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kinematicTrajectory

Générateur de trajectoire piloté par le taux

Depuis R2019b

Description

Le kinematicTrajectory System object™ génère des trajectoires en utilisant une accélération et une vitesse angulaire spécifiées.

Pour générer une trajectoire à partir des tarifs :

1. Créez l'objet kinematicTrajectory et définissez ses propriétés.

2. Appelez l'objet avec des arguments, comme s'il s'agissait d'une fonction.

Pour en savoir plus sur le fonctionnement des objets système, voir What Are System Objects?

Création

Syntaxe

trajectory = kinematicTrajectory

trajectory = kinematicTrajectory(Name,Value)

Description

trajectory = kinematicTrajectory renvoie un System object, trajectory, qui génère une trajectoire basée sur l'accélération et la vitesse angulaire.

trajectory = kinematicTrajectory(Name,Value) définit chaque propriété Name sur le Value spécifié. Les propriétés non spécifiées ont des valeurs par défaut.

Exemple : trajectory = kinematicTrajectory('SampleRate',200,'Position',[0,1,10]) crée un System object de trajectoire cinématique, trajectory, avec une fréquence d'échantillonnage de 200 Hz et la position initiale définie sur [0,1,10].

Propriétés

Si une propriété est ajustable , vous pouvez modifier sa valeur à tout moment.

SampleRate — Taux d'échantillonnage de la trajectoire (Hz)

100 (par défaut) | scalaire positif

Taux d'échantillonnage de la trajectoire en Hz, spécifié sous forme de scalaire positif.

Ajustable : Yes

Types de données : single | double

Position — État de la position dans le système de coordonnées de navigation local (m)

[0 0 0] (par défaut) | Vecteur de ligne à 3 éléments

État de position dans le système de coordonnées de navigation local en mètres, spécifié sous la forme d'un vecteur ligne à trois éléments.

Ajustable : Yes

Types de données : single | double

Velocity — État de la vitesse dans le système de coordonnées de navigation local (m/s)

[0 0 0] (par défaut) | Vecteur de ligne à 3 éléments

État de vitesse dans le système de coordonnées de navigation local en m/s, spécifié sous la forme d'un vecteur ligne à trois éléments.

Ajustable : Yes

Types de données : single | double

Orientation — État d'orientation dans le système de coordonnées de navigation local

quaternion(1,0,0,0) (par défaut) | quaternion scalaire | Matrice réelle 3x3

État d'orientation dans le système de coordonnées de navigation local, spécifié sous la forme d'un quaternion scalaire ou d'une matrice réelle 3 x 3. L'orientation est une rotation du cadre depuis le système de coordonnées de navigation local vers le cadre du corps actuel.

Ajustable : Yes

Types de données : quaternion | single | double

AccelerationSource — Source de l'état d'accélération

'Input' (par défaut) | 'Property'

Source de l'état d'accélération, spécifiée comme 'Input' ou 'Property'.

• 'Input' –– spécifie l'état d'accélération comme argument d'entrée de l'objet trajectoire cinématique

• 'Property' –– spécifiez l'état d'accélération en définissant la propriété Acceleration

Ajustable : No

Types de données : char | string

Acceleration — État d'accélération (m/s²)

[0 0 0] (par défaut) | vecteur de ligne à trois éléments

État d'accélération en m/s², spécifié comme vecteur ligne à trois éléments.

Ajustable : Yes

Dépendances

Pour activer cette propriété, définissez AccelerationSource sur 'Property'.

Types de données : single | double

AngularVelocitySource — Source de l'état de vitesse angulaire

'Input' (par défaut) | 'Property'

Source de l'état de vitesse angulaire, spécifiée comme 'Input' ou 'Property'.

• 'Input' –– spécifie l'état de vitesse angulaire comme argument d'entrée de l'objet trajectoire cinématique

• 'Property' –– spécifiez l'état de vitesse angulaire en définissant la propriété AngularVelocity

Ajustable : No

Types de données : char | string

AngularVelocity — État de vitesse angulaire (rad/s)

[0 0 0] (par défaut) | vecteur de ligne à trois éléments

État de vitesse angulaire en rad/s, spécifié sous la forme d'un vecteur ligne à trois éléments.

Ajustable : Yes

Dépendances

Pour activer cette propriété, définissez AngularVelocitySource sur 'Property'.

Types de données : single | double

SamplesPerFrame — Nombre d'échantillons par trame de sortie

1 (par défaut) | entier positif

Nombre d'échantillons par trame de sortie, spécifié sous forme d'entier positif.

Ajustable : No

Dépendances

Pour activer cette propriété, définissez AngularVelocitySource sur 'Property' et AccelerationSource sur 'Property'.

Types de données : single | double

Utilisation

Syntaxe

[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()

Description

[position,orientation,velocity,acceleration,angularVelocity] = trajectory(bodyAcceleration,bodyAngularVelocity) génère l'état de la trajectoire, puis met à jour l'état de la trajectoire en fonction de bodyAcceleration et bodyAngularVelocity.

Cette syntaxe n'est valide que si AngularVelocitySource est défini sur 'Input' et AccelerationSource est défini sur 'Input'.

[position,orientation,velocity,acceleration,angularVelocity] = trajectory(bodyAngularVelocity) génère l'état de la trajectoire, puis met à jour l'état de la trajectoire en fonction de bodyAngularVelocity.

Cette syntaxe n'est valide que si AngularVelocitySource est défini sur 'Input' et AccelerationSource est défini sur 'Property'.

[position,orientation,velocity,acceleration,angularVelocity] = trajectory(bodyAcceleration) génère l'état de la trajectoire, puis met à jour l'état de la trajectoire en fonction de bodyAcceleration.

Cette syntaxe n'est valide que si AngularVelocitySource est défini sur 'Property' et AccelerationSource est défini sur 'Input'.

[position,orientation,velocity,acceleration,angularVelocity] = trajectory() génère l'état de la trajectoire, puis met à jour l'état de la trajectoire.

Cette syntaxe n'est valide que si AngularVelocitySource est défini sur 'Property' et AccelerationSource est défini sur 'Property'.

Arguments en entrée

bodyAcceleration — Accélération dans le système de coordonnées du corps (m/s²)

N-matrice par 3

Accélération dans le système de coordonnées du corps en mètres par seconde carrée, spécifiée sous la forme d'une matrice N-by-3.

N est le nombre d’échantillons dans la trame actuelle.

bodyAngularVelocity — Vitesse angulaire dans le système de coordonnées du corps (rad/s)

N-matrice par 3

Vitesse angulaire dans le système de coordonnées du corps en radians par seconde, spécifiée sous la forme d'une matrice N-by-3.

N est le nombre d’échantillons dans la trame actuelle.

Arguments de sortie

position — Position dans le système de coordonnées de navigation local (m)

N-matrice par 3

Position dans le système de coordonnées de navigation local en mètres, renvoyée sous la forme d'une matrice N-by-3.

N est le nombre d’échantillons dans la trame actuelle.

Types de données : single | double

orientation — Orientation dans le système de coordonnées de navigation local

N-élément vecteur colonne de quaternion | 3-by-3-by- N tableau réel

Orientation dans le système de coordonnées de navigation local, renvoyée sous la forme d'un vecteur colonne de quaternion N-par-1 ou d'un tableau réel 3-par-3-par- N . Chaque quaternion ou matrice de rotation 3 x 3 est une rotation de trame du système de coordonnées de navigation local vers le système de coordonnées du corps actuel.

N est le nombre d’échantillons dans la trame actuelle.

Types de données : single | double

velocity — Vitesse dans le système de coordonnées de navigation local (m/s)

N-matrice par 3

Vitesse dans le système de coordonnées de navigation local en mètres par seconde, renvoyée sous la forme d'une matrice N-by-3.

N est le nombre d’échantillons dans la trame actuelle.

Types de données : single | double

acceleration — Accélération dans le système de coordonnées de navigation local (m/s²)

N-matrice par 3

Accélération dans le système de coordonnées de navigation local en mètres par seconde carrée, renvoyée sous la forme d'une matrice N-by-3.

N est le nombre d’échantillons dans la trame actuelle.

Types de données : single | double

angularVelocity — Vitesse angulaire dans le système de coordonnées de navigation local (rad/s)

N-matrice par 3

Vitesse angulaire dans le système de coordonnées de navigation local en radians par seconde, renvoyée sous la forme d'une matrice N-by-3.

N est le nombre d’échantillons dans la trame actuelle.

Types de données : single | double

Fonctions d'objet

Spécifique au kinematicTrajectory

perturbations	Perturbation définie sur l'objet
perturb	Appliquer des perturbations à un objet

Commun à tous les objets système

step	Run System object algorithm

Exemples

Créer un kinematicTrajectory

Créez un System object™ kinematicTrajectory par défaut et explorez la relation entre l'entrée, les propriétés et les trajectoires générées.

trajectory = kinematicTrajectory

trajectory = 
  kinematicTrajectory with properties:

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

Par défaut, l'objet kinematicTrajectory a une position initiale de [0 0 0] et une vitesse initiale de [0 0 0]. L'orientation est décrite par un quaternion (1 + 0i + 0j + 0k).

L'objet kinematicTrajectory conserve un état visible et inscriptible dans les propriétés Position, Velocity et Orientation. Lorsque vous appelez l'objet, l'état est affiché puis mis à jour.

Par exemple, appelez l'objet en spécifiant une accélération et une vitesse angulaire par rapport au système de coordonnées du corps.

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 position, l'orientation et la vitesse sorties de l'objet trajectory correspondent à l'état signalé par les propriétés avant d'appeler l'objet. L'état trajectory est mis à jour après avoir été appelé et est observable à partir des propriétés :

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'

Les sorties acceleration et angularVelocity de l'objet trajectory correspondent aux bodyAcceleration et bodyAngularVelocity, sauf qu'ils sont renvoyés dans le système de coordonnées de navigation. Utilisez la sortie orientation pour faire pivoter acceleration et angularVelocity vers le système de coordonnées du corps et vérifier qu'ils sont approximativement équivalents à bodyAcceleration et bodyAngularVelocity.

rotatedAcceleration = rotatepoint(orientation,acceleration)

rotatedAcceleration = 1×3

     5     5     0

rotatedAngularVelocity = rotatepoint(orientation,angularVelocity)

rotatedAngularVelocity = 1×3

     0     0     1

L' System object™ kinematicTrajectory vous permet de modifier l'état de la trajectoire à travers les propriétés. Définissez la position sur [0,0,0], puis appelez l'objet avec une accélération et une vitesse angulaire spécifiées dans le système de coordonnées du corps. À des fins d'illustration, clonez l'objet trajectory avant de modifier la propriété Position . Appelez les deux objets et observez que les positions divergent.

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

Créer une trajectoire oscillante

Cet exemple montre comment créer une trajectoire oscillant le long de l'axe Nord d'un système de coordonnées NED local à l'aide de l' kinematicTrajectory System object™.

Créez un objet kinematicTrajectory par défaut. L'orientation initiale par défaut est alignée sur le système de coordonnées 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'

Définir une trajectoire d'une durée de 10 secondes composée d'une rotation autour de l'axe Est (tangage) et d'une oscillation le long de l'axe Nord du système de coordonnées NED local. Utilisez la fréquence d'échantillonnage par défaut 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;

Tracez le signal de contrôle d’accélération.

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')

Générez la trajectoire échantillon par échantillon dans une boucle. L' System object kinematicTrajectory suppose que les entrées d'accélération et de vitesse angulaire se trouvent dans le système de coordonnées local du corps du capteur. Faites pivoter les signaux de contrôle de l'accélération et de la vitesse angulaire du système de coordonnées NED vers le système de coordonnées du corps du capteur en utilisant rotateframe et l'état Orientation . Mettez à jour un tracé 3D de la position à chaque fois. Ajoutez pause pour imiter le traitement en temps réel. Une fois la boucle terminée, tracez la position au fil du temps. La rotation des signaux de commande accNED et angVelNED vers le système de coordonnées du corps local garantit que le mouvement reste le long de l'axe bas.

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')

Convertissez l'orientation enregistrée en angles d'Euler et tracez. Bien que l’orientation de la plate-forme ait changé au fil du temps, l’accélération s’est toujours produite le long de l’axe Nord.

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')

Générer une trajectoire de bobine

Cet exemple montre comment générer une trajectoire de bobine à l'aide de l' kinematicTrajectory System object™.

Créez une trajectoire circulaire d'une durée de 1 000 secondes et une fréquence d'échantillonnage de 10 Hz. Réglez le rayon du cercle sur 5 000 mètres et la vitesse sur 80 mètres par seconde. Réglez le taux de montée à 100 mètres par seconde et l'inclinaison à 15 degrés. Spécifiez l'orientation initiale comme pointée dans la direction du mouvement.

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);

Spécifiez une accélération et une vitesse angulaire constantes dans le système de coordonnées du corps. Faites pivoter le cadre du corps pour tenir compte du pas.

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);

Appelez trajectory avec l'accélération et la vitesse angulaire spécifiées dans le système de coordonnées du corps. Tracez la position, l'orientation et la vitesse au fil du temps.

[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')

Générer une trajectoire circulaire en spirale sans entrées

Définissez une vitesse angulaire constante et une accélération constante qui décrivent une trajectoire circulaire en spirale.

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];

Créez un objet de trajectoire cinématique.

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

Appelez l'objet trajectoire cinématique dans une boucle et enregistrez la sortie de position. Tracez la position au fil du temps.

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)')

Capacités étendues

Génération de code C/C++

Générez du code C et C++ avec MATLAB® Coder™.

Les fonctions d'objet, perturbations et perturb, ne prennent pas en charge la génération de code.

Notes d'utilisation et limitations :

System Objects in MATLAB Code Generation (MATLAB Coder)

Historique des versions

Introduit dans R2019b

Voir aussi

waypointTrajectory