[发明专利]一种基于模拟退火粒子群算法的wMPS网络布局优化方法

说明书

技术领域

本发明属于工业现场大尺寸三维坐标测量技术领域，特别涉及多站组网测量系统的测站智能优化部署方法，具体涉及一种基于模拟退火粒子群算法的wMPS网络布局优化方法。

背景技术

空间测量定位系统(workspaceMeasuringandPositioningSystem,wMPS)是一种新型的网络式多站测量系统，该系统测量量程理论上可进行无限的拓展，且可实现被测空间多点实时并行测量，具有平衡测量范围，测量精度及测量效率三者间矛盾的巨大潜力，是大尺寸测量领域的研究热点及重要发展方向。

由于空间测量定位系统是在多测站的共同作用下实现坐标测量，因此单测站的性能以及各测站之间的协同作用是影响系统整体性能的两个关键方面。多测站的协同作用不仅依赖于单测站的测量模型,多测站的交汇模型，而且和测站空间几何分布具有密切关系。此外，随着测站数目的增多，系统使用成本也在逐渐增加，为了将成本控制在合理的范围，选择合适的测站数目也是工程实践中面临的问题。研究测站布局对系统定位误差的影响，优化测站网络结构，为提高系统定位精度，降低成本提供理论支撑，同时为工程实践提供布站指导，是空间测量定位系统面临的重要问题。

在该系统网络布局优化研究方面，德国卡尔斯鲁尔理工学院的ClaudiaDepenthal等人对iGPS系统中四发射站组成的布局进行了研究。在实验中采用了Box布局和C布局，设计了17个标准点，并将实验结果与API激光跟踪仪的测量结果进行比对，实验结果表明和Box型布局相比较，C型布局的误差分布更不均匀。德国亚琛工业大学机床与制造工程研究所的RobertSchmitthe和Nikon-Metrology公司的Demeester等人对iGPS在机器人定位跟踪时的几种典型布局进行了仿真分析，结果表明，标准型的测量效果最好。还有学者从wMPS网络布局和定位误差关系入手，研究了典型布局对定位误差的影响，实验结果表明O_4型布局整体测量精度最高。以上对测站网络布局的研究均是对少数站或特定布局进行了研究与对比实验，当面临更多测站组网测量时不具有一般拓展性，且布局的选择受限于典型布局方式，当测量环境变得复杂时缺乏灵活性及通用性。

同时也有学者采用遗传算法以wMPS系统定位误差，覆盖面积及使用成本作为目标函数进行布局优化，但是这种方法存在易使结果陷入局部最优，收敛速度慢等问题，导致测站不能达到最优布局，影响空间测量定位系统性能的提高。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是克服现有技术的不足，针对工程实践中缺少适应性更广的测站布局优化方法，且未将影响系统布局的各个参数综合考虑等问题，提出一种基于模拟退火的粒子群算法来解决空间测量定位系统测站的部署问题。在空间测量定位系统中，建立系统定位误差，覆盖面积及使用成本的多目标数学关系模型。在考虑不同模型量纲不同的情况下，运用归一化方法将空间测量定位系统的布局优化问题转化为单目标最优化问题，并运用模拟退火粒子群算法进行全局寻优，获得最优的测站部署。

本发明采取的技术方案是一种基于模拟退火粒子群算法的wMPS网络布局优化方法，其特征在于，在空间测量定位系统中，为了获得最优的测站布局，建立由测站定位误差，覆盖范围及使用成本组成的多目标数学关系模型，即测站布局优化数学模型，运用归一化方法将空间测量定位系统的布局优化问题转化为单目标优化问题，并利用模拟退火粒子群算法获取最优的测站布局。

具体步骤如下：

步骤1).在空间定位测量系统中，建立测站布局优化数学模型，包括系统定位误差模型、系统覆盖范围模型、成本模型；

步骤2)、运用归一化方法将空间测量定位系统的布局多目标优化问题转化为单目标优化问题求解；

步骤3)、使用基于模拟退火的粒子群算法对测站布局优化模型进行求解。

所述步骤1)中，

系统定位误差模型的建立过程如下：

在空间定位测量系统中，主要包括发射站，接收器，比例尺，全向矢量棒，其直接观测量为光平面从零位扫描至被测点的时间。在发射站的局部坐标系下，时间信息和水平角及垂直角可建立一一对应的函数关系。因此对于发射站的每次测量，均有下列式子成立：