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机器人动力学方程系列之首篇:牛顿-欧拉法

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简介:
本文为机器人动力学方程系列文章的第一部分,主要介绍了牛顿-欧拉法在计算机器人连杆系统动力学中的应用与原理。 机器人动力学方程(一):牛顿-欧拉法 本段落主要介绍利用牛顿-欧拉方法推导机器人的动力学方程。这种方法结合了牛顿力学定律与刚体的动力学特性,能够有效地描述机械臂等多连杆系统的运动情况。通过递归算法的应用,可以高效地计算出各关节的力和扭矩需求,在机器人设计及控制中具有重要应用价值。 文中将详细阐述该方法的基本原理、推导过程以及实际运用中的注意事项,并提供相应的示例以帮助读者更好地理解和掌握这一关键技术。

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    本文为机器人动力学方程系列文章的第一部分,主要介绍了牛顿-欧拉法在计算机器人连杆系统动力学中的应用与原理。 机器人动力学方程(一):牛顿-欧拉法 本段落主要介绍利用牛顿-欧拉方法推导机器人的动力学方程。这种方法结合了牛顿力学定律与刚体的动力学特性,能够有效地描述机械臂等多连杆系统的运动情况。通过递归算法的应用,可以高效地计算出各关节的力和扭矩需求,在机器人设计及控制中具有重要应用价值。 文中将详细阐述该方法的基本原理、推导过程以及实际运用中的注意事项,并提供相应的示例以帮助读者更好地理解和掌握这一关键技术。
  • -(NewtonEuler逆计算 NewtonEulerInverseDynamics.m)
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    本资源提供了一种基于牛顿-欧拉法求解机器人或机械系统逆动力学问题的MATLAB代码,通过输入运动数据直接计算出作用于各环节上的力和力矩。 用于建立机器人整机动力学方程,包含各关节变量及所受外力。
  • Gurobi 习讲座
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    本讲座为Gurobi机器学习系列讲座的第一讲,旨在介绍机器学习的基础概念、技术及其与优化建模的结合应用,适合初学者和专业人士。 Gurobi 机器学习讲座第一部分涵盖了机器学习以及求解最优化问题的相关资料。
  • ___piloteem_
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    《欧拉方法》是由piloteem创作的一部关于数学领域中经典数值分析技术的作品。该作品详细介绍了由十八世纪瑞士数学家莱昂哈德·欧拉提出的“欧拉法”,一种用于求解常微分方程的简单且直接的方法,适用于初学者和研究人员理解与应用。 欧拉方法以及改进的欧拉方法在MATLAB中的实现希望能对你有所帮助。
  • 【MATLAB源码】二自由度-格朗日模型
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    本资源提供一个详细的MATLAB代码实现,用于建立和分析二自由度机器人的欧拉-拉格朗日动力学模型。适合于研究与教育用途。 本代码使用拉格朗日欧拉动力学公式(J. J. Uicker, On the dynamic analysis of spatial linkages using 4 x 4 matrices, Ph.D. dissertation, Northwestern Univ., Aug. 1965)对二自由机器人的机械臂进行逆动力学分析。输入为关节空间变量,包括关节位置、速度和加速度,输出为关节力矩,从而得到机器人动力学模型。
  • 普森-MATLAB开发
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    本项目为MATLAB实现的牛顿-拉普森方法,用于求解非线性方程的根。通过迭代逼近技术高效地找到函数零点,适用于数值分析和工程计算中的精确需求。 **牛顿-拉普森法(Newton-Raphson Method)** 牛顿-拉普森法是一种数值迭代方法,常用于求解非线性方程。该方法基于泰勒级数展开,通过迭代的方式逐步逼近方程的根。在MATLAB环境中,我们可以利用此方法来解决各种复杂的非线性问题。 在MATLAB中实现牛顿-拉普森法的基本步骤如下: 1. **定义函数**: 你需要定义一个函数,该函数表示你想要求解的非线性方程f(x)。例如,如果我们要找到方程f(x) = x^3 - 2x - 5的根,我们需要定义函数: ```matlab function y = f(x) y = x^3 - 2*x - 5; end ``` 2. **定义导数函数**: 牛顿-拉普森法需要用到函数的导数,因此你也需要定义导数函数f(x)。在MATLAB中,可以这样定义: ```matlab function dy = df(x) dy = 3*x^2 - 2; end ``` 3. **初始化迭代**: 选择一个初始猜测值x0,这是求解过程的起点。 ```matlab x0 = 1; % 选择任意初始值 ``` 4. **迭代过程**: 应用牛顿-拉普森公式进行迭代,直到满足停止条件(如达到一定精度或最大迭代次数)。 ```matlab tol = 1e-6; % 设置精度阈值 maxIter = 100; % 设置最大迭代次数 iter = 0; while abs(f(x0)) > tol && iter < maxIter x1 = x0 - f(x0)/df(x0); % 牛顿-拉普森迭代公式 if abs(x1 - x0) < tol break; % 达到精度,退出循环 end x0 = x1; % 更新迭代值 iter = iter + 1; % 增加迭代次数 end ``` 5. **结果输出**: 输出最终解并检查迭代次数。 ```matlab fprintf(Root found: %.8f\n, x1); fprintf(Number of iterations: %d\n, iter); ``` 在MATLAB中,还可以使用内置的`fsolve`函数,它利用了牛顿-拉普森法和其他优化算法来简化求解过程。只需提供非线性方程的函数句柄和初始猜测值即可。 ```matlab fun = @(x) x^3 - 2*x - 5; % 方程作为匿名函数 [x, flag] = fsolve(fun, x0); % 使用fsolve求解 ``` `fsolve`会自动处理函数的导数,并根据需要调整迭代过程。在完成求解后,`flag`返回一个状态码,指示解的性质。 压缩包文件中可能包含了MATLAB代码示例,演示了如何应用牛顿-拉普森法来求解非线性方程。解压并研究这些文件将有助于更深入地理解该方法的实际应用。
  • 夫森:Matlab开发
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    本项目是基于Matlab实现的牛顿-拉夫森算法,用于求解非线性方程或方程组的根。通过迭代逼近,高效准确地找到数学问题的解决方案。 牛顿拉夫森方法是一种数值分析中的迭代法,用于求解非线性方程组。在MATLAB中,我们可以利用编程技巧实现这个算法,并解决实际工程和科学问题中遇到的复杂计算挑战。 1. 牛顿拉夫森方法基础: 牛顿拉夫森法是基于切线近似的思想来求解非线性方程 \( f(x) = 0 \) 的。它通过构造一个迭代公式:\[ x_{n+1} = x_n - \frac{f(x_n)}{f(x_n)} \] 其中,\( x_n \) 是第 n 次迭代的近似根,\( x_{n+1} \) 是下一次迭代的值。如果初始猜测足够接近真实根,并且函数 \( f \) 和其导数 \( f \) 在根附近连续,则该方法通常能快速收敛。 2. MATLAB实现步骤: (1) 定义函数:在MATLAB中定义非线性方程 \( f(x) \),这可以通过定义一个函数句柄或匿名函数来完成。 ```matlab f = @(x) x^3 - 2*x - 5; % 示例方程 ``` (2) 计算导数:为了执行牛顿拉夫森迭代,需要求出 \( f(x) \) 的导数。在MATLAB中,可以手动编写导数函数或使用符号计算工具箱。 ```matlab df = @(x) 3*x^2 - 2; % 示例导数 ``` (3) 初始化:选择一个合适的初始猜测值 \( x_0 \),并设置迭代次数上限和收敛准则。 ```matlab x0 = 1; % 初始猜测 maxIter = 100; % 最大迭代次数 tol = 1e-6; % 收敛阈值 ``` (4) 迭代过程:编写迭代循环,每次迭代计算新的近似值,直到达到收敛或最大迭代次数。 ```matlab nIter = 0; xn = x0; while nIter < maxIter xn1 = xn - f(xn)/df(xn); if abs(xn1 - xn) < tol break; % 达到收敛条件 end xn = xn1; nIter = nIter + 1; end ``` (5) 结果检查:检查迭代结果是否满足精度要求,并输出结果。 ```matlab if nIter == maxIter disp(未达到收敛); else disp([经过, num2str(nIter), 次迭代,根大约为:, num2str(xn)]); end ``` 3. 牛顿拉夫森的扩展与优化: - 防止发散:当方程导数在根附近接近零时,牛顿拉夫森方法可能会发散。可以采用线性搜索(例如Armijo规则)或拟牛顿法(如Broyden-Fletcher-Goldfarb-Shanno算法,简称BFGS)来改善。 - 处理多变量问题:对于多变量非线性方程组 \( F(x) = 0 \),牛顿拉夫森方法变为雅可比矩阵的求逆。在MATLAB中可以使用`fsolve`函数实现这一过程。 - 分支与切换策略:当存在多个根或局部最小值时,可能需要改变初始猜测或采用全局优化方法。 4. 在MATLAB中的应用: MATLAB提供了一系列工具箱支持牛顿拉夫森方法和其他数值优化算法。例如,可以使用 `newton` 函数解决一维方程求解问题,并用 `fsolve` 解决非线性方程组的求解问题。 通过理解其基本原理和熟练运用MATLAB编程,我们可以高效地利用牛顿拉夫森法来解决各种工程与科研中的非线性问题。在实际应用中结合适当的误差控制和优化策略,可以进一步提高该方法的效率和准确性。
  • -斐森解非线性
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    简介:牛顿-拉斐森法是一种迭代算法,用于求解非线性方程组。它通过线性化非线性系统逐步逼近根,广泛应用于工程、物理和数学等领域中复杂问题的数值求解。 非线性方程组在数学与工程领域普遍存在,解决这类问题的方法多样,牛顿-拉斐森方法因其高效性和广泛应用而备受青睐。它基于泰勒级数展开的原理,在每一步迭代中构建局部线性模型并预测下一个点的位置,以此逐步逼近解。 该方法的主要步骤如下: 1. **初始化**:选择一个初始猜测值 \(x_0\) 作为求解过程的起点。 2. **建立线性化模型**:对每个方程 \(f_i(x)\)(\(i=1,2,...,n\)),在当前迭代点 \(x_k\) 处进行一阶泰勒展开: \[ f_i(x) \approx f_i(x_k) + J_{ij}(x_k)(x - x_k) \] 其中,\(J_{ij}\) 是雅可比矩阵的第 \(i\) 行第 \(j\) 列元素。 3. **求解线性系统**:构造一个线性方程组 \(J(x_k)\Delta x = -f(x_k)\),这里 \(\Delta x\) 代表从当前迭代点到下一个点的步长,\(J(x_k)\) 是雅可比矩阵,而 \(f(x_k)\) 则是方程组在该点处函数值构成的向量。 4. **更新迭代位置**:利用求得的步长来更新迭代的位置:\[ x_{k+1} = x_k - \Delta x \] 5. **停止条件**:如果满足预定的终止准则(例如残差小于一定阈值或达到最大迭代次数),则结束循环;否则,返回步骤2继续进行。 牛顿-拉斐森法的优点在于其通常具有较快的收敛速度。然而,这种方法也存在一些问题: - **收敛性**:该方法的成功取决于初始猜测和方程的特点。如果选择得当且雅可比矩阵是满秩,则可以保证收敛;否则可能会发散或缓慢。 - **计算成本**:每次迭代都需要求解与原方程组大小相同的线性系统,在大规模问题中可能非常昂贵,因此需要高效的线性求解器和矩阵近似策略(如使用雅可比或高斯-塞德尔方法)来降低开销。 - **稳定性和局部特性**:牛顿法仅在初始点附近有效。如果起点远离实际根,则可能会失败或者收敛到错误的极小值。 文件D10R13.CPP和MNEWT.CPP可能包含用C++语言实现的具体方法,其中前者可能是特定求解策略或算法优化的代码,后者则更通用。通过阅读这些代码可以了解牛顿-拉斐森法在实际应用中的具体实现细节,包括如何计算导数、处理线性系统以及设定停止条件等。
  • 高频面经
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    本系列“高频面经”之机器学习篇汇集了面试中常见的问题和解答,深入浅出地讲解了机器学习的核心概念与技巧,旨在帮助读者高效备考技术岗位。 机器学习注重原理理解、算法对比及场景使用,应加强算法公式推导及多场景实战。以下试题为作者日常整理的通用高频面经,包含题目、答案与参考文章,欢迎纠正与补充。 1. 常见分类算法及其应用场景。 2. 逻辑回归推导。 3. SVM相关问题。 4. 核函数使用方法。 5. 生成模型和判别模型的基本形式。 6. ID3, C4.5 和 CART的区别。 7. 交叉熵公式的原理说明。 8. L1 和 L2 正则化的区别解释。 9. 传统机器学习模型的种类介绍。 10. k-means算法流程详解。 11. DBSCAN和Kmeans对比分析。 12. LDA(线性判别分析)的基本原理阐述。 13. PCA与SVD之间的关系探讨。 14. 推荐系统常用模型概述。 15. 协同过滤的应用场景及冷启动问题。
  • -夫森的Matlab代码-数实现
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    本简介提供了一段用于实现牛顿-拉夫森迭代法的MATLAB代码,该算法广泛应用于求解非线性方程组。文中详细阐述了如何通过编程手段寻找函数零点的高效路径,是学习数值分析和优化方法的重要资源。 在数值分析领域,牛顿法又称为牛顿-拉夫森方法,以艾萨克·牛顿与约瑟夫·拉夫森的名字命名,是一种寻找实值函数零点的迭代算法。其最基础的形式是从单变量实数函数f及其导数f出发,并且需要一个初始猜测x0作为起始点来逼近根的位置。 举个例子:如果输入的初始估计是2,设定误差界限为0.001,则通过牛顿法得到的结果会接近于2.707。