производная

Производная времени состояний UAV

Синтаксис

stateDerivative = derivative(uavGuidanceModel,state,control,environment)

Описание

пример

Примечание

Эта функция требует, чтобы вы установили Библиотеку UAV для Robotics System Toolbox™. Чтобы установить дополнения, используйте roboticsAddons и выберите желаемое дополнение.

stateDerivative = derivative(uavGuidanceModel,state,control,environment) определяет производную времени состояния модели руководства UAV использование текущего состояния, команд управления и экологических входных параметров. Используйте состояние и производную времени с ode45, чтобы моделировать UAV.

Примеры

свернуть все

Этот пример показывает, как использовать модель руководства multirotor, чтобы моделировать изменение в состоянии UAV из-за ввода команд.

Примечание: Чтобы использовать алгоритмы UAV, ou должен установить Библиотеку UAV для Robotics System Toolbox®. Чтобы установить, используйте roboticsAddons .

Создайте модель руководства мультиротора.

model = multirotor;

Создайте структуру состояния. Задайте местоположение в мировых координатах.

s = state(model);
s(1:3) = [3;2;1];

Задайте команду управления, u, который задал список и тягу мультиротора.

u = control(model);
u.Roll = pi/12;
u.Thrust = 1;

Создайте стандартную среду без ветра.

e = environment(model);

Вычислите производную времени состояния, учитывая текущее состояние, управляйте командой и средой.

sdot = derivative(model,s,u,e);

Моделируйте состояние UAV использование интегрирования ode45. Поле y выводит фиксированное крыло состояния UAV как 13 n матрицей.

simOut = ode45(@(~,x)derivative(model,x,u,e), [0 3], s);
size(simOut.y)
ans = 1×2

          13        3536

Постройте изменение в углу вращения на основе симуляции вывод. Угол вращения (X Углов Эйлера) является 9-й строкой simOut.y вывод.

plot(simOut.y(9,:))

Постройте изменение в Y и положениях Z. С заданной тягой и углом вращения, мультиротор должен пролететь и потерять некоторую высоту. positve значение для Z ожидается, когда положительный Z снижается.

figure
plot(simOut.y(2,:));
hold on
plot(simOut.y(3,:));
legend('Y-position','Z-position')
hold off

Можно также построить траекторию мультиротора с помощью plotTransforms. Создайте векторы перевода и вращения из моделируемого состояния. Субдискретизируйте (каждый 300-й элемент) и транспонируйте элементы simOut и преобразуйте Углы Эйлера в кватернионы. Задайте mesh как файл multirotor.stl и положительное Z-направление как "down". Отображенное представление показывает перевод UAV в направлении Y и потерю высоты.

translations = simOut.y(1:3,1:300:end)'; % xyz position
rotations = eul2quat(simOut.y(7:9,1:300:end)'); % ZYX Euler
plotTransforms(translations,rotations,...
    'MeshFilePath','multirotor.stl','InertialZDirection',"down")
view([90.00 -0.60])

Этот пример показывает, как использовать модель руководства fixedwing, чтобы моделировать изменение в состоянии UAV из-за ввода команд.

Примечание: Чтобы использовать алгоритмы UAV, необходимо установить Библиотеку UAV для Robotics System Toolbox®. Чтобы установить, используйте roboticsAddons .

Создайте модель руководства фиксированного крыла.

model = fixedwing;

Установите воздушную скорость автомобиля путем изменения структуры от функции state.

s = state(model);
s(4) = 5; % 10 m/s

Задайте команду управления, u, который поддерживает воздушную скорость и дает угол вращения pi/12.

u = control(model);
u.RollAngle = pi/12;
u.AirSpeed = 5;

Создайте стандартную среду без ветра.

e = environment(model);

Вычислите производную времени состояния, учитывая текущее состояние, управляйте командой и средой.

sdot = derivative(model,s,u,e);

Моделируйте состояние UAV использование интегрирования ode45. Поле y выводит фиксированное крыло состояния UAV на основе этой симуляции.

simOut = ode45(@(~,x)derivative(model,x,u,e), [0 50], s);
size(simOut.y)
ans = 1×2

     8   904

Постройте изменение в углу вращения на основе симуляции вывод. Угол вращения является 7-й строкой simOut.y вывод.

plot(simOut.y(7,:))

Можно также построить траекторию фиксированного крыла с помощью plotTransforms. Создайте векторы перевода и вращения из моделируемого состояния. Субдискретизируйте (каждый 30-й элемент) и транспонируйте элементы simOut и преобразуйте Углы Эйлера в кватернионы. Задайте mesh как файл fixedwing.stl и положительное Z-направление как "down". Отображенное представление показывает UAV, делающий постоянный поворот на основе постоянного угла вращения.

downsample = 1:30:size(simOut.y,2);
translations = simOut.y(1:3,downsample)'; % xyz-position
rotations = eul2quat([simOut.y(5,downsample)',simOut.y(6,downsample)',simOut.y(7,downsample)']); % ZYX Euler
plotTransforms(translations,rotations,...
    'MeshFilePath','fixedwing.stl','InertialZDirection',"down")
hold on
plot3(simOut.y(1,:),-simOut.y(2,:),simOut.y(3,:),'--b') % full path
xlim([-10.0 10.0])
ylim([-20.0 5.0])
zlim([-0.5 4.00])
view([-45 90])
hold off

Входные параметры

свернуть все

Модель руководства UAV, заданная как объект fixedwing или multirotor.

Вектор состояния, заданный как вектор с тринадцатью элементами или с восемью элементами. Вектор всегда заполнен нулями. Используйте эту функцию, чтобы гарантировать, что у вас есть соответствующий размер для вашего вектора состояния.

Для БПЛА фиксированного крыла состояние является вектором с восемью элементами:

  • North - Положение в северном направлении в метрах.

  • East - Положение в восточном направлении в метрах.

  • Высота- Высота над землей в метрах.

  • AirSpeed - Скорость относительно ветра в метрах в секунду.

  • HeadingAngle - Угол между наземной скоростью и северным направлением в радианах в секунду.

  • FlightPathAngle - Угол между наземной скоростью и северо-восточной плоскостью в метрах в секунду.

  • RollAngle - Угол вращения вдоль тела x - ось в радианах в секунду.

  • RollAngleRate - Угловая скорость вращения вдоль тела x - ось в радианах в секунду.

Для БПЛА мультиротора состояние является вектором с тринадцатью элементами в этом порядке:

  • World Position - [x y z] в метрах.

  • World Velocity - [vx vy vz] в метрах в секунду.

  • Euler Angles (ZYX) - [psi theta phi] в радианах.

  • Body Angular Rates - [r p q] в радианах в секунду.

  • Thrust - F в ньютонах.

Экологические входные параметры, возвращенные как структура. Чтобы сгенерировать эту структуру, используйте environment.

Для БПЛА фиксированного крыла полями структуры является WindNorth, WindEast, WindDown и Gravity. Скорости ветра исчисляются в метрах в секунду, и отрицательная точка скоростей в противоположном направлении. Сила тяжести исчисляется в метрах в секунду в квадрате (9.81 по умолчанию).

Для БПЛА мультиротора единственным элементом структуры является Gravity (9.81 по умолчанию) в метрах в секунду придал квадратную форму.

Управляйте командами для UAV, заданного как структура. Чтобы сгенерировать эту структуру, используйте control.

Для БПЛА мультиротора модель руководства аппроксимирована как отдельные контроллеры PD для каждой команды. Элементы структуры являются командами управления:

  • Roll - Угол вращения в радианах.

  • Pitch - Передайте угол в радианах.

  • YawRate - Уровень отклонения от курса в радианах в секунду. (D = 0. P только контроллер)

  • Thrust - Вертикальная тяга UAV в Ньютонах. (D = 0. P только контроллер)

Для БПЛА фиксированного крыла модель принимает, что UAV летит при условии скоординированного поворота. Уравнения Модели Руководства принимают нулевой занос. Элементы шины:

  • Высота- Высота над землей в метрах.

  • Airspeed - Скорость UAV относительно ветра в метрах в секунду.

  • RollAngle - Угол вращения вдоль тела передает ось в радианах. Из-за условия скоординированного поворота направляющийся угловой уровень основан на углу вращения.

Выходные аргументы

свернуть все

Производная времени состояния, возвращенного как вектор. Вектор производной времени имеет ту же длину как вход state.

Расширенные возможности

Генерация кода C/C++
Генерация кода C и C++ с помощью MATLAB® Coder™.

Введенный в R2018b

Для просмотра документации необходимо авторизоваться на сайте