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融合遗传算法和BP神经网络的光斑定位方法

张景源,陈北北,杨永兴,朱庆生,李金鹏,赵金标

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张景源, 陈北北, 杨永兴, 朱庆生, 李金鹏, 赵金标. 融合遗传算法和BP神经网络的光斑定位方法[J]. , 2023, 16(2): 407-414. doi: 10.37188/CO.2022-0084
引用本文: 张景源, 陈北北, 杨永兴, 朱庆生, 李金鹏, 赵金标. 融合遗传算法和BP神经网络的光斑定位方法[J]. , 2023, 16(2): 407-414.doi:10.37188/CO.2022-0084
ZHANG Jing-yuan, CHEN Bei-bei, YANG Yong-xing, ZHU Qing-sheng, LI Jin-peng, ZHAO Jin-biao. Positioning algorithm for laser spot center based on BP neural network and genetic algorithm[J]. Chinese Optics, 2023, 16(2): 407-414. doi: 10.37188/CO.2022-0084
Citation: ZHANG Jing-yuan, CHEN Bei-bei, YANG Yong-xing, ZHU Qing-sheng, LI Jin-peng, ZHAO Jin-biao. Positioning algorithm for laser spot center based on BP neural network and genetic algorithm[J].Chinese Optics, 2023, 16(2): 407-414.doi:10.37188/CO.2022-0084

融合遗传算法和BP神经网络的光斑定位方法

doi:10.37188/CO.2022-0084
基金项目:国家自然科学基金(No.12003067)
详细信息
    作者简介:

    张景源(1997—),男,河南商丘人,硕士研究生,2019年于东南大学获得学士学位,现于中国科学技术大学攻读硕士学位,主要从事天文仪器的计算机控制系统及图像处理方面的研究。E-mail:jyzhangx@mail.ustc.edu.cn

    朱庆生(1969—),男,江苏连云港人,研究员,硕士生导师,1992年于南京大学获得学士学位,主要从事天文仪器的软件系统设计方面的研究。E-mail:85482014@163.com

  • 中图分类号:TP249

Positioning algorithm for laser spot center based on BP neural network and genetic algorithm

Funds:Supported by National Natural Science Foundation of China (No.12003067)
  • 摘要:

    针对振动环境中传统光斑中心定位算法存在的处理时间长、精度低等问题,本文提出一种基于遗传算法优化BP神经网络的光斑定位方法。使用BP神经网络对光斑位置进行预测,并通过遗传算法对神经网络进行优化。构建BP神经网络模型,将使用质心、形心、高斯拟合等方法求出的光斑中心位置以及形心法求出的光斑半径作为输入,对光斑真实中心位置进行预测。并使用遗传算法优化神经网络的权值和阈值,以增强预测效果。实验过程中,通过对光学系统外加干扰模拟振动环境,采集数据用于神经网络训练和算法验证。实验结果表明,优化前后的标定测试迭代次数分别为55和29,平均误差分别为0.81像素和0.45像素。由本文结果可知,在遗传算法的优化下,神经网络算法的迭代速度和预测精度均有所提高。

  • 图 1遗传算法优化BP神经网络流程图

    Figure 1.Flow chart of genetic algorithm combined with BP neural network

    图 2传统的BP神经网络结构

    Figure 2.Structure of traditional BP neural network

    图 3本文构建的神经网络模型

    Figure 3.Structure of the proposed neural network model

    图 4实验硬件平台

    Figure 4.Experimental hardware platform

    图 5光斑在x轴抖动情况

    Figure 5.The vibration curves alongx-axis for the spot center

    图 6 光斑图像

    Figure 6.Laser spot image

    图 7BP神经网络训练曲线

    Figure 7.Training curve of BP neural network

    图 8GA-BP神经网络训练曲线

    Figure 8.Training curve of GA-BP neural network

    图 9两种网络预测结果与实际位置

    Figure 9.Performance comparison of two network prediction methods

    图 10进行控制后光斑沿x轴的变化情况

    Figure 10.The vibration curves alongx-axis for the spot center under controlling

    表 1训练数据

    Table 1.Training data

    Grayscale
    centering
    centroid Gaussian
    fitting
    radius Actual
    Coordinate
    (252.30,
    305.11)
    (255.43,
    309.27)
    (254.17,
    307,91)
    7 (253.30,
    307,11)
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    表 2两种网络性能对比

    Table 2.Performance comparison of the two neural networks

    Neural Network BP GA-BP
    Number of iterations 55 29
    Mean error/pixel 0.76 0.42
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    表 3两种网络预测方法的性能测试结果

    Table 3.Performance test results by the two neural networks

    Neural Network BP GA-BP
    Number of iterations 47 32
    Mean error/pixel 1.21 0.73
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出版历程
  • 收稿日期:2022-04-28
  • 录用日期:2022-08-24
  • 修回日期:2022-05-09
  • 网络出版日期:2022-08-24

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