机器鱼传感网络的低能耗协作调度关键技术研究

The further exploitation of ocean and river, and protection of aquatic environment promote the applications of robotic fish and robotic fish-based sensor networks. In robotic fish-based sensor networks, as an important constraint, energy consumption has gained increasing attenttion on control scheduling. Firstly, robotic fish are used as research objects,energy consumptions generated by data acquisition, data computing,data transmitting and fish moving are measured, and the relationships of time, distance and moving parameters are determined. A multi-paramters energy consumption modeling is built and dynamic energy-saving scheme is proposed. Secondly,under the necessary condition of the network coverage rate, connectivity and tracking quality, the energy consumption model is integrated into robitic fish moving aglorithm and an energy efficient collaborative scheduling scheme is designed. Finally, the energy consumption consensus control theory for robotic fish-based sensor network is proposed based on the engergy state update and topology control. The energy-efficiency ratio of the system is improved and good tracking performanc is gained.

海洋和河流的深入开发以及水环境保护的需要促进水环境下机器鱼以及传感器网络的应用。在机器鱼传感网络中，能耗作为一个重要的约束条件，在控制调度中受到越来越多的重视。本项目以能耗敏感的机器鱼为研究对象，根据机器鱼传感网络在不同负载状态下数据采集、数据计算、数据传输以及鱼体运动等四个方面能耗的开销，确立时间、距离以及运动特征参数与能耗的关系，建立一种多参数融合的机器鱼能耗模型，并形成一种能够依赖应用要求，自适应调节的机器鱼动态节能策略。然后，在保证网络的覆盖率、连通性以及跟踪质量的前提下，将能耗模型融入控制机器鱼运动的算法中，设计一种能量感知的协作运动调度策略。同时，从整体上考虑机器鱼群的能量状态更新和拓扑控制两个方面，建立一种机器鱼传感网络能耗一致性控制方法，提高系统的能效比，以获得满意的目标跟踪性能。

海洋和河流的深入开发以及水环境保护的需要促进水环境下以机器鱼作为移动平台的应用。本项目以尾鳍推进式机器鱼为研究对象，以能耗作为优化指标，首先分析机器鱼的动力学模型，分别建立了机器鱼运动能耗模型、感知能耗模型、通讯能耗模型以及处理能耗模型，进而建立了以尾鳍运动参数以及时间等为自变量的多参数融合的机器鱼能耗模型。在该能耗模型的基础上，利用遗传算法，结合S面运动控制器，提出了能效优化的机器鱼运动控制调度策略。同时，从系统整体的角度考虑机器鱼群的能量状态更新和拓扑控制两个方面，建立一种机器鱼传感网络能耗一致性控制方法，提高系统的能效比。最后，将能效优化的机器鱼运动控制调度策略和能耗一致性控制方法结合卡尔曼滤波器，形成能效优化的机器鱼传感网目标跟踪策略应用于静态目标和动态目标跟踪中，在取得较好跟踪精度、覆盖率以及网络连通性的前提下，有效地降低整个系统能耗，延长系统的使用寿命,为机器鱼群低功耗协作调度的实际应用形成理论指导和解决方案。