水下无线传感器网络拓扑结构分析研究

繁荣的海上贸易推动了全球海上通信、信息技术以及无线传感器网络(WSN)技术等新技术在航海领域的应用研究和推广。本文主要通过对水下特殊环境特点的分析,以及对当前技术在陆上的应用研究,提出一种蜂窝网结构的节点部署策略,构造了一个相对稳定且能量均衡的网络拓扑结构,满足大部分水下应用研究的需求。

基于光纤光栅传感器的水下盾构隧道健康监测与安全评价

为保证水下盾构隧道在施工和运营过程中的结构安全性,依托江苏某过江隧道建设工程,选取最危险、薄弱的典型断面安装光纤光栅传感器,建立隧道结构健康监测系统,实时掌握水下盾构隧道受力变形规律,及时判断隧道结构健康状况。首先,该系统对采集的健康监测数据进行异常数据的识别、剔除和补全等预处理;然后,结合温度、土压力和渗压等外部因素对监测数据进行关联性分析,研究外部因素对隧道结构受力变形的影响规律;最后,以管片收敛变形和钢筋应力为评价指标,对隧道结构安全性进行评价,并通过计算结构安全系数验证结构安全性评价结果。研究结果表明:1)拉依达准则和箱形图法能够有效识别异常数据,且识别的异常数据基本能通过估计邻域法的检验;2)对土压力和渗压分别与钢筋应力进行灰色关联分析,发现钢筋应力受土压力影响较大,管片变形受渗压作用更明显;3)以管片收敛变形和钢筋应力为评价指标,对单环监测断面进行安全性能评价,确定结构安全等级为1级,结构完好。通过钢筋应力推算结构弯矩和轴力,计算最危险管片结构安全系数为4.20,满足规范要求,安全评价结果准确,结构性能安全。

水下传感器网络拓扑研究

水下传感器网络是一种新型的水下通讯系统。不同于陆地传感器网络,由于受到水下环境和水声通讯等限制条件制约,水下节点的部署也更加复杂。合理的拓扑结构能有效延长网络生命周期、节约节点资源、降低通讯干扰,能够提高路由协议和MAC协议的效率,为数据融合、时间同步和目标定位提供支持。本文分析总结了现有的水下传感器网络拓扑控制策略和关键技术,针对水下传感器网络广泛应用的分簇策略进行了分析和研究。

水下传感器网络系统架构与体系结构研究

针对水下传感器网络的现实需求,构建了水下传感器网络的应用场景,提出了高密度水下三维传感器网络的全新概念。结合水下传感器网络的应用,基于陆上传感器网络的体系结构,设计了水下传感器网络的体系结构,对该体系结构各层的功能进行了深入分析。提出一种基于深度信息与能量均衡的水下路由协议,该协议利用节点的深度信息就可以完成数据的有效转发,节点间通信量极少;并设计了协议的算法,提出了空洞处理对策。

二维水下传感器网络的多重贪心算法

水下传感器网络是一种特殊的传感器网络。在水声通信的基础上构建一个简单、高效的水下传感器网络还是一个新兴的研究领域。对水下传感器网络网络拓扑结构进行分析,并根据二维水下传感器网络的特点,以减少网络功耗为目的,提出了一种新的路由算法-多重贪心算法以获得最优路径。

浅谈无线传感器网络的拓扑结构控制

无线传感器网络是一个由传感器组成的分布式自组织网络。在无线传感器网络中,拓扑控制一直是其关键技术之一。从过去的研究中表明,主要的拓扑控制方法有层次型拓扑控制和节点功率控制。层次型的拓扑结构将整个网络划分为不同的簇,并通过一定机制选择簇头来负责数据转发和融合,让无线网络的拓扑结构在一定程度上得到了优化和控制。

水下声学传感器的网络架构研究

近年来,声学传感器网络(Underwater Acoustic Sensor Networks,UASNs)成为监测海洋、湖泊、河流等水域环境的重要工具。掌握UASNs的架构对于了解应用网络设计、拓扑控制、通信协议等具有重要意义,因此分析UASNs的可行架构及其特性非常必要。基于此,对UASNs的架构进行全面研究梳理,并根据节点特性将其分为3组,以全面掌握UASNs的工作原理、拓扑结构、通信协议、能耗优化及实际应用。

水下声学传感器网络研究

水下声学传感器网络日益成为国内外的研究热点,而水下环境恶劣及传感器节点移动难以控制等问题的存在,使得如何确保水下声学传感器网络的效能备受关注。分析了水下声学传感器网络的国内外研究现状,描述了水下声学传感器网络的层次结构,对水下声学传感器网络物理层面临的技术挑战进行了研究,并指明了下一步研究工作的方向。

水下压电智能结构振动控制中传感器/作动器位置优化

文章围绕智能结构水下振动控制中传感器/作动器的位置优化问题,搭建Abaqus-Matlab联合建模平台,得到水下智能结构的状态空间模型,建立基于能量传递的优化准则,在频段为0～600 Hz处,对比可选传感器及作动器位置区域的可控、可观度的大小,由此获得了传感器/作动器的最佳粘贴位置。最后通过相同激励信号下,不同配置位置的水下压电智能圆柱壳振动能量传递的大小,验证了优选位置的合理性。

一种水下机器人用多轴力传感器的结构设计

水下机器人用多轴力传感器的设计必须首先解决水压力平衡的问题。通过对几种典型的机器人用多轴力传感器结构在水压作用下的应力、应变进行分析,得到这几种结构的特点和适用条件:实心的柱体可以承受深水压力,但由于海水的腐蚀作用,开放式柱体不适合作为弹性体;充油或充气的刚性封闭的薄壁结构不能承受深水压力;带补偿膜的薄壁圆筒结构只能承受浅水压力的作用;用软外囊封包的结构可以承受深水压力,实现足够大的体积变化而不致被破坏,但存在容易破损以及形状、质心不定的缺陷。提出一种水下机器人用多轴力传感器自适应结构的设计构思,这种结构兼有开放式和封闭式结构的优点。按照这种设计构思已试制出原型样机。

一种树型层次结构的无线传感器网络应用研究

针对无线传感器网络的拓扑结构,提出了一种树型层次结构的无线传感器网络。该网络结构可用最少的无线通信跳数进行数据传输,能均衡使用节点电池能量。同时给出了节点位置估算法和数据丢包解决法,设计并验证了该网络的路由算法。该无线传感器网络所用技术成熟、成本低、易于工程实现,具有较好的实用价值,其网络结构具有一定的通用性。

FBG传感器在水下结构工程中的应用

近年来,光纤光栅传感技术在我国发展很快,已经在桥梁、土建等多个领域中得到了应用,但在水工领域的应用还很少.本文结合白鹤梁工程实例,探索该项技术在这一领域应用的可行性.开展的光纤光栅应变、温度传感器在水下工程领域中较大规模的应用研究结果表明:FBG具有很好的防水性能,测试精度高,长期稳定性好,信号传输距离远,为水下结构的长期监测提供了一种可靠有效的手段.

水下无线传感器网络DBR路由协议研究

DBR(Depth Based Routing)协议是水下无线传感器网络中第一个基于深度信息的路由协议。分析了水下无线传感器网络中DBR路由协议特性,详细阐述了DBR协议中的网络拓扑结构、数据转发机制及其存在的一些问题。并简单介绍了目前有关DBR的改进路由协议。

无线传感器网络联盟初始结构生成研究

无线传感器网络是一种智能化的监控系统,其由大量具有数据处理和通信能力的传感器节点组成,目的是对监测区域内的信息实时感知、采集和处理。传感器网络中的数据有效可靠地传输建立在良好的网络拓扑结构基础上。该文采用粒子群算法以动态联盟机制为通信机制,生成的网络拓扑结构更有效地节约了节点间数据通信的能耗,做到了网络负载的均衡,从而提高了网络的存活时间。

基于混沌的水下传感器网络分组加密算法

由于水声信道是一个开放的环境,水下传感器网络很容易受到各种攻击和威胁。为了解决水下传感器网络面临的安全性问题,本文提出一种基于混沌理论的分组加密算法。算法采用16轮Feistel结构对分组进行加解密,加密轮函数通过双混沌方程构造,轮密钥则通过单一混沌系统生成。通过分析,该算法满足安全性要求。仿真结果表明,相比DES和AES加密算法,该算法消耗比较低的资源,适用于水下传感器网络。

水下无线传感器网络节点部署优化研究

为降低水下传感器网络的部署成本,文中对水下无线传感器节点数目和覆盖率进行优化,提出了针对不同网络拓扑模型的水下无线传感器节点部署优化模型。首先,分析不同网络模型对覆盖性能的影响;然后,利用遗传算法求解优化问题,分别以网络节点数目和覆盖率作为适应度函数求解。通过仿真实验验证了该算法的有效性,结果显示:该策略能够在单个传感器覆盖半径减少的情况下以更少的节点数目达到更高的覆盖率,从而降低水下传感器网络节点部署成本。

基于线结构光的水下旋转扫描高精度测量方法研究

随着海洋工程领域的不断发展,如何高精度地获取水下物体的三维点云具有重要学术和应用价值。由于光在不同介质中传播会引起光路的变化,导致水下线结构光视觉测量获得的点云受折射畸变影响,精度降低。针对上述问题,设计了一种基于线结构光的水下旋转扫描测量系统。提出了一种轴眼标定算法,能够将多视角水下点云配准到统一坐标系中。提出了一种引入折射补偿的水下相机成像模型,该模型可准确的描述激光在不同介质间传播过程中的光路,基于水下激光平面方程的约束,对水下点云进行折射校正,提高了水下点云的重建精度。水下测量实验结果表明,提出的高精度测量方法能够获得水下物体的三维点云信息,可测量水下目标的尺寸信息,距离目标30~80 cm时测量精度达到0.2 mm,满足了水下目标三维高精度测量要求。

基于水平集的围猎式水下传感器节点布置研究

水下传感器网络作为一种探索和开发海洋的新方法,在人类不易接触的水下区域的探测和监测中发挥着重要作用,是无线传感器网络领域研究的热点.在水下空间中传感器节点如何自主调整位置实现对“兴趣域”的覆盖和监视是一个重要课题.该文引入水平集理论LSM,提出了一种基于水平集的围猎式水下传感器节点布置方法.在该方法中网关节点根据传感器节点的位置信息和可能感知到的兴趣域信息,以能量泛函计算兴趣域边缘参数,传感器节点以此参数为根据,完成趋向兴趣域边缘的迁移;大量节点的迁移可逐步演化成对兴趣域的围猎式布置.同时,该文建立了结构相似度SSIM和网络能耗均衡度两个性能评价指标,以评估该文方法在实现兴趣域驱动的水下节点布置的综合性能.大量仿真实验结果表明,该方法在不同节点规模、节点密度和兴趣域形状情况下均可实现对兴趣域边缘的动态地、围猎式地覆盖,从而达到对兴趣域的有效跟踪和监视.

膜片式水下力传感器力学特性与设计原则分析

以水下机器人所用多轴力传感器的压力平衡结构为研究对象,基于液体的可压缩性,提出了膜片式压力平衡传感器内外压力差的迭代算法,推导出了膜片式压力平衡法的内外压力差、额外轴向力及相关公式。分析了压力差在传感器上产生的额外轴向力及影响额外轴向力的相关因素,结果表明,膜片式压力平衡法难以胜任大压力平衡。总结了膜片式水下力传感器结构设计原则:基于膜片式压力平衡的水下力传感器结构应紧凑,其长径比、壁厚应尽可能小;压力平衡膜片面积应尽量大,而内部存油液应尽量少。

水下灵巧手指力传感器设计

为了实现水下灵巧手对目标对象六维力/力矩的准确测量,提出了一种新型的指力传感器模型。该传感器采用十字梁与圆盘结构组合的方式分两组各完成三维力/力矩的测量。首先对传感器的弹性体结构进行了设计和理论分析,然后基于灵敏度高、线性好等要求进行了合理的布片和组桥,从而完成了一种可以直接输出六维力/力矩的传感器的设计,解决了六维力/力矩传感器中存在的结构复杂、尺寸大、刚度低、灵敏度低等问题,可以方便地将其应用于水下灵巧手指尖处。