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质点运动学(天体系统模拟)
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显式积分
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用当前速度更新位置,用当前加速度更新速度
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所有状态更新都依赖当前状态,数值稳定性差
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半隐式积分
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用当前加速度更新速度,用新速度更新位置
- 数值稳定性较高
显式积分函数:
Python | |
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半隐式积分函数:
Python | |
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Solar System 完整代码
Python | |
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前向运动学(机械臂计算)
二维单支机械臂
前向动力学:由关节角度的列表计算末端位置
从第 0 个关节(轴)开始,依次遍历每个关节,每个机械臂的角度为之前所有关节处角度的累加。
每个关节相对上一个关节的移动为机械臂长度*当前角度,即$\mathrm{d}x=len\times\cos\theta $ ,$\mathrm{d}y=len\times\sin\theta $。
每个关节的位置为上一个关节的位置+相对移动量
代码:
完整代码
二维分叉机械臂
如果机械臂分叉,开始几个关节共享,后面的关节对应不同机械臂,先计算共享部分,再依次计算各个分支。
代码:(以一个分支为例)
三维机械臂
三维空间中用\(theta\)和\(phi\)两个参数定义方向,\(theta\)表示与 Z 轴的夹角(极角),\(phi\)表示在 XY 平面的投影与 X 轴的夹角(方位角)
三维和二维的相对性区别:
- 2D 常用相对角度,每个关节的角度表示相对于上一关节的角度
- 3D 常用绝对角度,每个关节的角度表示在全局坐标系中的方向,角度不用累加
先从\(theta\)和\(phi\)的球坐标变换到笛卡尔系,得到方向向量 d:
每个关节相对于上一关节的移动量为方向 d 乘标量长度
代码:
逆向运动学(二维机械臂)
逆向运动学:已知末端位置,求每个关节的角度
几何法(两节为例)
分别以轴线、末端目标位置为圆心,以第一、第二段机械臂长度为半径画圆,两个圆交点为关节的位置。
代码:
梯度下降法
从初始条件开始,先用正向运动学计算当前末端位置。
计算误差error
为目标位置和当前末端位置之间的偏差向量,目的是使这个量最小化。当误差小于某个阈值时停止计算。
雅可比矩阵J
表示末端位置对当前关节角度的偏导:
计算雅可比矩阵方法:给当前角度增加微小量delta
,计算末端移动距离,距离/增加的角度得到雅可比矩阵。
J
的转置用于表示反向传播,即用末端位置变化反向计算得到每个关节的角度变化。
希望改变小角度后使误差向量最小,即:
梯度下降法更新角度:角度增量 = 学习率 * 雅可比矩阵的转置和误差向量的乘积
- 学习率
lr
:决定每次调整关节角度的步长大小,每次计算增量后乘学习率表示实际调整的值 - 雅可比矩阵的转置和误差向量的乘积
J.T@error
:得到每个关节角度的调整增量
代码:
完整代码
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解析法
列数学表达式求解
代码:略 其实是 ai 写的有 bug,不放这里了
有限差分法
有限差分法(FDM)用于计算梯度
有限差分法用于数值计算导数,它通过计算函数值的变化率来近似导数。具体来说,对于一个函数 \(f(x)\),其导数 \(f'(x)\) 可以通过如下公式进行近似:
- 前向差分法:
- 后向差分法:
- 中心差分法(精度更高):
其中 \(h\) 是一个小的增量,通常选取非常小的数值(如 \(h = 1e-6\))。
Pros:
- 实现简单:适用于没有复杂微分工具的情况。
- 通用性强:可以用来近似任何类型的函数的导数。
Cons:
- 效率较低:每次计算导数都需要多次计算函数值,尤其在多维问题中会非常低效。
- 精度受限:取 \(h\) 的值时需要权衡计算精度与数值稳定性,且可能引入数值误差。
自动微分法
自动微分法同样用于计算函数的导数或梯度,可调用 python 中 autograd 或 jax
下面为 jax 的版本,其中loss_fn
为损失函数,希望使这个值最小。
代码:
刚体动力学(机器人仿真)
略
代码说明见下一个文件“rigid_body 代码说明” (ai 参与,仅供参考)
rigid_body.py 完整代码
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robot_config.py 完整代码
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