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基于单位四元数的多点姿态规划算法研究
汇报人:
2024-01-27
目录
CONTENTS
引言
单位四元数基础理论
多点姿态规划问题描述与建模
基于单位四元数的多点姿态规划算法设计
仿真实验与结果分析
结论与展望
01
引言
机器人、航空航天等领域对高精度姿态控制的需求日益增加,传统的姿态规划方法难以满足复杂环境下的高精度要求。
单位四元数作为一种无奇异性的三维姿态表示方法,在姿态规划中具有独特的优势。
基于单位四元数的多点姿态规划算法研究对于提高姿态控制精度、降低计算复杂度具有重要意义。
01
国内外学者在基于单位四元数的姿态规划方面已取得一定成果,如插值算法、最优控制方法等。
02
然而,现有方法在处理多点姿态规划问题时存在计算量大、实时性差等问题。
未来发展趋势将更加注重算法的实时性、鲁棒性以及在实际应用中的可行性。
03
01
02
03
研究基于单位四元数的多点姿态规划算法,提出一种高效、稳定的计算方法。
针对现有算法存在的问题,引入优化算法对姿态规划过程进行改进,提高计算效率。
通过仿真实验和实际应用验证所提算法的有效性和优越性。
02
单位四元数基础理论
四元数是一种扩展的复数,具有一个实部和三个虚部,通常表示为$q=w+xi+yj+zk$,其中$w,x,y,z$是实数,$i,j,k$是虚数单位,满足$i^2=j^2=k^2=ijk=-1$。
四元数定义
四元数具有一些独特的性质,如非交换性(即$ijneqji$)和存在共轭、模等运算。
性质
单位四元数与姿态关系
姿态表示方法
给定一个旋转轴$mathbf{u}$和旋转角度$theta$,对应的单位四元数可表示为$q=cosfrac{theta}{2}+sinfrac{theta}{2}mathbf{u}$,其中$mathbf{u}=ui+uj+uk$。
在机器人学和计算机图形学中,常用单位四元数(模为1的四元数)来表示三维空间中的旋转或姿态。相比欧拉角和旋转矩阵,单位四元数具有无万向锁问题、计算效率高等优点。
1
2
3
乘法
加减法
共轭与模
两个四元数相加减时,实部与实部、虚部与虚部分别相加减。
四元数乘法遵循分配律和结合律,但不满足交换律。具体地,给定两个四元数$q_1=w_1+x_1i+y_1j+z_1k$和$q_2=w_2+x_2i+y_2j+z_2k$,其乘积为$q_1q_2=(w_1w_2-x_1x_2-y_1y_2-z_1z_2)+(w_1x_2+x_1w_2+y_1z_2-z_1y_2)i+(w_1y_2-x_1z_2+y_1w_2+z_1x_2)j+(w_1z_2+x_1y_2-y_1x_2+z_1w_2)k$。
四元数的共轭是将虚部取反,即$overline{q}=w-xi-yj-zk$;模定义为$|q|=sqrt{w^2+x^2+y^2+z^2}$。对于单位四元数,其模为1。
03
多点姿态规划问题描述与建模
1
2
3
机器人末端执行器在多个目标点间的姿态规划问题
姿态规划需要考虑平滑性、避障、时间最优等因素
基于单位四元数表示姿态,避免欧拉角表示的姿态奇异问题
01
02
03
建立机器人末端执行器的姿态运动学模型
将多点姿态规划问题转化为数学优化问题
定义单位四元数及其运算规则
最小化姿态变化过程中的能量消耗
考虑避障约束,确保机器人安全运动
保证姿态变化的平滑性,避免突变
可选的时间最优目标,提高机器人运动效率
04
基于单位四元数的多点姿态规划算法设计
输入与输出定义
输入为一系列目标姿态,输出为平滑的姿态轨迹。
核心模块划分
包括姿态表示与转换、关键点姿态确定、插值函数选择与优化、轨迹生成与评估等模块。
数据流与算法逻辑
从输入目标姿态开始,经过关键点姿态确定、插值函数优化等步骤,最终生成平滑的姿态轨迹。
基于几何约束的方法
利用几何关系确定关键点姿态,如两点间的最短路径、固定轴旋转等。
基于优化算法的方法
通过构建优化问题并求解,得到最优的关键点姿态,如梯度下降、遗传算法等。
基于机器学习的方法
利用机器学习模型从历史数据中学习关键点姿态的确定规则。
线性插值、球面线性插值(Slerp)、样条插值等。
常用插值函数介绍
根据应用场景、实时性要求、平滑度需求等因素选择合适的插值函数。
插值函数选择依据
针对特定需求对插值函数进行优化,如加入约束条件、改进插值算法等。
插值函数优化策略
步骤说明
2.输入目标姿态序列。
1.初始化参数和变量。
3.确定关键点姿态。
4.选择合适的插值函数。
5.对关键点姿态进行插值,生成平
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