~dinko-metalac/calculus-app2/trunk

« back to all changes in this revision

Viewing changes to lib/py/sympy/physics/mechanics/tests/test_kane3.py

  • Committer: dinko.metalac at gmail
  • Date: 2015-04-14 13:28:14 UTC
  • Revision ID: dinko.metalac@gmail.com-20150414132814-j25k3qd7sq3warup
new sympy

Show diffs side-by-side

added added

removed removed

Lines of Context:
 
1
from sympy import evalf, symbols, zeros, pi, sin, cos, sqrt, acos, Matrix
 
2
from sympy.physics.mechanics import (ReferenceFrame, dynamicsymbols, inertia,
 
3
                                     KanesMethod, RigidBody, Point, dot)
 
4
from sympy.utilities.pytest import slow, ON_TRAVIS, skip
 
5
 
 
6
@slow
 
7
def test_bicycle():
 
8
    if ON_TRAVIS:
 
9
        skip("Too slow for travis.")
 
10
    # Code to get equations of motion for a bicycle modeled as in:
 
11
    # J.P Meijaard, Jim M Papadopoulos, Andy Ruina and A.L Schwab. Linearized
 
12
    # dynamics equations for the balance and steer of a bicycle: a benchmark
 
13
    # and review. Proceedings of The Royal Society (2007) 463, 1955-1982
 
14
    # doi: 10.1098/rspa.2007.1857
 
15
 
 
16
    # Note that this code has been crudely ported from Autolev, which is the
 
17
    # reason for some of the unusual naming conventions. It was purposefully as
 
18
    # similar as possible in order to aide debugging.
 
19
 
 
20
    # Declare Coordinates & Speeds
 
21
    # Simple definitions for qdots - qd = u
 
22
    # Speeds are: yaw frame ang. rate, roll frame ang. rate, rear wheel frame
 
23
    # ang.  rate (spinning motion), frame ang. rate (pitching motion), steering
 
24
    # frame ang. rate, and front wheel ang. rate (spinning motion).
 
25
    # Wheel positions are ignorable coordinates, so they are not introduced.
 
26
    q1, q2, q4, q5 = dynamicsymbols('q1 q2 q4 q5')
 
27
    q1d, q2d, q4d, q5d = dynamicsymbols('q1 q2 q4 q5', 1)
 
28
    u1, u2, u3, u4, u5, u6 = dynamicsymbols('u1 u2 u3 u4 u5 u6')
 
29
    u1d, u2d, u3d, u4d, u5d, u6d = dynamicsymbols('u1 u2 u3 u4 u5 u6', 1)
 
30
 
 
31
    # Declare System's Parameters
 
32
    WFrad, WRrad, htangle, forkoffset = symbols('WFrad WRrad htangle forkoffset')
 
33
    forklength, framelength, forkcg1 = symbols('forklength framelength forkcg1')
 
34
    forkcg3, framecg1, framecg3, Iwr11 = symbols('forkcg3 framecg1 framecg3 Iwr11')
 
35
    Iwr22, Iwf11, Iwf22, Iframe11 = symbols('Iwr22 Iwf11 Iwf22 Iframe11')
 
36
    Iframe22, Iframe33, Iframe31, Ifork11 = symbols('Iframe22 Iframe33 Iframe31 Ifork11')
 
37
    Ifork22, Ifork33, Ifork31, g = symbols('Ifork22 Ifork33 Ifork31 g')
 
38
    mframe, mfork, mwf, mwr = symbols('mframe mfork mwf mwr')
 
39
 
 
40
    # Set up reference frames for the system
 
41
    # N - inertial
 
42
    # Y - yaw
 
43
    # R - roll
 
44
    # WR - rear wheel, rotation angle is ignorable coordinate so not oriented
 
45
    # Frame - bicycle frame
 
46
    # TempFrame - statically rotated frame for easier reference inertia definition
 
47
    # Fork - bicycle fork
 
48
    # TempFork - statically rotated frame for easier reference inertia definition
 
49
    # WF - front wheel, again posses a ignorable coordinate
 
50
    N = ReferenceFrame('N')
 
51
    Y = N.orientnew('Y', 'Axis', [q1, N.z])
 
52
    R = Y.orientnew('R', 'Axis', [q2, Y.x])
 
53
    Frame = R.orientnew('Frame', 'Axis', [q4 + htangle, R.y])
 
54
    WR = ReferenceFrame('WR')
 
55
    TempFrame = Frame.orientnew('TempFrame', 'Axis', [-htangle, Frame.y])
 
56
    Fork = Frame.orientnew('Fork', 'Axis', [q5, Frame.x])
 
57
    TempFork = Fork.orientnew('TempFork', 'Axis', [-htangle, Fork.y])
 
58
    WF = ReferenceFrame('WF')
 
59
 
 
60
    # Kinematics of the Bicycle First block of code is forming the positions of
 
61
    # the relevant points
 
62
    # rear wheel contact -> rear wheel mass center -> frame mass center +
 
63
    # frame/fork connection -> fork mass center + front wheel mass center ->
 
64
    # front wheel contact point
 
65
    WR_cont = Point('WR_cont')
 
66
    WR_mc = WR_cont.locatenew('WR_mc', WRrad * R.z)
 
67
    Steer = WR_mc.locatenew('Steer', framelength * Frame.z)
 
68
    Frame_mc = WR_mc.locatenew('Frame_mc', - framecg1 * Frame.x
 
69
                                           + framecg3 * Frame.z)
 
70
    Fork_mc = Steer.locatenew('Fork_mc', - forkcg1 * Fork.x
 
71
                                         + forkcg3 * Fork.z)
 
72
    WF_mc = Steer.locatenew('WF_mc', forklength * Fork.x + forkoffset * Fork.z)
 
73
    WF_cont = WF_mc.locatenew('WF_cont', WFrad * (dot(Fork.y, Y.z) * Fork.y -
 
74
                                                  Y.z).normalize())
 
75
 
 
76
    # Set the angular velocity of each frame.
 
77
    # Angular accelerations end up being calculated automatically by
 
78
    # differentiating the angular velocities when first needed.
 
79
    # u1 is yaw rate
 
80
    # u2 is roll rate
 
81
    # u3 is rear wheel rate
 
82
    # u4 is frame pitch rate
 
83
    # u5 is fork steer rate
 
84
    # u6 is front wheel rate
 
85
    Y.set_ang_vel(N, u1 * Y.z)
 
86
    R.set_ang_vel(Y, u2 * R.x)
 
87
    WR.set_ang_vel(Frame, u3 * Frame.y)
 
88
    Frame.set_ang_vel(R, u4 * Frame.y)
 
89
    Fork.set_ang_vel(Frame, u5 * Fork.x)
 
90
    WF.set_ang_vel(Fork, u6 * Fork.y)
 
91
 
 
92
    # Form the velocities of the previously defined points, using the 2 - point
 
93
    # theorem (written out by hand here).  Accelerations again are calculated
 
94
    # automatically when first needed.
 
95
    WR_cont.set_vel(N, 0)
 
96
    WR_mc.v2pt_theory(WR_cont, N, WR)
 
97
    Steer.v2pt_theory(WR_mc, N, Frame)
 
98
    Frame_mc.v2pt_theory(WR_mc, N, Frame)
 
99
    Fork_mc.v2pt_theory(Steer, N, Fork)
 
100
    WF_mc.v2pt_theory(Steer, N, Fork)
 
101
    WF_cont.v2pt_theory(WF_mc, N, WF)
 
102
 
 
103
    # Sets the inertias of each body. Uses the inertia frame to construct the
 
104
    # inertia dyadics. Wheel inertias are only defined by principle moments of
 
105
    # inertia, and are in fact constant in the frame and fork reference frames;
 
106
    # it is for this reason that the orientations of the wheels does not need
 
107
    # to be defined. The frame and fork inertias are defined in the 'Temp'
 
108
    # frames which are fixed to the appropriate body frames; this is to allow
 
109
    # easier input of the reference values of the benchmark paper. Note that
 
110
    # due to slightly different orientations, the products of inertia need to
 
111
    # have their signs flipped; this is done later when entering the numerical
 
112
    # value.
 
113
 
 
114
    Frame_I = (inertia(TempFrame, Iframe11, Iframe22, Iframe33, 0, 0, Iframe31), Frame_mc)
 
115
    Fork_I = (inertia(TempFork, Ifork11, Ifork22, Ifork33, 0, 0, Ifork31), Fork_mc)
 
116
    WR_I = (inertia(Frame, Iwr11, Iwr22, Iwr11), WR_mc)
 
117
    WF_I = (inertia(Fork, Iwf11, Iwf22, Iwf11), WF_mc)
 
118
 
 
119
    # Declaration of the RigidBody containers. ::
 
120
 
 
121
    BodyFrame = RigidBody('BodyFrame', Frame_mc, Frame, mframe, Frame_I)
 
122
    BodyFork = RigidBody('BodyFork', Fork_mc, Fork, mfork, Fork_I)
 
123
    BodyWR = RigidBody('BodyWR', WR_mc, WR, mwr, WR_I)
 
124
    BodyWF = RigidBody('BodyWF', WF_mc, WF, mwf, WF_I)
 
125
 
 
126
 
 
127
    # The kinematic differential equations; they are defined quite simply. Each
 
128
    # entry in this list is equal to zero.
 
129
    kd = [q1d - u1, q2d - u2, q4d - u4, q5d - u5]
 
130
 
 
131
    # The nonholonomic constraints are the velocity of the front wheel contact
 
132
    # point dotted into the X, Y, and Z directions; the yaw frame is used as it
 
133
    # is "closer" to the front wheel (1 less DCM connecting them). These
 
134
    # constraints force the velocity of the front wheel contact point to be 0
 
135
    # in the inertial frame; the X and Y direction constraints enforce a
 
136
    # "no-slip" condition, and the Z direction constraint forces the front
 
137
    # wheel contact point to not move away from the ground frame, essentially
 
138
    # replicating the holonomic constraint which does not allow the frame pitch
 
139
    # to change in an invalid fashion.
 
140
 
 
141
    conlist_speed = [WF_cont.vel(N) & Y.x, WF_cont.vel(N) & Y.y, WF_cont.vel(N) & Y.z]
 
142
 
 
143
    # The holonomic constraint is that the position from the rear wheel contact
 
144
    # point to the front wheel contact point when dotted into the
 
145
    # normal-to-ground plane direction must be zero; effectively that the front
 
146
    # and rear wheel contact points are always touching the ground plane. This
 
147
    # is actually not part of the dynamic equations, but instead is necessary
 
148
    # for the lineraization process.
 
149
 
 
150
    conlist_coord = [WF_cont.pos_from(WR_cont) & Y.z]
 
151
 
 
152
    # The force list; each body has the appropriate gravitational force applied
 
153
    # at its mass center.
 
154
    FL = [(Frame_mc, -mframe * g * Y.z),
 
155
        (Fork_mc, -mfork * g * Y.z),
 
156
        (WF_mc, -mwf * g * Y.z),
 
157
        (WR_mc, -mwr * g * Y.z)]
 
158
    BL = [BodyFrame, BodyFork, BodyWR, BodyWF]
 
159
 
 
160
 
 
161
    # The N frame is the inertial frame, coordinates are supplied in the order
 
162
    # of independent, dependent coordinates, as are the speeds. The kinematic
 
163
    # differential equation are also entered here.  Here the dependent speeds
 
164
    # are specified, in the same order they were provided in earlier, along
 
165
    # with the non-holonomic constraints.  The dependent coordinate is also
 
166
    # provided, with the holonomic constraint.  Again, this is only provided
 
167
    # for the linearization process.
 
168
 
 
169
    KM = KanesMethod(N, q_ind=[q1, q2, q5],
 
170
            q_dependent=[q4], configuration_constraints=conlist_coord,
 
171
            u_ind=[u2, u3, u5],
 
172
            u_dependent=[u1, u4, u6], velocity_constraints=conlist_speed,
 
173
            kd_eqs=kd)
 
174
    (fr, frstar) = KM.kanes_equations(FL, BL)
 
175
 
 
176
    # This is the start of entering in the numerical values from the benchmark
 
177
    # paper to validate the eigen values of the linearized equations from this
 
178
    # model to the reference eigen values. Look at the aforementioned paper for
 
179
    # more information. Some of these are intermediate values, used to
 
180
    # transform values from the paper into the coordinate systems used in this
 
181
    # model.
 
182
    PaperRadRear                    =  0.3
 
183
    PaperRadFront                   =  0.35
 
184
    HTA                             =  evalf.N(pi / 2 - pi / 10)
 
185
    TrailPaper                      =  0.08
 
186
    rake                            =  evalf.N(-(TrailPaper*sin(HTA)-(PaperRadFront*cos(HTA))))
 
187
    PaperWb                         =  1.02
 
188
    PaperFrameCgX                   =  0.3
 
189
    PaperFrameCgZ                   =  0.9
 
190
    PaperForkCgX                    =  0.9
 
191
    PaperForkCgZ                    =  0.7
 
192
    FrameLength                     =  evalf.N(PaperWb*sin(HTA)-(rake-(PaperRadFront-PaperRadRear)*cos(HTA)))
 
193
    FrameCGNorm                     =  evalf.N((PaperFrameCgZ - PaperRadRear-(PaperFrameCgX/sin(HTA))*cos(HTA))*sin(HTA))
 
194
    FrameCGPar                      =  evalf.N((PaperFrameCgX / sin(HTA) + (PaperFrameCgZ - PaperRadRear - PaperFrameCgX / sin(HTA) * cos(HTA)) * cos(HTA)))
 
195
    tempa                           =  evalf.N((PaperForkCgZ - PaperRadFront))
 
196
    tempb                           =  evalf.N((PaperWb-PaperForkCgX))
 
197
    tempc                           =  evalf.N(sqrt(tempa**2+tempb**2))
 
198
    PaperForkL                      =  evalf.N((PaperWb*cos(HTA)-(PaperRadFront-PaperRadRear)*sin(HTA)))
 
199
    ForkCGNorm                      =  evalf.N(rake+(tempc * sin(pi/2-HTA-acos(tempa/tempc))))
 
200
    ForkCGPar                       =  evalf.N(tempc * cos((pi/2-HTA)-acos(tempa/tempc))-PaperForkL)
 
201
 
 
202
    # Here is the final assembly of the numerical values. The symbol 'v' is the
 
203
    # forward speed of the bicycle (a concept which only makes sense in the
 
204
    # upright, static equilibrium case?). These are in a dictionary which will
 
205
    # later be substituted in. Again the sign on the *product* of inertia
 
206
    # values is flipped here, due to different orientations of coordinate
 
207
    # systems.
 
208
    v = symbols('v')
 
209
    val_dict = {WFrad: PaperRadFront,
 
210
                WRrad: PaperRadRear,
 
211
                htangle: HTA,
 
212
                forkoffset: rake,
 
213
                forklength: PaperForkL,
 
214
                framelength: FrameLength,
 
215
                forkcg1: ForkCGPar,
 
216
                forkcg3: ForkCGNorm,
 
217
                framecg1: FrameCGNorm,
 
218
                framecg3: FrameCGPar,
 
219
                Iwr11: 0.0603,
 
220
                Iwr22: 0.12,
 
221
                Iwf11: 0.1405,
 
222
                Iwf22: 0.28,
 
223
                Ifork11: 0.05892,
 
224
                Ifork22: 0.06,
 
225
                Ifork33: 0.00708,
 
226
                Ifork31: 0.00756,
 
227
                Iframe11: 9.2,
 
228
                Iframe22: 11,
 
229
                Iframe33: 2.8,
 
230
                Iframe31: -2.4,
 
231
                mfork: 4,
 
232
                mframe: 85,
 
233
                mwf: 3,
 
234
                mwr: 2,
 
235
                g: 9.81,
 
236
                q1: 0,
 
237
                q2: 0,
 
238
                q4: 0,
 
239
                q5: 0,
 
240
                u1: 0,
 
241
                u2: 0,
 
242
                u3: v / PaperRadRear,
 
243
                u4: 0,
 
244
                u5: 0,
 
245
                u6: v / PaperRadFront}
 
246
 
 
247
    # Linearizes the forcing vector; the equations are set up as MM udot =
 
248
    # forcing, where MM is the mass matrix, udot is the vector representing the
 
249
    # time derivatives of the generalized speeds, and forcing is a vector which
 
250
    # contains both external forcing terms and internal forcing terms, such as
 
251
    # centripital or coriolis forces.  This actually returns a matrix with as
 
252
    # many rows as *total* coordinates and speeds, but only as many columns as
 
253
    # independent coordinates and speeds.
 
254
 
 
255
    forcing_lin = KM.linearize()[0]
 
256
 
 
257
    # As mentioned above, the size of the linearized forcing terms is expanded
 
258
    # to include both q's and u's, so the mass matrix must have this done as
 
259
    # well.  This will likely be changed to be part of the linearized process,
 
260
    # for future reference.
 
261
    MM_full = KM.mass_matrix_full
 
262
 
 
263
    MM_full_s = MM_full.subs(val_dict)
 
264
    forcing_lin_s = forcing_lin.subs(KM.kindiffdict()).subs(val_dict)
 
265
 
 
266
 
 
267
    MM_full_s = MM_full_s.evalf()
 
268
    forcing_lin_s = forcing_lin_s.evalf()
 
269
 
 
270
    # Finally, we construct an "A" matrix for the form xdot = A x (x being the
 
271
    # state vector, although in this case, the sizes are a little off). The
 
272
    # following line extracts only the minimum entries required for eigenvalue
 
273
    # analysis, which correspond to rows and columns for lean, steer, lean
 
274
    # rate, and steer rate.
 
275
    Amat = MM_full_s.inv() * forcing_lin_s
 
276
    A = Amat.extract([1, 2, 4, 6], [1, 2, 3, 5])
 
277
 
 
278
    # Precomputed for comparison
 
279
    Res = Matrix([[               0,                                           0,                  1.0,                    0],
 
280
                  [               0,                                           0,                    0,                  1.0],
 
281
                  [9.48977444677355, -0.891197738059089*v**2 - 0.571523173729245, -0.105522449805691*v, -0.330515398992311*v],
 
282
                  [11.7194768719633,   -1.97171508499972*v**2 + 30.9087533932407,   3.67680523332152*v,  -3.08486552743311*v]])
 
283
 
 
284
 
 
285
    # Actual eigenvalue comparison
 
286
    eps = 1.e-12
 
287
    for i in range(6):
 
288
        error = Res.subs(v, i) - A.subs(v, i)
 
289
        assert all(abs(x) < eps for x in error)