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kinematicTrajectory

Generador de trayectoria impulsado por tasa

Descripción

El kinematicTrajectory System object™ genera trayectorias utilizando aceleración y velocidad angular especificadas.

Para generar una trayectoria a partir de tasas:

1. Cree el objeto kinematicTrajectory y establezca sus propiedades.

2. Llame al objeto con argumentos, como si fuera una función.

Para obtener más información sobre cómo funcionan los System objects, consulte What Are System Objects?

Creación

Sintaxis

trajectory = kinematicTrajectory

trajectory = kinematicTrajectory(Name,Value)

Descripción

trajectory = kinematicTrajectory devuelve un System object, trajectory, que genera una trayectoria basada en la aceleración y la velocidad angular.

trajectory = kinematicTrajectory(Name,Value) establece cada propiedad Name en el Value especificado. Las propiedades no especificadas tienen valores predeterminados.

Ejemplo: trajectory = kinematicTrajectory('SampleRate',200,'Position',[0,1,10]) crea un System object de trayectoria cinemática, trajectory, con una frecuencia de muestreo de 200 Hz y la posición inicial establecida en [0,1,10].

Propiedades

Si una propiedad es ajustable, puedes cambiar su valor en cualquier momento.

SampleRate — Frecuencia de muestreo de trayectoria (Hz)

100 (predeterminado) | escalar positivo

Frecuencia de muestreo de la trayectoria en Hz, especificada como un escalar positivo.

Ajustable: Yes

Tipos de datos: single | double

Position — Estado de posición en el sistema de coordenadas de navegación local (m)

[0 0 0] (predeterminado) | vector fila de 3 elementos

Estado de posición en el sistema de coordenadas de navegación local en metros, especificado como un vector fila de tres elementos.

Ajustable: Yes

Tipos de datos: single | double

Velocity — Estado de velocidad en el sistema de coordenadas de navegación local (m/s)

[0 0 0] (predeterminado) | vector fila de 3 elementos

Estado de velocidad en el sistema de coordenadas de navegación local en m/s, especificado como un vector fila de tres elementos.

Ajustable: Yes

Tipos de datos: single | double

Orientation — Estado de orientación en el sistema de coordenadas de navegación local.

quaternion(1,0,0,0) (predeterminado) | cuaternión escalar | matriz real de 3 por 3

Estado de orientación en el sistema de coordenadas de navegación local, especificado como un cuaternión escalar o una matriz real de 3 por 3. La orientación es una rotación del marco desde el sistema de coordenadas de navegación local hasta el marco del cuerpo actual.

Ajustable: Yes

Tipos de datos: quaternion | single | double

AccelerationSource — Fuente del estado de aceleración

'Input' (predeterminado) | 'Property'

Fuente del estado de aceleración, especificada como 'Input' o 'Property'.

• 'Input' –– especifica el estado de aceleración como argumento de entrada al objeto de trayectoria cinemática

• 'Property' –– especifique el estado de aceleración estableciendo la propiedad Acceleration

Ajustable: No

Tipos de datos: char | string

Acceleration — Estado de aceleración (m/s²)

[0 0 0] (predeterminado) | vector fila de tres elementos

Estado de aceleración en m/s², especificado como un vector fila de tres elementos.

Ajustable: Yes

Dependencias

Para habilitar esta propiedad, establezca AccelerationSource en 'Property'.

Tipos de datos: single | double

AngularVelocitySource — Fuente del estado de velocidad angular

'Input' (predeterminado) | 'Property'

Fuente del estado de velocidad angular, especificada como 'Input' o 'Property'.

• 'Input' –– especifica el estado de velocidad angular como argumento de entrada al objeto de trayectoria cinemática

• 'Property' –– especifica el estado de velocidad angular configurando la propiedad AngularVelocity

Ajustable: No

Tipos de datos: char | string

AngularVelocity — Estado de velocidad angular (rad/s)

[0 0 0] (predeterminado) | vector fila de tres elementos

Estado de velocidad angular en rad/s, especificado como un vector fila de tres elementos.

Ajustable: Yes

Dependencias

Para habilitar esta propiedad, establezca AngularVelocitySource en 'Property'.

Tipos de datos: single | double

SamplesPerFrame — Número de muestras por cuadro de salida

1 (predeterminado) | número entero positivo

Número de muestras por cuadro de salida, especificado como un entero positivo.

Ajustable: No

Dependencias

Para habilitar esta propiedad, establezca AngularVelocitySource en 'Property' y AccelerationSource en 'Property'.

Tipos de datos: single | double

Uso

Sintaxis

[position,orientation,velocity,acceleration,angularVelocity] = trajectory(bodyAcceleration,bodyAngularVelocity)

[position,orientation,velocity,acceleration,angularVelocity] = trajectory(bodyAngularVelocity)

[position,orientation,velocity,acceleration,angularVelocity] = trajectory(bodyAcceleration)

[position,orientation,velocity,acceleration,angularVelocity] = trajectory()

Descripción

[position,orientation,velocity,acceleration,angularVelocity] = trajectory(bodyAcceleration,bodyAngularVelocity) genera el estado de la trayectoria y luego actualiza el estado de la trayectoria según bodyAcceleration y bodyAngularVelocity.

Esta sintaxis solo es válida si AngularVelocitySource está establecido en 'Input' y AccelerationSource está establecido en 'Input'.

[position,orientation,velocity,acceleration,angularVelocity] = trajectory(bodyAngularVelocity) genera el estado de la trayectoria y luego actualiza el estado de la trayectoria según bodyAngularVelocity.

Esta sintaxis solo es válida si AngularVelocitySource está establecido en 'Input' y AccelerationSource está establecido en 'Property'.

[position,orientation,velocity,acceleration,angularVelocity] = trajectory(bodyAcceleration) genera el estado de la trayectoria y luego actualiza el estado de la trayectoria según bodyAcceleration.

Esta sintaxis solo es válida si AngularVelocitySource está establecido en 'Property' y AccelerationSource está establecido en 'Input'.

[position,orientation,velocity,acceleration,angularVelocity] = trajectory() genera el estado de la trayectoria y luego actualiza el estado de la trayectoria.

Esta sintaxis solo es válida si AngularVelocitySource está establecido en 'Property' y AccelerationSource está establecido en 'Property'.

Argumentos de entrada

bodyAcceleration — Aceleración en el sistema de coordenadas del cuerpo (m/s²)

N-por-3 matriz

Aceleración en el sistema de coordenadas del cuerpo en metros por segundo al cuadrado, especificada como una matriz N-por-3.

N es el número de muestras en el cuadro actual.

bodyAngularVelocity — Velocidad angular en el sistema de coordenadas del cuerpo (rad/s)

N-por-3 matriz

Velocidad angular en el sistema de coordenadas del cuerpo en radianes por segundo, especificada como una matriz N por 3.

N es el número de muestras en el cuadro actual.

Argumentos de salida

position — Posición en el sistema de coordenadas de navegación local (m)

N-por-3 matriz

Posición en el sistema de coordenadas de navegación local en metros, devuelta como una matriz N-por-3.

N es el número de muestras en el cuadro actual.

Tipos de datos: single | double

orientation — Orientación en el sistema de coordenadas de navegación local.

N-elemento vector columna de cuaternión | 3 por 3 por N arreglo real

Orientación en el sistema de coordenadas de navegación local, devuelta como un vector columna de cuaternión N -por-1 o un arreglo real de 3 por 3-por- N . Cada cuaternión o matriz de rotación de 3 por 3 es una rotación de cuadro desde el sistema de coordenadas de navegación local hasta el sistema de coordenadas del cuerpo actual.

N es el número de muestras en el cuadro actual.

Tipos de datos: single | double

velocity — Velocidad en el sistema de coordenadas de navegación local (m/s)

N-por-3 matriz

Velocidad en el sistema de coordenadas de navegación local en metros por segundo, devuelta como una matriz N-por-3.

N es el número de muestras en el cuadro actual.

Tipos de datos: single | double

acceleration — Aceleración en sistema de coordenadas de navegación local (m/s²)

N-por-3 matriz

Aceleración en el sistema de coordenadas de navegación local en metros por segundo al cuadrado, devuelta como una matriz N-por-3.

N es el número de muestras en el cuadro actual.

Tipos de datos: single | double

angularVelocity — Velocidad angular en el sistema de coordenadas de navegación local (rad/s)

N-por-3 matriz

Velocidad angular en el sistema de coordenadas de navegación local en radianes por segundo, devuelta como una matriz N-por-3.

N es el número de muestras en el cuadro actual.

Tipos de datos: single | double

Funciones del objeto

Específico para kinematicTrajectory

perturbations	Perturbación definida en el objeto.
perturb	Aplicar perturbaciones al objeto.

Comunes a todos los System objects

step	Ejecutar el algoritmo System object

Ejemplos

Crear kinematicTrajectory

Cree un kinematicTrajectory System object™ predeterminado y explore la relación entre la entrada, las propiedades y las trayectorias generadas.

trajectory = kinematicTrajectory

trajectory = 
  kinematicTrajectory with properties:

               SampleRate: 100
                 Position: [0 0 0]
              Orientation: [1x1 quaternion]
                 Velocity: [0 0 0]
       AccelerationSource: 'Input'
    AngularVelocitySource: 'Input'

Por defecto, el objeto kinematicTrajectory tiene una posición inicial de [0 0 0] y una velocidad inicial de [0 0 0]. La orientación se describe mediante un cuaternión (1 + 0i + 0j + 0k).

El objeto kinematicTrajectory mantiene un estado visible y grabable en las propiedades Position, Velocity y Orientation.. Cuando llama al objeto, se genera el estado y luego se actualiza.

Por ejemplo, llame al objeto especificando una aceleración y una velocidad angular relativas al sistema de coordenadas del cuerpo.

bodyAcceleration = [5,5,0];
bodyAngularVelocity = [0,0,1];
[position,orientation,velocity,acceleration,angularVelocity] = trajectory(bodyAcceleration,bodyAngularVelocity)

position = 1×3

     0     0     0

orientation = quaternion
     1 + 0i + 0j + 0k

velocity = 1×3

     0     0     0

acceleration = 1×3

     5     5     0

angularVelocity = 1×3

     0     0     1

La posición, orientación y velocidad de salida del objeto trajectory corresponden al estado informado por las propiedades antes de llamar al objeto. El estado trajectory se actualiza después de ser llamado y es observable desde las propiedades:

trajectory

trajectory = 
  kinematicTrajectory with properties:

               SampleRate: 100
                 Position: [2.5000e-04 2.5000e-04 0]
              Orientation: [1x1 quaternion]
                 Velocity: [0.0500 0.0500 0]
       AccelerationSource: 'Input'
    AngularVelocitySource: 'Input'

La salida acceleration y angularVelocity del objeto trajectory corresponden a los bodyAcceleration y bodyAngularVelocity, excepto que se devuelven en el sistema de coordenadas de navegación. Utilice la salida orientation para rotar acceleration y angularVelocity al sistema de coordenadas del cuerpo y verifique que sean aproximadamente equivalentes a bodyAcceleration y bodyAngularVelocity.

rotatedAcceleration = rotatepoint(orientation,acceleration)

rotatedAcceleration = 1×3

     5     5     0

rotatedAngularVelocity = rotatepoint(orientation,angularVelocity)

rotatedAngularVelocity = 1×3

     0     0     1

El kinematicTrajectory System object™ le permite modificar el estado de la trayectoria a través de las propiedades. Establezca la posición en [0,0,0] y luego llame al objeto con una aceleración y velocidad angular especificadas en el sistema de coordenadas del cuerpo. Con fines ilustrativos, clone el objeto trajectory antes de modificar la propiedad Position . Llame a ambos objetos y observe que las posiciones divergen.

trajectoryClone = clone(trajectory);
trajectory.Position = [0,0,0];

position = trajectory(bodyAcceleration,bodyAngularVelocity)

position = 1×3

     0     0     0

clonePosition = trajectoryClone(bodyAcceleration,bodyAngularVelocity)

clonePosition = 1×3
10-3 ×

    0.2500    0.2500         0

Crear trayectoria oscilante

Este ejemplo muestra cómo crear una trayectoria que oscila a lo largo del eje norte de un sistema de coordenadas NED local utilizando el System object™ kinematicTrajectory .

Cree un objeto kinematicTrajectory predeterminado. La orientación inicial predeterminada está alineada con el sistema de coordenadas NED local.

traj = kinematicTrajectory

traj = 

  kinematicTrajectory with properties:

               SampleRate: 100
                 Position: [0 0 0]
              Orientation: [1x1 quaternion]
                 Velocity: [0 0 0]
       AccelerationSource: 'Input'
    AngularVelocitySource: 'Input'

Defina una trayectoria con una duración de 10 segundos que consista en una rotación alrededor del eje este (paso) y una oscilación a lo largo del eje norte del sistema de coordenadas NED local. Utilice la frecuencia de muestreo predeterminada kinematicTrajectory .

fs = traj.SampleRate;
duration = 10;

numSamples = duration*fs;

cyclesPerSecond = 1;
samplesPerCycle = fs/cyclesPerSecond;
numCycles = ceil(numSamples/samplesPerCycle);
maxAccel = 20;

triangle = [linspace(maxAccel,1/fs-maxAccel,samplesPerCycle/2), ...
    linspace(-maxAccel,maxAccel-(1/fs),samplesPerCycle/2)]';
oscillation = repmat(triangle,numCycles,1);
oscillation = oscillation(1:numSamples);

accNED = [zeros(numSamples,2),oscillation];

angVelNED = zeros(numSamples,3);
angVelNED(:,2) = 2*pi;

Trazar la señal de control de aceleración.

timeVector = 0:1/fs:(duration-1/fs);

figure(1)
plot(timeVector,oscillation)
xlabel('Time (s)')
ylabel('Acceleration (m/s)^2')
title('Acceleration in Local NED Coordinate System')

Genere la trayectoria muestra por muestra en un bucle. El System object kinematicTrajectory asume que las entradas de aceleración y velocidad angular están en el sistema de coordenadas del cuerpo del sensor local. Gire las señales de control de aceleración y velocidad angular desde el sistema de coordenadas NED al sistema de coordenadas del cuerpo del sensor usando rotateframe y el estado Orientation . Actualiza un gráfico tridimensional de la posición en cada momento. Agregue pause para imitar el procesamiento en tiempo real. Una vez que se completa el ciclo, traza la posición a lo largo del tiempo. Al girar las señales de control accNED y angVelNED al sistema de coordenadas del cuerpo local se garantiza que el movimiento se mantenga a lo largo del eje descendente.

figure(2)
plotHandle = plot3(traj.Position(1),traj.Position(2),traj.Position(3),'bo');
grid on
xlabel('North')
ylabel('East')
zlabel('Down')
axis([-1 1 -1 1 0 1.5])
hold on

q = ones(numSamples,1,'quaternion');
for ii = 1:numSamples
     accBody = rotateframe(traj.Orientation,accNED(ii,:));
     angVelBody = rotateframe(traj.Orientation,angVelNED(ii,:));

    [pos(ii,:),q(ii),vel,ac] = traj(accBody,angVelBody);

    set(plotHandle,'XData',pos(ii,1),'YData',pos(ii,2),'ZData',pos(ii,3))

    pause(1/fs)
end

figure(3)
plot(timeVector,pos(:,1),'bo',...
     timeVector,pos(:,2),'r.',...
     timeVector,pos(:,3),'g.')
xlabel('Time (s)')
ylabel('Position (m)')
title('NED Position Over Time')
legend('North','East','Down')

Convierta la orientación registrada a ángulos de Euler y grafique. Aunque la orientación de la plataforma cambió con el tiempo, la aceleración siempre actuó a lo largo del eje Norte.

figure(4)
eulerAngles = eulerd(q,'ZYX','frame');
plot(timeVector,eulerAngles(:,1),'bo',...
     timeVector,eulerAngles(:,2),'r.',...
     timeVector,eulerAngles(:,3),'g.')
axis([0,duration,-180,180])
legend('Yaw','Pitch','Roll')
xlabel('Time (s)')
ylabel('Rotation (degrees)')
title('Orientation')

Generar una trayectoria de bobina

Este ejemplo muestra cómo generar una trayectoria de bobina usando el objeto kinematicTrajectory System object™.

Cree una trayectoria circular con una duración de 1000 segundos y una frecuencia de muestreo de 10 Hz. Establezca el radio del círculo en 5000 metros y la velocidad en 80 metros por segundo. Establezca la velocidad de ascenso en 100 metros por segundo y la inclinación en 15 grados. Especifique la orientación inicial apuntando en la dirección del movimiento.

duration = 1000; % seconds
fs = 10;         % Hz
N = duration*fs; % number of samples

radius = 5000;   % meters
speed = 80;      % meters per second
climbRate = 50;  % meters per second
initialYaw = 90; % degrees
pitch = 15;      % degrees

initPos = [radius, 0, 0];
initVel = [0, speed, climbRate];
initOrientation = quaternion([initialYaw,pitch,0],'eulerd','zyx','frame');

trajectory = kinematicTrajectory('SampleRate',fs, ...
    'Velocity',initVel, ...
    'Position',initPos, ...
    'Orientation',initOrientation);

Especifique una aceleración y una velocidad angular constantes en el sistema de coordenadas del cuerpo. Gire la estructura del cuerpo para tener en cuenta el tono.

accBody = zeros(N,3);
accBody(:,2) = speed^2/radius;
accBody(:,3) = 0.2;

angVelBody = zeros(N,3);
angVelBody(:,3) = speed/radius;

pitchRotation = quaternion([0,pitch,0],'eulerd','zyx','frame');
angVelBody = rotateframe(pitchRotation,angVelBody);
accBody = rotateframe(pitchRotation,accBody);

Llame a trajectory con la aceleración y velocidad angular especificadas en el sistema de coordenadas del cuerpo. Trazar la posición, orientación y velocidad en el tiempo.

[position, orientation, velocity] = trajectory(accBody,angVelBody);

eulerAngles = eulerd(orientation,'ZYX','frame');
speed = sqrt(sum(velocity.^2,2));

timeVector = (0:(N-1))/fs;

figure(1)
plot3(position(:,1),position(:,2),position(:,3))
xlabel('North (m)')
ylabel('East (m)')
zlabel('Down (m)')
title('Position')
grid on

figure(2)
plot(timeVector,eulerAngles(:,1),...
     timeVector,eulerAngles(:,2),...
     timeVector,eulerAngles(:,3))
axis([0,duration,-180,180])
legend('Yaw (Rotation Around Down)','Pitch (Rotation Around East)','Roll (Rotation Around North)')
xlabel('Time (s)')
ylabel('Rotation (degrees)')
title('Orientation')

figure(3)
plot(timeVector,speed)
xlabel('Time (s)')
ylabel('Speed (m/s)')
title('Speed')

Genere una trayectoria circular en espiral sin entradas

Defina una velocidad angular constante y una aceleración constante que describan una trayectoria circular en espiral.

Fs = 100;
r = 10;
speed = 2.5;
initialYaw = 90;

initPos = [r 0 0];
initVel = [0 speed 0];
initOrient = quaternion([initialYaw 0 0], 'eulerd', 'ZYX', 'frame');

accBody = [0 speed^2/r 0.01];
angVelBody = [0 0 speed/r];

Crea un objeto de trayectoria cinemática.

traj = kinematicTrajectory('SampleRate',Fs, ...
    'Position',initPos, ...
    'Velocity',initVel, ...
    'Orientation',initOrient, ...
    'AccelerationSource','Property', ...
    'Acceleration',accBody, ...
    'AngularVelocitySource','Property', ...
    'AngularVelocity',angVelBody);

Llame al objeto de trayectoria cinemática en un bucle y registre la salida de posición. Trazar la posición a lo largo del tiempo.

N = 10000;
pos = zeros(N, 3);
for i = 1:N
    pos(i,:) = traj();
end

plot3(pos(:,1), pos(:,2), pos(:,3))
title('Position')
xlabel('X (m)')
ylabel('Y (m)')
zlabel('Z (m)')

Capacidades ampliadas

Generación de código C/C++

Genere código C y C++ mediante MATLAB® Coder™.

Las funciones de objeto, perturbations y perturb, no admiten la generación de código.

Notas y limitaciones de uso:

System Objects in MATLAB Code Generation (MATLAB Coder)

Historial de versiones

Introducido en R2019b

Consulte también

waypointTrajectory