ackermannKinematics

Modelo de vehículo similar a un automóvil con dirección

Desde R2019b

Descripción

ackermannKinematics crea un modelo de vehículo similar a un automóvil que utiliza una dirección de Ackermann. Este modelo representa un vehículo con dos ejes separados por la distancia, WheelBase. El estado del vehículo se define como un vector de cuatro elementos, [x y theta psi], con una posición de xy global especificada en metros. La posición de xy se encuentra en el centro del eje trasero. La dirección del vehículo, theta, y el ángulo de giro, psi, se especifican en radianes. La dirección del vehículo se define en el centro del eje trasero. Los ángulos se indican en radianes. Para calcular los estados de las derivadas de tiempo del modelo, utilice la función derivative con comandos de dirección de entrada y el estado actual del robot.

Creación

Sintaxis

kinematicModel = ackermannKinematics

kinematicModel = ackermannKinematics(Name,Value)

Descripción

kinematicModel = ackermannKinematics crea un objeto de modelo cinemático de Ackermann con valores de propiedad predeterminados.

kinematicModel = ackermannKinematics(Name,Value) establece las propiedades adicionales en los valores especificados. Puede especificar varias propiedades en el orden que desee.

Propiedades

WheelBase — Distancia entre los ejes delantero y trasero

1 (predeterminado) | escalar numérico positivo

Distancia entre ejes hace referencia a la distancia entre los ejes delantero y trasero, especificada en metros.

VehicleSpeedRange — Rango de velocidades de las ruedas del vehículo

[-Inf Inf] (predeterminado) | vector de dos elementos

El rango de velocidad del vehículo es un vector de dos elementos que proporciona la velocidad mínima y máxima del vehículo, [MinSpeed MaxSpeed], especificada en metros por segundo.

Funciones del objeto

derivative

Derivada de tiempo del estado del vehículo

Ejemplos

Simular el modelo cinemático de Ackermann con restricciones de ángulo de giro

Simule un modelo de robot móvil que utilice la dirección de Ackermann con restricciones en su ángulo de giro. Durante la simulación, el modelo mantiene el ángulo de giro máximo después de alcanzar el límite de dirección. Para ver el efecto de la saturación de la dirección, se compara la trayectoria de dos robots, una con las restricciones del ángulo de giro y la otra sin ninguna restricción de dirección.

Definir el modelo

Defina el modelo cinemático de Ackermann. En este modelo similar al de un automóvil, las ruedas delanteras están a una distancia determinada. Para que giren en círculos concéntricos, las ruedas tienen diferentes ángulos de giro. Al girar, las ruedas delanteras reciben la entrada de la dirección como velocidad de cambio del ángulo de giro.

carLike = ackermannKinematics; 

Configurar los parámetros de la simulación

Establezca el robot móvil para que siga una velocidad lineal constante y reciba una tasa de dirección constante como entrada. Simule el robot restringido durante un período más largo para demostrar la saturación de la dirección.

velo = 5;    % Constant linear velocity 
psidot = 1;  % Constant left steering rate 

% Define the total time and sample rate 
sampleTime = 0.05;                  % Sample time [s]
timeEnd1 = 1.5;                     % Simulation end time for unconstrained robot 
timeEnd2 = 10;                      % Simulation end time for constrained robot 
tVec1 = 0:sampleTime:timeEnd1;      % Time array for unconstrained robot 
tVec2 = 0:sampleTime:timeEnd2;      % Time array for constrained robot  

initPose = [0;0;0;0];               % Initial pose (x y theta phi) 

Crear la estructura de opciones para un solver EDO

En este ejemplo, se pasa una estructura de options como argumento al solver EDO. La estructura de options contiene la información sobre el límite del ángulo de giro. Para crear la estructura de options , utilice la opción Events de odeset y la función de evento creada, detectSteeringSaturation. detectSteeringSaturation establece el ángulo de giro máximo en 45 grados.

Para una descripción de cómo definir detectSteeringSaturation, consulte Definir una función de evento al final de este ejemplo.

options = odeset('Events',@detectSteeringSaturation);

Simular el modelo con un solver EDO

Luego, se utiliza la función derivative y un solver EDO, ode45, para resolver el modelo y generar la solución.

% Simulate the unconstrained robot 
[t1,pose1] = ode45(@(t,y)derivative(carLike,y,[velo psidot]),tVec1,initPose);

% Simulate the constrained robot 
[t2,pose2,te,ye,ie] = ode45(@(t,y)derivative(carLike,y,[velo psidot]),tVec2,initPose,options);

Detectar la saturación de la dirección

Cuando el modelo alcanza el límite de dirección, registra una marca de tiempo del evento. El tiempo que se tarda en alcanzar el límite se almacena en te.

if te < timeEnd2
    str1 = "Steering angle limit was reached at ";
    str2 = " seconds";
    comp = str1 + te + str2; 
    disp(comp)
end 

Steering angle limit was reached at 0.785 seconds

Simular un robot restringido con nuevas condiciones iniciales

Utilice ahora el estado del robot restringido antes de terminar la integración como condición inicial para la segunda simulación. Modifique el vector de entrada para representar la saturación de la dirección, es decir, establezca la tasa de dirección en cero.

saturatedPsiDot = 0;             % Steering rate after saturation 
cmds = [velo saturatedPsiDot];   % Command vector 
tVec3 = te:sampleTime:timeEnd2;  % Time vector 
pose3 = pose2(length(pose2),:); 
[t3,pose3,te3,ye3,ie3] = ode45(@(t,y)derivative(carLike,y,cmds), tVec3,pose3, options);

Representar los resultados

Represente la trayectoria del robot mediante plot y los datos almacenados en pose.

figure(1)
plot(pose1(:,1),pose1(:,2),'--r','LineWidth',2); 
hold on; 
plot([pose2(:,1); pose3(:,1)],[pose2(:,2);pose3(:,2)],'g'); 
title('Trajectory X-Y')
xlabel('X')
ylabel('Y') 
legend('Unconstrained robot','Constrained Robot','Location','northwest')
axis equal

El robot sin restricciones sigue una trayectoria en espiral con radio de curvatura decreciente, mientras que el robot restringido sigue una trayectoria circular con radio de curvatura constante una vez alcanzado el límite de dirección.

Definir la función de evento

Establezca la función de evento de manera que la integración termine cuando el 4º estado, theta, sea igual al ángulo de giro máximo.

function [state,isterminal,direction] = detectSteeringSaturation(t,y)
  maxSteerAngle = 0.785;               % Maximum steering angle (pi/4 radians)
  state(4) = (y(4) - maxSteerAngle);   % Saturation event occurs when the 4th state, theta, is equal to the max steering angle    
  isterminal(4) = 1;                   % Integration is terminated when event occurs 
  direction(4) = 0;                    % Bidirectional termination 

end

Referencias

[1] Lynch, Kevin M., and Frank C. Park. Modern Robotics: Mechanics, Planning, and Control 1st ed. Cambridge, MA: Cambridge University Press, 2017.

Capacidades ampliadas

Generación de código C/C++
Genere código C y C++ mediante MATLAB® Coder™.

Historial de versiones

Introducido en R2019b

Consulte también

Clases

• bicycleKinematics | unicycleKinematics | differentialDriveKinematics

Bloques

• Ackermann Kinematic Model

Funciones

• derivative

Temas

• Ecuaciones de cinemática para robots móviles