圆弧插值算法(有代码)

1、圆弧插值算法理论
弧形运动是机械臂呈直线运动轨迹的一种补充轨迹方式,在空间坐标系中,直角插补算法采用的是两点之间取任意个插值点构成一条直线, 圆弧插补算法则是通过在空间中选择三个不共面点,确定一个空间圆弧,之后转化为平面圆弧问题进行求解。
如图4-3所示,OoXoYqZo坐标系中存在 A(x,Jy,2小B(x2, 2.z2), C(2,Yg, z)构成的空间圆弧,A、B、C三点以A点建立新的坐标系0,XYZ.其中Z轴坐标都为0,此时空间圆弧就转换到了平面圆弧进行插值规划轨迹。

空间圆弧转化为平面圆弧
为确定角度利于插补,设定圆弧的圆心 在 坐标系中的原点位置,如图所示,分别构造辅助线 ,同时满足可

平面圆弧插补图
依据渊足条件求出圆心坐标,圆弧半径为 ,求出A、C两点间距离 根据R、d得到圖心角a = 2arcsin[d/2R].确定出相关参数后,对圆心角a进行N次插补,角位移插补增量为 各插补点计算方式如下所示:

根据第三章机械臂相对坐标系变换知识,在坐标系 进行插值后需要将所有插值点转换原坐标系 中,变化矩阵F如下所示。设某插补点在坐标系 中坐标为[Rxo, Ryo, R2o],通过位姿变换得到坐标系 下的坐标[Rx1, Ry1, R23]

矩阵F是由圆弧上各点在坐标系 的坐标和矢量X1,Y1,z1的方向余弦向量构成,如下所示:

将X,Y Z分别依次化为单位向量{nx, ny, nZ},{Ox 0y, 0Z},{ax, ay, az}带入到位姿矩阵N中,求出机械臂位姿矩阵各参数后通过求逆得到各插补点的关节变量,机械臂进行动作执行呈圆弧形轨迹运动。
设定起始点为(4,3,3) 终点为(3,1,-1) ,中间点为(2,2,0), 插补次数N=21,圆弧运动轨迹共插入20个中间点。得到机械臂轨迹仿真图如下所示:

2、代码
clear;clc,close all;
%% 给定三个末端的空间位置 ,三组参考值
m=0.001;
p1=[-100,150,180]*m;p2=[-150,0,150]*m;p3=[0,-139,131]*m;StepSize=30; %定义空间三个点,用于圆弧插值
%% 圆弧插补
%输入参数 p1, p2, p3为1x3的矩阵,StepSize为插补点的个数,
% 输出参数Q为(step+1)x6的矩阵,ChaBuType为插补的类型
% ChaBuType>0: 圆弧
% ChaBuType = -1:输入数据有问题
% ChaBuType = -2:三点共线
[T,ChaBuType] = ArcLinearInterpolation(p1, p2, p3,StepSize); %圆弧插值,pos为3x(step+1)的矩阵为插值点

%%
plot3(T(1:end,1),T(1:end,2),T(1:end,3),‘b*’);
% axis(W); %设置坐标轴范围
hold on;grid on;
% axis([-0.3 0.1 -0.3 0.34 0.2 0.35])
plot3(p1(1),p1(2),p1(3),‘o’,‘color’,‘m’);
plot3(p2(1),p2(2),p2(3),‘o’,‘color’,‘c’);
plot3(p3(1),p3(2),p3(3),‘o’,‘color’,‘r’);
xlabel(‘x’),ylabel(‘y’);zlabel(‘z’);
在这里插入图片描述

下载咨询链接:matlab正逆运动学分析与轨迹规划]
完整代码见下载链接

或者联系扣扣2386317960

以下是一个复杂的空间圆弧轨迹算法代码,它使用了三次贝塞尔曲线和插值法来生成平滑的圆弧轨迹: ```c++ // 计算三次贝塞尔曲线上的点 Point3D bezier(Point3D p0, Point3D p1, Point3D p2, Point3D p3, double t) { double t2 = t * t; double t3 = t2 * t; double u = 1 - t; double u2 = u * u; double u3 = u2 * u; double x = u3 * p0.x + 3 * u2 * t * p1.x + 3 * u * t2 * p2.x + t3 * p3.x; double y = u3 * p0.y + 3 * u2 * t * p1.y + 3 * u * t2 * p2.y + t3 * p3.y; double z = u3 * p0.z + 3 * u2 * t * p1.z + 3 * u * t2 * p2.z + t3 * p3.z; return Point3D(x, y, z); } // 计算圆弧插值点 Point3D interpolateArc(Point3D start, Point3D end, Point3D center, double radius, bool clockwise, double t) { // 计算起点和终点相对于圆心的向量 Vector3D startToCenter = center - start; Vector3D endToCenter = center - end; // 计算圆心角度 double startAngle = atan2(startToCenter.y, startToCenter.x); double endAngle = atan2(endToCenter.y, endToCenter.x); double angle = clockwise ? (startAngle - endAngle) : (endAngle - startAngle); // 确保角度是正值 if (angle < 0) { angle += 2 * M_PI; } // 计算圆心角度对应的参数值 double t0 = 0; double t1 = angle / (2 * M_PI); // 计算起点和终点对应的参数值 double tStart = t0 + (t1 - t0) * 0.1; double tEnd = t1 - (t1 - t0) * 0.1; // 计算起点、终点和圆心对应的贝塞尔控制点 Point3D startControl = start + startToCenter * 0.33; Point3D endControl = end + endToCenter * 0.33; Vector3D startToEnd = end - start; Vector3D startToCenterNormalized = startToCenter.normalized(); Vector3D startToEndNormalized = startToEnd.normalized(); Point3D centerControl = center + startToCenterNormalized.cross(startToEndNormalized) * radius * 0.33; // 计算三次贝塞尔曲线上的点 Point3D p0 = start; Point3D p1 = startControl; Point3D p2 = centerControl; Point3D p3 = endControl; Point3D p4 = end; if (t < tStart) { return p0; } else if (t < tEnd) { double tNormalized = (t - tStart) / (tEnd - tStart); return bezier(p0, p1, p2, p3, tNormalized); } else { return p4; } } // 生成圆弧轨迹 void generateArcTrajectory(Point3D start, Point3D end, Point3D center, double radius, bool clockwise, double step) { // 计算圆心角度 Vector3D startToCenter = center - start; Vector3D endToCenter = center - end; double startAngle = atan2(startToCenter.y, startToCenter.x); double endAngle = atan2(endToCenter.y, endToCenter.x); double angle = clockwise ? (startAngle - endAngle) : (endAngle - startAngle); if (angle < 0) { angle += 2 * M_PI; } // 计算插补步长 if (step < 0.01) { step = 0.01; } // 从起点开始插补 for (double t = 0; t <= 1; t += step / angle) { // 计算插值点 Point3D p = interpolateArc(start, end, center, radius, clockwise, t); // 输出当前点的坐标 printf("(%lf, %lf, %lf)\n", p.x, p.y, p.z); } } ``` 在这个代码中,我们首先定义了一个计算三次贝塞尔曲线上的点的函数 `bezier`。然后,我们定义了一个计算圆弧插值点的函数 `interpolateArc`,该函数根据输入的起点、终点、圆心和半径,计算出圆弧上对应参数值为 `t` 的点。该函数首先计算起点和终点相对于圆心的向量,然后计算圆心角度。接下来,我们计算圆心角度对应的参数范围,并计算起点、终点和圆心对应的贝塞尔控制点。最后,我们根据三次贝塞尔曲线计算出插值点。 最后,我们定义了一个生成圆弧轨迹的函数 `generateArcTrajectory`。该函数首先计算圆心角度和插补步长。然后,我们从起点开始插补,逐步计算圆弧上的点的坐标,并输出每个点的坐标。在计算每个点的坐标时,我们使用 `interpolateArc` 函数来插值计算。
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