مهندسی مکانیک مدرس

مهندسی مکانیک مدرس

شرایط پایداری و کاربردی تقریب‌های خطی و گسسته سینماتیک کواترنیون

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسنده
پژوهشگاه هوافضا، تهران، ایرن
10.48311/mme.2026.120260.83009
چکیده
سینماتیک کواترنیون یک مدل بدون تکینگی و از نظر محاسباتی کارآمد برای مدل سازی حرکت دورانی در سیستم‌های هوافضایی، رباتیک، ناوبری و بینایی کامپیوتر ارائه می‌دهد. مدل سینماتیک کواترنیون زمان پیوسته، نمایش دقیقی از تغییرات وضعیت جسم صلب تحت ورودی‌های سرعت زاویه‌ای ارائه می‌دهد. با این حال، پیاده‌سازی‌های عملی در سیستم‌های کنترل دیجیتال، الگوریتم‌های تخمین و پلتفرم‌ها و سیستم‌های نهفته نیاز به تقریب‌های خطی و گسسته از مدل زمان پیوسته غیرخطی اصلی دارند. این تقریب‌ها ناگزیر خطاهای مدل‌سازی، خطاهای عددی و مشکلات پایداری را ایجاد می‌کنند که عملکرد سیستم را تحت تاثیر قرار می‌دهند. در این مقاله مدل‌های مختلف خطی و گسسته از سینماتیک کواترنیون مورد ارزیابی قرار می‌گیرد. در این راستا ابتدا روابط بین معادله دیفرانسیل کواترنیون زمان پیوسته دقیق و نمایش‌های خطی و گسسته آن که در مراجع مختلف معرفی و استفاده شده‌اند، استخراج می‌شود. سپس، خطاهای تقریب، خواص پایداری و محدودیت‌های نرمال‌سازی تحت مقادیر سرعت زاویه‌ای متغیر و بازه‌های نمونه‌برداری مختلف تجزیه و تحلیل می‌شوند. این تجزیه و تحلیل، ارتباط بین کارایی و دقت محاسباتی، به ویژه در سناریوهای چرخشی با دینامیک بالا را برجسته می‌کند. در نهایت، محدودیت‌های مدل‌های ساده شده خطی و گسسته در زمینه کاربرد آنها در فیلترهای تخمین وضعیت، طراحی کنترلر و سیستم‌های نهفته بلادرنگ مورد بحث قرار می‌گیرد. در نتیجه بینش کمی و ساختاری در مورد اینکه چه زمانی مدل‌های کواترنیون خطی و گسسته معتبر باقی می‌مانند و چه زمانی تقریب‌های مرتبه بالاتر یا دقیق‌تر ضروری هستند، ارائه می‌دهد.
کلیدواژه‌ها
موضوعات

عنوان مقاله English

Stability conditions and applicability of linear and discrete approximations of quaternion kinematics

نویسنده English

Ghasem Kahe
ARI,, Tehran, IRAN
چکیده English

Quaternion kinematics provides a singularity-free and computationally efficient model for modeling rotational motion in aerospace, robotics, navigation, and computer vision systems. The continuous-time quaternion kinematics model provides an accurate representation of the state changes of a rigid body under angular velocity inputs. However, practical implementations in digital control systems, estimation algorithms, and embedded platforms and systems require linear or discrete approximations of the original nonlinear continuous-time model. These approximations inevitably introduce modeling errors, numerical drift, and stability concerns that may degrade system performance. In this paper, various linear and discrete models of quaternion kinematics are evaluated. In this regard, first, the relationships between the exact continuous-time quaternion differential equation and its linear and discrete representations, which have been introduced and used in various references, are derived. Then, the approximation errors, stability properties, and normalization limits are analyzed under varying angular velocity values and different sampling intervals. This analysis highlights the relationship between computational efficiency and accuracy, especially in highly dynamic rotational regimes. Finally, the limitations of simplified linear and discrete models are discussed in the context of their application in state estimation filters, controller design, and real-time embedded systems. As a result, quantitative and structural insights are provided on when linear and discrete quaternion models remain valid and when higher-order or more precise integration schemes are necessary.

کلیدواژه‌ها English

Attitude Dynamics
Quaternion Kinematics
Linearization
Discertization
Modelling Error

مقالات آماده انتشار، پذیرفته شده
انتشار آنلاین از 31 شهریور 1405