)應(yīng)的壓縮后的感知數(shù)據(jù)，并將接收的傳感器節(jié)點(diǎn)對(duì)應(yīng)的壓縮后的感知數(shù)據(jù)傳送到高性能計(jì)算機(jī)進(jìn)行處理和分析，實(shí)現(xiàn)無(wú)線數(shù)據(jù)的采集；

其中，所述保證加權(quán)公平性的數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議為：

所述無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)匯聚節(jié)點(diǎn)在某單位時(shí)間段[0,t]接收來(lái)自傳感器節(jié)點(diǎn)i的對(duì)應(yīng)的壓縮后的感知數(shù)據(jù)的數(shù)量S_i,t需滿足以下公平性度量條件：

$\frac{{({\mathrm{\Σ}}_{i=1}^N{S}_{i,t}/w_i)}^2}{{\mathrm{N\Σ}}_{i=1}^N{(S_{i,t}/w_i)}^2}\≥1-{(10\mathrm{\γ}/9)}^2$

式中，w_i為設(shè)定的傳感器節(jié)點(diǎn)i的表征其數(shù)據(jù)重要程度的權(quán)值，N為傳感器節(jié)點(diǎn)的總數(shù)，γ為常數(shù)，其取值范圍為(0,0.2)。

本優(yōu)選實(shí)施例無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)匯聚節(jié)點(diǎn)基于保證加權(quán)公平性的數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議接收各傳感器節(jié)點(diǎn)對(duì)應(yīng)的壓縮后的感知數(shù)據(jù)，使無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)匯聚節(jié)點(diǎn)能夠從重要的傳感器節(jié)點(diǎn)接收較多的感知數(shù)據(jù)，保證了數(shù)據(jù)傳輸?shù)男实耐瑫r(shí)，提高了數(shù)據(jù)傳輸?shù)墓叫浴?/p>

優(yōu)選的，所述數(shù)據(jù)傳送單元46通過(guò)網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)傳送給用戶，包括近距離傳送子單元、遠(yuǎn)距離通信子單元和切換子單元，所述近距離通信子單元采用zigbee協(xié)議通信，所述遠(yuǎn)距離通信子單元采用無(wú)線網(wǎng)絡(luò)通信，正常情況下，用戶通過(guò)近距離通信子模塊從計(jì)算機(jī)控制端獲取監(jiān)測(cè)信息，當(dāng)用戶外出時(shí)，切換子單元啟動(dòng)遠(yuǎn)距離通信子單元，向用戶手機(jī)控制端遠(yuǎn)距離傳送監(jiān)測(cè)信息。

本優(yōu)選實(shí)施例設(shè)置數(shù)據(jù)傳送單元46，能夠根據(jù)用戶距離選擇通信方式，實(shí)現(xiàn)了實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。

在此應(yīng)用場(chǎng)景中，誤差界限為ε取0.4，監(jiān)測(cè)速度相對(duì)提高了10％，監(jiān)測(cè)精度相對(duì)提高了12％。

最后應(yīng)當(dāng)說(shuō)明的是，以上實(shí)施例僅用以說(shuō)明本發(fā)明的技術(shù)方案，而非對(duì)本發(fā)明保護(hù)范圍的限制，盡管參照較佳實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作了詳細(xì)地說(shuō)明，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解，可以對(duì)本發(fā)明的技術(shù)方案進(jìn)行修改或者等同替換，而不脫離本發(fā)明技術(shù)方案的實(shí)質(zhì)和范圍。