Biological flying, gliding, and falling creatures are capable of extraordinary forms of inertial manoeuvring: free-space manoeuvring based on fine control of their multi-body dynamics, as typified by the self-righting reflexes of cats. However, designing inertial manoeuvring capability into biomimetic robots, such as biomimetic unmanned aerial vehicles (UAVs) is challenging. Accurately simulating the coupled multibody dynamics of these UAVs in a singularity-free context requires numerical integrators that can ensure both singularity-free integration, and momentum and energy conservation, in a strongly coupled system - properties unavailable in existing conventional integrators. In this work, we develop a pair of novel quaternion variational integrators (QVI) showing these properties, and demonstrate their capability for simulating inertial manoeuvring in a biomimetic UAV showing complex multibody-dynamics coupling. Being quaternion-valued, these QVIs are innately singularity-free; and being variational, they can show excellent energy and momentum conservation properties. We explore the effect of variational integration order (left-rectangle vs. midpoint) on the conservation properties of integrator, and conclude that, in complex coupled systems in which canonical momenta may be time-varying, the midpoint integrator is required. The resulting midpoint QVI is well-suited to the analysis of inertial manoeuvring in a biomimetic UAV - a feature that we demonstrate in simulation - and of other complex dynamical systems.


翻译:生物飞行、滑翔和坠落生物能够产生非同寻常的惯性动作:在精细控制其多体动态的精细控制下,如猫的自我调整反反射所典型的,在自由空间操纵的基础上,自由空间操纵。然而,将惯性操纵能力设计成生物模拟机器人,如生物模拟无人驾驶飞行器(UAVs),具有挑战性。精确地模拟这些无人驾驶飞行器在无奇异环境下的混合多体动态,这需要数字集成器,既能确保无奇异的整合,又能节能和节能。在一个紧密结合的系统中——现有传统集成器无法使用。在这项工作中,我们开发一对新型的四元变变变变变变变变机(QVI)来显示这些特性的特性,并展示生物合成的惯性动变异性。我们探索了这些变异性变换的变异性、变异性、变异性能的变异性、变异性变异性等。

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