四元数在刚体姿态运动可视化仿真中的应用（英文）

近年来,随着高性能计算机的广泛应用及飞行器姿态控制研究的迅速发展,四元数理论得以广泛应用。四元数不仅计算简单,而且避免了欧拉角存在的奇异性问题,因此在航天飞行器姿态控制当中被广泛应用。本文利用Simulink仿真技术,用四元数法建立了刚体姿态仿真模型,并利用VRML虚拟现实场景实现了姿态运动的可视化。仿真结果显示该Simulink仿真模型能够准确反映出刚体的姿态运动情况,对于飞行器姿态控制的研究具有一定的参考价值。     

基于四元数的Stewart机构姿态奇异与姿态空间研究

基于单位四元数描述的刚体姿态，避免了欧拉角等描述刚体姿态的奇异性问题，推导出：Stewart机构处于给定位置时的姿态奇异解析表达式，并提出了该机构处于给定位置时的姿态工作空间算法，通过计算机仿真给出该机构处于一给定位置时姿态奇异轨迹和姿态工作空间的三维可视化描述。研究结果为该机构的实际应用提供了重要的理论依据。     

基于四元数的Stewart机构姿态奇异与姿态空问研究

基于单位四元数描述的刚体姿态,避免了欧拉角等描述刚体姿态的奇异性问题,推导出Stewart机构处于给定位置时的姿态奇异解析表达式,并提出了该机构处于给定位置时的姿态工作空间算法,通过计算机仿真给出该机构处于一给定位置时姿态奇异轨迹和姿态工作空间的三维可视化描述.研究结果为该机构的实际应用提供了重要的理论依据.     

基于四元数二阶互补滤波的四旋翼姿态解算

姿态解算是四旋翼飞行器的关键技术,其精度直接影响飞行器控制的可靠性和稳定性。针对当前常用一阶互补滤波算法中阻带衰减速率慢和陀螺仪常值漂移产生的稳态误差问题,通过增加积分环节,设计了一种基于四元数的二阶互补滤波算法,能更好地利用加速度计和磁力计的稳态信息有效补偿陀螺仪常值漂移,从而减少姿态解算的累积误差。仿真结果表明,该算法具有更好的稳定性,提高了系统的姿态解算精度。通过飞行器真实飞行数据对算法进行了实验验证,结果显示姿态的俯仰角、横滚角精度1°,偏航角精度2°,能很好地满足飞行器控制系统对姿态解算的精度要求。     

机器人姿态插补的四元数直接逆解方法

针对欧拉角姿态插补方法中存在奇异性以及姿态过渡不平稳的问题,采用四元数表示机器人姿态,对起点和终点采用四元数球面线性插值的方法来进行机器人姿态插补;并给出了四元数直接逆解求姿态角的方法,舍去了姿态插补点须转化为位姿变换矩阵的过程,提高了机器人控制系统软件的运行效率。以FANUC LR Mate 100i机器人为实例进行求解,对比位姿变换矩阵和四元数各自所求的逆解,可得两种方法算出的结果一致,验证了算法的可行性。     

基于四元数的机械海流计姿态解算

流向是海流测量中不可或缺的信息之一,可以通过解算海流仪姿态角的方式获得流向。目前,采用欧拉角微分方程式和方向余弦法计算姿态都存在着奇点或者计算量过大的问题。文章利用四元数的方法求解姿态变换矩阵,采用四元数四则运算组合简化计算过程,并基于6轴处理组件MPU6050和磁阻传感器HMC5883L设计电路和编程,最后在实验的基础上对算法可行性进行了验证。     

基于四元数的机械臂平滑姿态规划与仿真

姿态迹规划在机械臂控制中占有重要的地位,插值姿态的平滑性将直接影响到机械臂末端动作的柔和度。对姿态规划的等效性进行研究,给出角加速度与角速度可控的转角规划曲线。为减小计算复杂度,采用四元数代替姿态矩阵描述末端姿态。此外,还研究了等效转角与四元数球面线性插值的关系。最后,针对自行研制的六轴机械臂模型,以LabVIEW为仿真平台,对姿态轨迹进行了仿真与讨论。仿真结果表明:所规划的姿态具有C2连续的特点,实现了平滑变化。     

基于四元数法的捷联式惯性导航系统的姿态解算

载体的姿态解算算法是实现捷联式惯性导航系统精确导航的核心技术之一。分析了欧拉法、方向余弦法、四元数法求解姿态矩阵的优缺点,采用四元数法与方向余弦法两种解算方法分别计算载体姿态,两种方法的计算结果之差与理论真值比较以得到解算的相对误差,从而验证了四元数法的正确性和有效性。最后,指出提高采样频率和采用高阶计算算法能进一步减小姿态解算误差。数字化仿真与转台试验结果表明,本文提出的载体姿态解算法的理论数值相对误差为10^-10％,测试实验相对误差为10^3％,计算时间为36μs,具有良好的实时性。     

基于四元数法的捷联式惯性导航系统姿态解算研究

为实现捷联式惯性导航系统的精确导航,载体的姿态解算算法是核心技术之一。首先分析了欧拉法、方向余弦法、四元数法求解姿态矩阵的优缺点,根据四元数法与方向余弦法两种解算方法分别进行计算,两种方法的计算结果之差与理论真值比较以得到解算的相对误差,从而验证了四元数法的正确性和有效性,最后提出提高采样频率和采用高阶计算算法能进一步减小姿态解算误差。数字化仿真与转台试验结果表明,根据本文所述算法进行载体姿态解算的误差很小,具有良好的实时性,为捷联式惯性导航技术的工程实践提供了依据。     

链条传动的多刚体建模及受力分析

介绍采用多刚体方法对链条传动系统的驱动过程进行建模和动力学分析。链节看作刚体。链轮看作等边刚性多边形。辊子看作两个链节之间的旋转副。啮合约束当作可变约束处理。当啮合力为正时,链节和链轮之间是固定约束,当力变负时。链节脱离链轮。利用龙格库塔法求解系统的拉格朗日方程。最后计算并分析不同工况下的驱动过程．解释系统的锁死现象。并进一步分析两种避免锁死的处理方法。     

基于四元数时空卷积神经网络的人体行为识别

传统卷积神经网络(CNN)只适用于灰度图像或彩色图像分通道的特征提取,忽视了通道间的空间依赖性,破坏了真实环境的颜色特征,从而影响人体行为识别的准确率。为了解决上述问题,提出一种基于四元数时空卷积神经网络(QST-CNN)的人体行为识别方法。首先,采用码本算法预处理样本集所有图像,提取图像中人体运动的关键区域;然后将彩色图像的四元数矩阵形式作为网络的输入,并将CNN的空间卷积层扩展为四元数空间卷积层,将彩色图像的红、绿、蓝通道看作一个整体进行动作空间特征的提取,并在时间卷积层提取相邻帧的动态信息;最后,比较QST-CNN、灰度单通道CNN(Gray-CNN)和RGB 3通道CNN(3Channel-CNN)3种方法的识别率。实验结果表明,所提方法优于其他流行方法,在Weizmann和UCF sports数据集分别取得了85.34%和80.2%的识别率。     

刚体惯性参数的动态测试研究

根据刚体动力学原理、频响函数曲线的质量线理论,推导出表征刚体惯性参数的基本原理。然后提出频响函数的拟合方法,并通过误差分析,研究和改进试验方法及优化数据处理,对某圆柱形质量块惯性参数的测试值与理论值比较,标定整个测量系统的误差。最后以某型汽车动力总成为研究对象,基于试验模态分析技术完成该动力总成相关惯性参数的动态测试。     

虚拟环境下机床切削运动行为仿真

鉴于当前CAD/CAM行业软件缺乏对机床行为的仿真,提出一种基于沉浸式虚拟现实的机床切削运动行为仿真方法,详细阐述仿真系统的体系架构及开发平台。分析机床各运动轴的切削运动行为及部件运动的层次性与相关性。建立基于消息响应机制的行为仿真编程模型。研究并推导了刀具走刀轨迹中刀具扫描体曲面的求解过程,阐述NC代码编译及刀具实时切削过程仿真。最后,在Visual C++6.0环境下结合Virtools和OpenGL编程实现了虚拟机床切削行为仿真系统,该系统可应用于数控加工程序的验证、数控技术的教学和培训等场合。     

四元数法在多孔径拼接技术中的应用研究

基于对多孔径拼接测量技术基本原理的研究,提出在拼接坐标变换时采用四元数法进行子孔径的旋转和平移,推导构建了多孔径拼接数学模型,并给出了确定载物台旋转轴线的测量方法。计算机模拟验证了该拼接测量方法的精确性,基于光栅条纹投射系统进行三维物体的拼接测量,实验结果证明了这种方法的有效性。与传统方法相比,该方法具有运算简单、速度快、精确等特点。     

塔式起重机变幅机构运行的刚体动力学仿真

就塔式起重机小车变幅机构的运行建立刚体动力学模型，利用Simulink动态仿真工具，采用四阶龙格一库塔法对小车变幅机构的运行工况进行仿真，并对仿真成果进行了分析。其成果对小车变幅机构运行的动力学分柝有应用价值。     

两栖仿生机器鱼机构设计及初步运动仿真

对国内外机器鱼的研究现状及研究成果进行分析,设计出四关节结构且可两栖行走的仿生机器鱼,对工作原理、关节结构设计及两栖行走装置设计详细介绍,简述其可完成的动作,依据机械控制的基础理论建立简单串联模型,并给出机器鱼两个运动方案,进行运动学的初步仿真,最终总结两栖仿生机器鱼的运动仿真结果。     

四元数矩阵在航天相机像面位置求解中的应用

研究了四元数矩阵在航天相机像面位置求解中的应用.提出了一种功能等同于齐次旋转变换矩阵的改进的四元数变换矩阵,并依据多体系统理论,利用改进的四元数变换矩阵和齐次坐标变换矩阵两种方法推导出了对应于地面景物的两种航天相机的像面位置模型,阐述了利用四元数实时求解的算法来获得各像点的像面位置的实时解的方法.同时对这两种求解方法进行了计算机模拟.结果证明,利用改进的四元数变换矩阵方法的求解速度比利用齐次坐标变换矩阵的方法快一些.     

ADAMS柔性体运动仿真分析及运用

介绍机械系统自动动力学分析软件(ADAMS)柔性体基本理论及在ADAMS中生成柔性体的几种方法,并构建机械系统仿真模型,通过一个实例验证ADAMS柔性体运动仿真分析的实效.     

自动生产线仿真系统中的VRML技术应用

讨论了自动线仿真系统中使用VRML(虚拟现实建模语言)的可行性;阐述了VRML关键技术在仿真系统中的具体实现方法。