一种基于单对多充电技术的移动充电车路径规划算法的制作方法

本发明涉及一种基于单对多充电技术的移动充电车路径规划算法，属于无线可充电传感器网络的充电规划领域。

背景技术：

传感器节点体积较小，所携带的电池电量有限，且传感器网络中普遍存在节点能耗不均衡现象。因此，能量问题已经成为当前无线传感器网络实际部署和应用中所要克服的重要性能瓶颈。目前，针对传感器网络中的能量问题，主要有四种解决方案，即节能方案、人工更换电池方案、能量收集技术、无线充电技术。节能方案可通过睡眠调度、低功耗mac(mediaaccesscontrol)协议、移动基站、数据融合等方式减少传感器节点的能耗，却无法补偿节点所消耗的能量，且牺牲了一定的网络性能，如增加通信延迟、减少传输可靠性等；人工更换电池方案仅仅适用于小规模且节点可触及的传感器网络，同时，频繁的更换电池将耗费大量的人力物力成本；而能量收集技术则需要传感器节点配有较大的能量转换器，能量转换效率低，且该方法受环境的影响很大，具有很强的不稳定性和不可控制性；因此，为保证传感器网络持久有效的工作，采用无线充电技术来为网络提供持续、稳定的能量补充服务，即利用移动充电车为任意传感器节点进行周期性无线充电。基于不同的工作原理，无线充电技术可分成三类，即电感耦合、电磁辐射、磁共振耦合，其中，磁共振耦合技术由于其高能量传输效率(米级)、无需对准、全方向、允许阻挡以及不受环境影响等优势，广泛应用于无线可充电传感器网络。

技术实现要素：

为了解决上述问题，本发明提出一种基于单对多充电技术的移动充电车路径规划算法，节约充电时间，缩短移动充电车的行驶路径，降低行驶能耗，提高充电效率和充电规划的可扩展性。

为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：

一种基于单对多充电技术的移动充电车路径规划算法，具体步骤如下：

步骤一：给定一个传感器节点集合n，所述传感器节点集合n中每个节点ni存在一个相应的以ni为圆心、移动充电车的充电范围r为半径的圆ci，这些圆构成一个集合c，移动充电车在每一轮充电调度中都是从服务站节点出发，对所有的传感器节点进行充电，充电结束后返回服务站节点，服务站节点位置固定，若圆ci与圆cj相交，则称这两个圆为相交圆，并将圆心ni与nj归于相同的组，以此类推，多个圆相交则各自对应的圆心归为一组；如果圆ck与集合c中的其他任意一个圆都不相交，则称ck为孤立圆，并将孤立圆的圆心nk单独归于一组；

步骤二：相交圆之间的重叠区域内，根据相交圆各自对应的圆心的坐标求出重叠区域的质心，并将该质心作为这一组相交圆的停靠点；

步骤三：对于孤立圆ck，从距离圆心nk最近的相交圆的停靠点找出与孤立圆ck相切的两条直线，得到两个切点k和k’，之后选择离服务站节点近的切点为孤立圆ck的停靠点；

步骤四：相交圆和孤立圆的停靠点共同构成移动充电车的停靠点集合，随后，通过遗传算法将移动充电车的充电路径设置为以服务站节点为起止点、遍历所有停靠点的最短哈密尔顿回路。

优选地，所述步骤二中质心的计算方法如下：

设n0～ni的质心坐标为(x，y)，其中，

n0～ni表示一组相交圆中所有的节点，且节点的坐标用(xn，yn)表示，n取值为0～i。

优选地，所述步骤三种切点的具体计算方法如下：

3.1计算距离孤立圆ck圆心最近的相交圆停靠点与孤立圆圆心的距离d，结合孤立圆半径r计算出相切直线长度l，即

l²＝d²+r²(3)

3.2以距离孤立圆ck圆心最近的相交圆停靠点坐标、孤立圆圆心坐标nk、孤立圆半径r与相切直线长度l为输入，采用几何算法定位相切点坐标，并选择距离服务站节点较近的切点作为孤立圆的停靠点，设距离孤立圆ck圆心最近的相交圆停靠点坐标为(x1,y1),孤立圆圆心的坐标为(xk，yk),相切点坐标为(x2,y2),其中，

(x1-x2)²+(y1-y2)²＝l²(4)

(xk-x2)²+(yk-y2)²＝r²(5)

解上述方程，从中得到相切点的坐标(x2,y2)，即孤立圆的停靠点。

有益效果：本发明提供一种基于单对多充电技术的移动充电车路径规划算法，单对多充电技术的总体充电效率高于单对单充电技术，且节约充电时间，降低移动充电车的行驶能耗，提高充电规划的可扩展性，适用于大规模节点密集或聚簇分布的传感器网络,显著减少移动充电车的停靠点数目和充电路径长度，节约充电时间，降低充电代价，提高充电效率和充电规划的可扩展性。

附图说明

图1为基于移动充电车的充电范围对传感器节点进行分组的示意图；

图2为根据步骤二所确定的相交圆的停靠点；

图3为根据步骤三所确定的孤立圆的停靠点；

图4为根据步骤四所确定的移动充电车的最短充电路径；

图5为实例中根据本发明所确定的移动充电车最短充电路径；

图6为实例中根据六边形算法所确定的移动充电车最短充电路径。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本申请中的技术方案，下面对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本申请保护的范围。

一种基于单对多充电技术的移动充电车路径规划算法，具体步骤如下：

步骤一：给定一个传感器节点集合n，所述传感器节点集合n中每个节点ni存在一个相应的以ni为圆心、移动充电车的充电范围r为半径的圆ci，这些圆构成一个集合c，移动充电车在每一轮充电调度中都是从服务站节点出发，对所有的传感器节点进行充电，充电结束后返回服务站节点，服务站节点位置固定，若圆ci与圆cj相交，则称这两个圆为相交圆，并将圆心ni与nj归于相同的组，以此类推，多个圆相交则各自对应的圆心归为一组；如果圆ck与集合c中的其他任意一个圆都不相交，则称ck为孤立圆，并将孤立圆的圆心nk单独归于一组；(本发明中，每一个传感器节点装载有全球定位系统(gps)接收器，以确定每个传感器节点的位置坐标信息，然后基于节点的坐标信息确定相交圆和孤立圆，即将节点间距离小于2r的节点归于同一组(相交圆)，距离均大于2r的节点即为孤立圆。)

步骤二：相交圆之间的重叠区域内，根据相交圆各自对应的圆心的坐标求出重叠区域的质心，并将该质心作为这一组相交圆的停靠点；

步骤三：对于孤立圆ck，从距离圆心nk最近的相交圆的停靠点找出与孤立圆ck相切的两条直线，得到两个切点k和k’，之后选择离服务站节点近的切点为孤立圆ck的停靠点；

步骤四：相交圆和孤立圆的停靠点共同构成移动充电车的停靠点集合，随后，通过遗传算法将移动充电车的充电路径设置为以服务站节点为起止点、遍历所有停靠点的最短哈密尔顿回路。

优选地，所述步骤二中质心的计算方法如下：

设n0～ni的质心坐标为(x，y)，其中，

n0～ni表示一组相交圆中所有的节点，且节点的坐标用(xn，yn)表示，n取值为0～i。

优选地，所述步骤三种切点的具体计算方法如下：

3.1计算距离孤立圆ck圆心最近的相交圆停靠点与孤立圆圆心的距离d，结合孤立圆半径r计算出相切直线长度l，即

l²＝d²+r²(3)

3.2以距离孤立圆ck圆心最近的相交圆停靠点坐标、孤立圆圆心坐标nk、孤立圆半径r与相切直线长度l为输入，采用几何算法定位相切点坐标，并选择距离服务站节点较近的切点作为孤立圆的停靠点，设距离孤立圆ck圆心最近的相交圆停靠点坐标为(x1,y1),孤立圆圆心的坐标为(xk，yk),相切点坐标为(x2,y2),其中，

(x1-x2)²+(y1-y2)²＝l²(4)

(xk-x2)²+(yk-y2)²＝r²(5)

解上述方程，从中得到相切点的坐标(x2,y2)，即孤立圆的停靠点。

仿真实例：100×100m²的二维传感器网络区域内随机部署500个传感器节点，每个节点可通过gps进行定位，其中，基站节点部署在网络的中心位置(50,50)(本发明默认基站节点固定位于网络的中心位置，其他传感器节点随机部署在网络中，且通过多跳方式将采集到的数据传输到基站节点。)服务站节点部署在网络的原点(0,0)(本发明中只要满足服务站节点为起止点即可，服务站节点可以部署在网络的任意位置)，移动充电车的充电范围是2.7m。这里采用周期性充电方案，即移动充电车每一轮对所有的传感器节点进行充电。

首先，根据步骤一分别将相交圆和孤立圆对应的圆心进行归组，且得到相交圆的停靠点数目为112，孤立圆的停靠点数目为84，停靠点总数为196；

其次，根据步骤二得到所有相交圆的停靠点坐标；

随后，根据步骤三确定所有孤立圆的停靠点坐标；

最后，根据步骤四通过遗传算法(本发明将移动充电车的路径规划问题转化成tsp问题，即找到一条以服务站节点为起止点、遍历所有停靠点的最短哈密尔顿回路，而遗传算法是用来解决tsp问题的常用算法之一，是常规技术手段，这里采用传统的遗传算法，算法的步骤包括初始化、个体评价、选择运算、交叉运算、变异运算以及终止条件判断。上述遗传算法过程均属于常规技术手段，故而未加详述)，计算出移动充电车的最短充电回路长度ltsp＝1273m，如图5所示。移动充电车从服务站节点出发，沿着最短充电回路依次访问每个停靠点，并为停靠点周围的所有节点进行充电，充电结束后返回服务站节点进行休息和能量补充，等待下一轮充电任务。

图6展示了根据传统六边形路径规划算法所确定的移动充电车充电路径，该算法将网络区域划分成若干个六边形单元，且六边形的边长为移动充电车的充电范围，通过访问六边形单元的中心，移动充电车可以为单元内的所有节点同时进行充电，此时，500个节点分布在341个六边形单元内，最短充电回路长度ltsp＝1838m，由此可以看出，本发明可以显著减少停靠点数目和充电路径长度，降低行驶能耗，节约充电时间，提高充电效率和充电规划的可扩展性。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的两种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。