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自行车运动模型及其线性化_自行车运动学模型的状态方程

自行车运动学模型的状态方程

自行车运动模型及其线性

详见:
参考链接

自行车运动模型

自行车运动模型
运动模型方程:
[ x . y . θ . ] = [ v c o s ( θ ) v s i n ( θ ) v t a n ( δ ) L ] \left[

x.y.θ.
\right]= \left[
vcos(θ)vsin(θ)vtan(δ)L
\right] x.y.θ.=vcos(θ)vsin(θ)vLtan(δ)

可写为:
[ x . y . θ . ] = [ c o s ( θ ) s i n ( θ ) 0 ] v + [ 0 0 1 ] w \left[

x.y.θ.
\right]= \left[
cos(θ)sin(θ)0
\right]v+ \left[
001
\right]w x.y.θ.=cos(θ)sin(θ)0v+001w

模型线性化

利用泰勒展开,只保留一阶项
X . = [ x . y . θ . ] = [ v c o s ( θ ) v s i n ( θ ) v t a n ( δ ) L ] = [ f 1 f 2 f 3 ] = f ( X , u ) \overset{.}{X}= \left[

x.y.θ.
\right]= \left[
vcos(θ)vsin(θ)vtan(δ)L
\right]= \left[
f1f2f3
\right]= f(X,u) X.=x.y.θ.=vcos(θ)vsin(θ)vLtan(δ)=f1f2f3=f(X,u)

其中 X = [ x , y , θ ] T , u = [ v , δ ] T X=[x,y,\theta]^T,u=[v,\delta]^T X=[x,y,θ]T,u=[v,δ]T

△ X . = X . − X r . = [ x . − x r . y . − y r . θ . − θ r . ] ≈ [ σ f 1 σ x σ f 1 σ y σ f 1 σ θ σ f 2 σ x σ f 2 σ y σ f 2 σ θ σ f 3 σ x σ f 3 σ y σ f 3 σ θ ] [ x − x r y − y r θ − θ r ] + [ σ f 1 σ v σ f 1 σ δ σ f 2 σ v σ f 2 σ δ σ f 3 σ v σ f 3 σ δ ] [ v − v r δ − δ r ] \bigtriangleup\overset{.}{X}=\overset{.}{X}-\overset{.}{X_r}= \left[

x.xr.y.yr.θ.θr.
\right] \approx \left[
σf1σxσf1σyσf1σθσf2σxσf2σyσf2σθσf3σxσf3σyσf3σθ
\right] \left[
xxryyrθθr
\right] + \left[
σf1σvσf1σδσf2σvσf2σδσf3σvσf3σδ
\right] \left[
vvrδδr
\right] X.=X.Xr.=x.xr.y.yr.θ.θr.σxσf1σxσf2σxσf3σyσf1σyσf2σyσf3σθσf1σθσf2σθσf3xxryyrθθr+σvσf1σvσf2σvσf3σδσf1σδσf2σδσf3[vvrδδr]

写为
△ X . = A m △ X + B m △ u A m = [ 0 0 − v s i n ( θ ) 0 0 v c o s ( θ ) 0 0 0 ] B m = [ c o s ( θ ) 0 s i n ( θ ) 0 t a n ( δ ) L v L c o s 2 δ ]

X.=AmX+BmuAm=[00vsin(θ)00vcos(θ)000]Bm=[cos(θ)0sin(θ)0tan(δ)LvLcos2δ]
X.AmBm=AmX+Bmu=000000vsin(θ)vcos(θ)0=cos(θ)sin(θ)Ltan(δ)00Lcos2δv

线性模型离散化

A m △ X ( k ) + B m △ u ( k ) = △ X . = △ X ( k + 1 ) − △ X ( k ) T A_m\bigtriangleup X(k) +B_m\bigtriangleup u(k)=\bigtriangleup\overset{.}{X}= \frac{\bigtriangleup X(k+1)-\bigtriangleup X(k)}{T} AmX(k)+Bmu(k)=X.=TX(k+1)X(k)
变形可得:
△ X ( k + 1 ) = ( I + T A m ) △ X ( k ) + T B m △ u ( k ) = A △ X ( k ) + B △ u ( k ) A m = [ 1 0 − v T s i n ( θ ) 0 1 v T c o s ( θ ) 0 0 1 ] B m = [ T c o s ( θ ) 0 T s i n ( θ ) 0 T t a n ( δ ) L T v L c o s 2 δ ]

X(k+1)=(I+TAm)X(k)+TBmu(k)=AX(k)+Bu(k)
\\
Am=[10vTsin(θ)01vTcos(θ)001]Bm=[Tcos(θ)0Tsin(θ)0Ttan(δ)LTvLcos2δ]
X(k+1)=(I+TAm)X(k)+TBmu(k)=AX(k)+Bu(k)AmBm=100010vTsin(θ)vTcos(θ)1=Tcos(θ)Tsin(θ)LTtan(δ)00Lcos2δTv

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