[發(fā)明專利]基于選權(quán)迭代狼群算法的三維激光標(biāo)靶球球心擬合方法

有效

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• 申請日: 2020-06-23
• 公開（公告）號: CN111964574B
• 公開（公告）日: 2021-09-21
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 王磊;李靖宇
• 申請（專利權(quán)）人: 安徽理工大學(xué)
• 主分類號: G01B11/00
• 分類號: G01B11/00;G01B11/24;G06N3/00
• 代理公司: 合肥中谷知識產(chǎn)權(quán)代理事務(wù)所(普通合伙) 34146
• 代理人: 洪玲

本發(fā)明提出了一種基于選權(quán)迭代狼群算法的三維激光標(biāo)靶球球心擬合方法，首次將狼群算法(WPA)與選權(quán)迭代(WI)相結(jié)合，并基于球心方程和標(biāo)靶球球心擬合數(shù)據(jù)特征，構(gòu)建了基于選權(quán)迭代狼群算法的三維激光標(biāo)靶球球心擬合方法(MWIWPA)。在本發(fā)明的擬合方法中，當(dāng)標(biāo)靶球球心擬合數(shù)據(jù)中含有異常值時，MWIWPA的擬合效果優(yōu)于可抵抗異常值的選權(quán)迭代最小二乘法(WILS)，且無需進(jìn)行WILS中的復(fù)雜繁瑣的球面方程線性化過程；與基于狼群算法的三維激光標(biāo)靶球球心擬合方法(MWPA)相比，MWIWPA擬合參數(shù)準(zhǔn)確度、精度更高，穩(wěn)健性更好，擬合球心更接近真值，且隨著異常值占比的增加、擬合數(shù)據(jù)點數(shù)的波動，MWIWPA在標(biāo)靶球球心擬合中仍具有更好的擬合效果。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于三維激點云匹配數(shù)據(jù)處理技術(shù)領(lǐng)域，特別是涉及一種基于選權(quán)迭代狼群算法的三維激光標(biāo)靶球球心擬合方法。

背景技術(shù)

三維激光掃描技術(shù)是近期發(fā)展的高新技術(shù)，由于其精度高、全數(shù)字化、數(shù)據(jù)獲取快、操作簡便等特點，被廣泛應(yīng)用于三維建模、變形監(jiān)測、地形圖測繪等領(lǐng)域。然而，三維激光掃描技術(shù)在應(yīng)用具有限制，例如完整的點云需要通過多個觀測站獲得，每個觀測站獲得的點云位于觀測站的相對坐標(biāo)系下。所以，三維激光掃描儀獲得的點云需要進(jìn)行多站點云配準(zhǔn)及地理參考坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換。且上述點云配準(zhǔn)及坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換通常是通過標(biāo)靶球球心進(jìn)行的，因此如何基于實測數(shù)據(jù)構(gòu)建精準(zhǔn)、快速的擬合方法，一直是三維激光掃描技術(shù)應(yīng)用的難點之一。

目前，三維激光標(biāo)靶球球心擬合最常用的方法是最小二乘法(LS)，在進(jìn)行標(biāo)靶球球心擬合時，為同時顧及觀測向量矩陣、系數(shù)矩陣中的誤差，整體最小二乘法(TLS)被引入到標(biāo)靶球球心擬合中。但標(biāo)靶球球心擬合數(shù)據(jù)通常是通過人工選擇的，難以避免非標(biāo)靶球球面數(shù)據(jù)(異常數(shù)據(jù))的選擇，即使在選擇標(biāo)靶球球心擬合數(shù)據(jù)時，對異常數(shù)據(jù)進(jìn)行剔除，也難以避免一些不明顯的異常數(shù)據(jù)的遺漏。此時，采用LS、TLS均無法獲得精準(zhǔn)可靠的標(biāo)靶球球心，因此，LS、TLS經(jīng)常與選權(quán)迭代相結(jié)合后，應(yīng)用于標(biāo)靶球球心擬合，通過LS、TLS求取球心，通過選權(quán)迭代減弱甚至消除異常值的影響。但是，由于LS、TLS均不具有抵抗異常值的能力，無法為選權(quán)迭代提供較為接近真值的定權(quán)初值，從而使得選權(quán)迭代的抗異常值能力受到限制，并且LS、TLS在實際應(yīng)用中均需要進(jìn)行復(fù)雜繁瑣的球面方程線性化。狼群算法(WPA)是智能優(yōu)化算法的一種，可運用與復(fù)雜非線性問題中的參數(shù)擬合，且對于擬合數(shù)據(jù)中的異常值的敏感度較低，與傳統(tǒng)群智能優(yōu)化算法相比，狼群算法具有收斂速度快、參數(shù)擬合精度高、可有效避免局部最優(yōu)解等良好的尋優(yōu)特性。然而現(xiàn)有技術(shù)中，還沒有將狼群算法應(yīng)用到三維激光標(biāo)靶球球心擬合方法中。

發(fā)明內(nèi)容

為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明提出了一種基于選權(quán)迭代狼群算法的三維激光標(biāo)靶球球心擬合方法。首次將狼群算法與選權(quán)迭代相結(jié)合，并基于標(biāo)靶球球心擬合數(shù)據(jù)特征，構(gòu)建了基于選權(quán)迭代狼群算法的三維激光標(biāo)靶球球心擬合方法(MWIWPA)。MWIWPA通過選權(quán)迭代以減弱甚至消除異常值的影響；通過狼群算法擬合參數(shù)以確定較為接近真值的選權(quán)迭代的定權(quán)初值，并在充分利用可疑段數(shù)據(jù)的同時減弱其中異常值的影響。

根據(jù)本發(fā)明的實施例，本發(fā)明提出了一種基于選權(quán)迭代狼群算法的三維激光標(biāo)靶球球心擬合方法，該方法包括：

步驟S1、狼群算法與選權(quán)迭代相結(jié)合后引入標(biāo)靶球球心擬合，形成基于標(biāo)靶球球心擬合數(shù)據(jù)特征的MWIWPA模型，并初始化該模型參數(shù)；

步驟S2、計算標(biāo)靶球心波動范圍，基于觀測值殘差與對應(yīng)權(quán)值乘積的絕對值之和最小準(zhǔn)則，構(gòu)建適應(yīng)度函數(shù)，并生成人工狼群；

步驟S3、基于適應(yīng)度函數(shù)值，產(chǎn)生頭狼；

步驟S4、基于狼群算法中的游走行為模式、奔襲行為模式以及圍攻行為模式擬合出三維激光標(biāo)靶球球心，基于狼群更新規(guī)則淘汰部分人工狼并隨機(jī)生成等數(shù)量的人工狼；

步驟S5、判斷是否達(dá)到WPA最大循環(huán)次數(shù)，若達(dá)到則進(jìn)入步驟S6，否則跳轉(zhuǎn)至步驟S2；

步驟S6、計算觀測值殘差，并確定對應(yīng)觀測值權(quán)值；