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Inverse kinematics of a heavy duty manipulator with 6-DOF based on dual quaternion 被引量:7
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作者 王恒升 占德友 +1 位作者 黄平伦 陈伟锋 《Journal of Central South University》 SCIE EI CAS CSCD 2015年第7期2568-2577,共10页
An iterative method is introduced successfully to solve the inverse kinematics of a 6-DOF manipulator of a tunnel drilling rig based on dual quaternion, which is difficult to get the solution by Denavit-Hartenberg(D-H... An iterative method is introduced successfully to solve the inverse kinematics of a 6-DOF manipulator of a tunnel drilling rig based on dual quaternion, which is difficult to get the solution by Denavit-Hartenberg(D-H) based methods. By the intuitive expression of dual quaternion to the orientation of rigid body, the coordinate frames assigned to each joint are established all in the same orientation, which does not need to use the D-H procedure. The compact and simple form of kinematic equations, consisting of position equations and orientation equations, is also the consequence of dual quaternion calculations. The iterative process is basically of two steps which are related to solving the position equations and orientation equations correspondingly. First, assume an initial value of the iterative variable; then, the position equations can be solved because of the reduced number of unknown variables in the position equations and the orientation equations can be solved by applying the solution from the position equations, which obtains an updated value for the iterative variable; finally, repeat the procedure by using the updated iterative variable to the position equations till the prescribed accuracy is obtained. The method proposed has a clear geometric meaning, and the algorithm is simple and direct. Simulation for 100 poses of the end frame shows that the average running time of inverse kinematics calculation for each demanded pose of end-effector is 7.2 ms on an ordinary laptop, which is good enough for practical use. The iteration counts 2-4 cycles generally, which is a quick convergence. The method proposed here has been successfully used in the project of automating a hydraulic rig. 展开更多
关键词 heavy-duty manipulator dual quaternion robotic kinematics inverse kinematics(IK) iterative algorithm tunnel drilling rig
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基于对偶四元数的空间引力波探测器稳定构型优化设计
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作者 张锦绣 张谕 +3 位作者 王继河 杨继坤 逯振坤 宋昱岐 《深空探测学报(中英文)》 CSCD 北大核心 2023年第3期268-276,共9页
针对空间引力波探测器的轨道构型稳定性,研究了空间大尺度航天器编队稳定构型设计和优化方法。考虑日地月引力场对编队构型的影响,在日心坐标系下,将地球、月球和3颗航天器视为一个编队进行研究;基于对偶四元数建立自然/人造天体动力学... 针对空间引力波探测器的轨道构型稳定性,研究了空间大尺度航天器编队稳定构型设计和优化方法。考虑日地月引力场对编队构型的影响,在日心坐标系下,将地球、月球和3颗航天器视为一个编队进行研究;基于对偶四元数建立自然/人造天体动力学模型,对有/无中心天体的空间引力波探测系统模型进行统一的描述;给出了基于遗传算法的待优化参数,并设计了优化目标函数。仿真结果表明:在不进行轨道控制情况下,1年内探测器满足轨道构型的稳定性要求。 展开更多
关键词 航天器编队 轨道构型 对偶四元数 遗传算法
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Comparison of strapdown inertial navigation algorithm based on rotation vector and dual quaternion 被引量:9
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作者 Wang Zhenhuan Chen Xijun Zeng Qingshuang 《Chinese Journal of Aeronautics》 SCIE EI CAS CSCD 2013年第2期442-448,共7页
For the navigation algorithm of the strapdown inertial navigation system, by comparing to the equations of the dual quaternion and quaternion, the superiority of the attitude algorithm based on dual quaternion over th... For the navigation algorithm of the strapdown inertial navigation system, by comparing to the equations of the dual quaternion and quaternion, the superiority of the attitude algorithm based on dual quaternion over the ones based on rotation vector in accuracy is analyzed in the case of the rotation of navigation frame. By comparing the update algorithm of the gravitational velocity in dual quaternion solution with the compensation algorithm of the harmful acceleration in traditional velocity solution, the accuracy advantage of the gravitational velocity based on dual quaternion is addressed. In view of the idea of the attitude and velocity algorithm based on dual quaternion, an improved navigation algorithm is proposed, which is as much as the rotation vector algorithm in computational complexity. According to this method, the attitude quaternion does not require compensating as the navigation frame rotates. In order to verify the correctness of the theoretical analysis, simulations are carried out utilizing the software, and the simulation results show that the accuracy of the improved algorithm is approximately equal to the dual quaternion algorithm. 展开更多
关键词 dual quaternion Inertial navigation system Navigation algorithm quaternion Rotation vector
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空间五杆RRCCR机构的位移分析 被引量:1
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作者 王品 王世恩 +1 位作者 李洪斌 顾九春 《机械设计》 CSCD 北大核心 2013年第11期57-60,65,共5页
为了对空间五杆RRCCR机构的位移分析进行研究,采用对偶四元数进行建模,根据矢量间的几何关系推导出只含有4个对偶角的封闭方程。展开封闭方程,寻找关系式,分解对偶数的初级部和对偶部,通过符号计算,消去两个对偶角,导出含有输入角和输... 为了对空间五杆RRCCR机构的位移分析进行研究,采用对偶四元数进行建模,根据矢量间的几何关系推导出只含有4个对偶角的封闭方程。展开封闭方程,寻找关系式,分解对偶数的初级部和对偶部,通过符号计算,消去两个对偶角,导出含有输入角和输出角的一元八次输入输出方程,最后求出其余变量。通过数字实例进行验证,表明了空间五杆RRCCR机构位移分析的解析解个数是8个。 展开更多
关键词 RRCCR机构 位移分析 对偶四元数 欧拉公式
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基于对偶四元数的圆锥及划船误差补偿改进算法 被引量:5
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作者 邢丽 熊智 +1 位作者 刘建业 杭义军 《兵工学报》 EI CAS CSCD 北大核心 2017年第7期1336-1347,共12页
为提高高动态环境下的对偶四元数捷联惯性导航算法解算精度,将梯形数字积分算法应用于圆锥和划船误差补偿算法中,改进了姿态和速度解算算法,提高了对偶四元数捷联惯性导航算法的解算精度。在单个采样周期内,利用前一时刻采集的陀螺角速... 为提高高动态环境下的对偶四元数捷联惯性导航算法解算精度,将梯形数字积分算法应用于圆锥和划船误差补偿算法中,改进了姿态和速度解算算法,提高了对偶四元数捷联惯性导航算法的解算精度。在单个采样周期内,利用前一时刻采集的陀螺角速率信号和当前时刻采集的陀螺角速率信号,通过梯形积分方式计算角增量进行圆锥误差补偿;利用前一时刻采集的加速度计信号和当前时刻的加速度计信号,通过梯形积分方式计算速度增量并结合同一时刻的角增量进行划船误差补偿。通过设计的多组动态模拟仿真航迹验证表明,当角速率和比力作为圆锥和划船误差补偿算法输入时,梯形积分算法的精度高于传统的矩形积分算法,且航迹的动态性越高,改进算法的性能优势越显著。同时,通过动态跑车实验结果的分析对比,进一步验证了该改进算法的实用性。 展开更多
关键词 控制科学与技术 对偶四元数 捷联惯性导航算法 圆锥误差补偿算法 划船误差补偿算法 梯形积分方法
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基于末端杆件螺旋运动的凿岩机械臂孔序规划 被引量:7
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作者 王恒升 陈伟锋 王思远 《中国机械工程》 EI CAS CSCD 北大核心 2016年第13期1748-1754,共7页
根据隧道炮孔设计,进行孔序规划,是对凿岩机械臂进行自动控制所需要解决的一个问题。针对这一问题,以机械臂末端杆件的螺旋运动来定义其运动轨迹,用螺旋运动轨迹的曲线长度来定义机械臂将末端执行器从一个孔位运送到另一个孔位所付出的... 根据隧道炮孔设计,进行孔序规划,是对凿岩机械臂进行自动控制所需要解决的一个问题。针对这一问题,以机械臂末端杆件的螺旋运动来定义其运动轨迹,用螺旋运动轨迹的曲线长度来定义机械臂将末端执行器从一个孔位运送到另一个孔位所付出的代价,以此代价为基础建立目标函数,用蚁群算法进行问题求解,得到机械臂运动的孔序规划。利用对偶四元数法推导了机械臂末端杆件螺旋运动参数的计算公式。仿真验证了轨迹求解算法,得到的轨迹平滑、连续;针对某隧道断面64组炮孔设计,利用蚁群算法进行左右两个机械臂的孔序规划仿真,得到了合理的规划结果。 展开更多
关键词 孔序规划 螺旋运动 对偶四元数 蚁群算法 螺旋线性插值 凿岩机械臂
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捷联惯导系统两种速度更新算法的比较研究 被引量:2
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作者 林玉荣 陈亮 付振宪 《兵工学报》 EI CAS CSCD 北大核心 2012年第10期1185-1193,共9页
对偶四元数是一种将平动与转动统一描述的运动参数,利用它求解捷联惯导系统(SINS)的速度参量,思路完全不同于传统的速度更新算法。对两种速度更新算法的解算过程进行了对比研究,从原理上明确了导致两种算法性能差别的原因,通过定义截断... 对偶四元数是一种将平动与转动统一描述的运动参数,利用它求解捷联惯导系统(SINS)的速度参量,思路完全不同于传统的速度更新算法。对两种速度更新算法的解算过程进行了对比研究,从原理上明确了导致两种算法性能差别的原因,通过定义截断误差和近似积分误差,以二子样算法为例,对两种算法的精度差别进行了定性的分析,并作了定量的计算和推导,给出了定量的表征。研究结果表明:在高动态及大机动运动状态下,对偶四元数算法在精度上具有明显的优势。设置包含圆锥运动与划船运动的复杂、高动态测试条件,在理想情况下与实际情况下分别进行了仿真测试,测试结果验证了对偶四元数算法在整体性能上的显著优势。 展开更多
关键词 飞行器控制、导航技术 速度更新算法 截断误差 近似积分误差 对偶四元数
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对偶四元数更新算法在划船运动下的优化设计 被引量:1
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作者 林玉荣 陈亮 张广莹 《计算机工程》 CAS CSCD 2012年第23期24-27,32,共5页
适合于计算机执行的对偶四元数更新算法是实现对偶四元数捷联惯导系统功能的关键。为此,将螺旋矢量作为工具,在给出螺旋矢量求解方法的基础上,通过分析合理选择划船运动作为测试条件,以二子样为例对基于螺旋矢量的对偶四元数更新算法进... 适合于计算机执行的对偶四元数更新算法是实现对偶四元数捷联惯导系统功能的关键。为此,将螺旋矢量作为工具,在给出螺旋矢量求解方法的基础上,通过分析合理选择划船运动作为测试条件,以二子样为例对基于螺旋矢量的对偶四元数更新算法进行优化设计。与传统的划船误差优化补偿算法在性能上进行分析与对比,结果表明,对偶优化算法具有一定的性能优势,它不但从结构上将旋转运动与平移运动统一表征,而且使2类运动参数的估计精度达到一致最优。 展开更多
关键词 对偶四元数 螺旋矢量 捷联惯导系统 划船运动 更新算法 优化算法
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对偶四元数在六自由度飞行模拟器的仿真研究
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作者 王辉 朱道扬 《机床与液压》 北大核心 2017年第5期147-150,共4页
六自由度平台作为飞行模拟器重要的载体,上下平台的坐标变换至关重要。研究对偶四元数在六自由度运动平台的应用,给出对偶四元数在坐标系转换的换算参数,并在MATLAB/SIMULINK中对六自由度运动平台的反解和经典洗出算法进行了仿真验证,... 六自由度平台作为飞行模拟器重要的载体,上下平台的坐标变换至关重要。研究对偶四元数在六自由度运动平台的应用,给出对偶四元数在坐标系转换的换算参数,并在MATLAB/SIMULINK中对六自由度运动平台的反解和经典洗出算法进行了仿真验证,证明对偶四元数在六自由度运动平台具有很好的准确性和可靠性,拓展了六自由度平台坐标变换矩阵的选择范围。 展开更多
关键词 对偶四元数 反解 洗出算法 仿真
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基于对偶四元数的编队飞行卫星相对位姿描述 被引量:1
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作者 蒋锋 王惠南 皇超颂 《中国空间科学技术》 EI CSCD 北大核心 2012年第3期20-26,34,共8页
为统一描述编队飞行卫星中主从星的相对位置和姿态参数,利用对偶四元数,建立编队飞行卫星运动学模型,分析其物理意义,提出了基于对偶四元数的编队飞行卫星相对位姿描述的划船算法,并利用这一算法解算出相对位置和姿态参数,突破了传统方... 为统一描述编队飞行卫星中主从星的相对位置和姿态参数,利用对偶四元数,建立编队飞行卫星运动学模型,分析其物理意义,提出了基于对偶四元数的编队飞行卫星相对位姿描述的划船算法,并利用这一算法解算出相对位置和姿态参数,突破了传统方法中将卫星轨道和姿态分而治之的方式。仿真结果表明该算法科学合理,能够有效描述编队飞行卫星间的相对位置和姿态。 展开更多
关键词 划船算法 对偶四元数相对位置 相对姿态 姿态控制 编队飞行卫星
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基于对偶四元数移动机械臂运动学建模与控制 被引量:1
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作者 陈良港 张方 +2 位作者 张建光 蒋祺 朱伟 《科技创新与应用》 2022年第5期1-5,共5页
针对冗余移动机械臂求取任务空间速度与广义空间速度映射关系困难,将移动底座与机械臂视为一个系统建立基于单位对偶四元数的运动学模型,得到的运动学描述非常简洁并且避免奇异性问题,通过单位对偶四元数微分推导空间运动旋量与广义速... 针对冗余移动机械臂求取任务空间速度与广义空间速度映射关系困难,将移动底座与机械臂视为一个系统建立基于单位对偶四元数的运动学模型,得到的运动学描述非常简洁并且避免奇异性问题,通过单位对偶四元数微分推导空间运动旋量与广义速度间映射关系,由空间运动旋量与末端执行器任务空间速度间的关系推导出几何雅可比矩阵。并对移动机械臂沿给定末端执行器轨迹的运动进行研究,给定末端执行器轨迹与始末姿态,由四元数插值得到离散姿态,利用伪逆方法的闭环逆运动学算法求解相应的移动底座轨迹与关节轨迹,利用关节极限约束对零空间进行修正,使关节变量尽可能接近其范围中点。研究结果表明,该算法具有可行性与有效性。 展开更多
关键词 移动机械臂 冗余 对偶四元数 运动学 雅可比 闭环算法
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基于LMI优化的对偶四元数手眼标定算法 被引量:3
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作者 王龙 闵华松 《机床与液压》 北大核心 2021年第21期8-14,共7页
针对相机标定误差和机器人正运动学求解的误差对手眼标定精度的影响以及传统对偶四元数法用奇异值分解求解手眼标定时易受到外界干扰产生较大误差的问题,提出一种基于LMI优化的对偶四元数手眼标定算法。该方法以对偶四元数的形式将手眼... 针对相机标定误差和机器人正运动学求解的误差对手眼标定精度的影响以及传统对偶四元数法用奇异值分解求解手眼标定时易受到外界干扰产生较大误差的问题,提出一种基于LMI优化的对偶四元数手眼标定算法。该方法以对偶四元数的形式将手眼标定方程分解成两部分,简化问题模型,分别估计旋转矩阵和平移向量。该方法先用线性矩阵不等式优化的方法替代传统奇异值分解法求得精确度更高的旋转矩阵,再通过改写平移向量的标定方程,建立新的目标函数,然后用线性矩阵不等式优化的方法求得平移向量。最后,通过开源数据集实验和手眼标定平台上的实测实验结果分析,证明了该算法在求解精度和稳定性上都优于传统对偶四元数(CDQ)算法、经典算法Tsai法和Navy法,并验证了该算法在实际应用中的可行性。 展开更多
关键词 手眼标定 线性矩阵不等式优化 对偶四元数 优化算法
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虚拟人骨架驱动皮肤变形的改进的热平衡法
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作者 何青 侯进 《计算机仿真》 北大核心 2017年第9期336-340,397,共6页
在骨架驱动虚拟人皮肤变形中,传统热平衡法由于权重分配不均造成大幅度关节旋转运动时皮肤凸起的失真现象,针对上述问题,提出一种改进的热平衡权重分配算法。首先,提取虚拟人骨架,得到虚拟人表面模型;然后,计算皮肤顶点到骨骼向量的投... 在骨架驱动虚拟人皮肤变形中,传统热平衡法由于权重分配不均造成大幅度关节旋转运动时皮肤凸起的失真现象,针对上述问题,提出一种改进的热平衡权重分配算法。首先,提取虚拟人骨架,得到虚拟人表面模型;然后,计算皮肤顶点到骨骼向量的投影位置;接着,通过判断皮肤顶点的投影相对骨骼向量的位置来确定骨架和皮肤的绑定关系,得到新的热平衡方程初始条件;最后,求解热平衡方程得到骨架和皮肤关联的权重,并运用对偶四元数蒙皮算法驱动了逼真的虚拟人皮肤变形动画。实验结果表明,改进方法有效解决了大幅度关节旋转运动时关节交接处出现的皮肤凸起问题,且避免了皮肤塌陷现象和"裹糖纸"效应。 展开更多
关键词 骨架提取 热平衡法 顶点权重 对偶四元数蒙皮 皮肤变形
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基于Lyapunov稳定性及CPSO的航天器姿轨控制
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作者 陈杰 张文栋 +1 位作者 苏琳琳 桑胜波 《计算机工程与应用》 CSCD 北大核心 2019年第24期229-234,240,共7页
针对在轨服务航天任务中轨道与姿态动力学耦合问题,提出一种基于Lyapunov稳定性分析的反馈控制方法,采用基于对偶四元数的一体化耦合动力学模型来描述航天器的相对位置和相对姿态,利用速度陀螺仪与激光雷达的量测信息构建Lyapunov能量函... 针对在轨服务航天任务中轨道与姿态动力学耦合问题,提出一种基于Lyapunov稳定性分析的反馈控制方法,采用基于对偶四元数的一体化耦合动力学模型来描述航天器的相对位置和相对姿态,利用速度陀螺仪与激光雷达的量测信息构建Lyapunov能量函数,得到满足系统全局渐进稳定的控制率。并用混沌粒子群算法(Chaos Particle Swarm Optimization algorithm,CPSO)优化控制器参数以便达到良好的控制效果。仿真结果表明,该方法不仅保证了航天器的相对轨道、相对姿态和跟踪速度在较短的时间内收敛至期望值,而且具有较高的跟踪精度。 展开更多
关键词 航天器 姿态与轨道 LYAPUNOV稳定性 对偶四元数 混沌粒子群算法
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