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四元數(shù)

 小小鳥楊艷強 2014-09-21
發(fā)這個帖子,主要是來源與之前思考的兩個問題:
1.不同的歐拉角旋轉(zhuǎn)順序,為什么四元數(shù)更新方程都一樣,但是得到的歐拉角僅僅只是更改歐拉角輸出方程。
2.不同的歐拉角旋轉(zhuǎn)順序,四元數(shù)更新方程一樣,為什么初始化方程卻不一樣,它們之間有什么聯(lián)系。


以下是我這段時間對這兩個問題的解釋,我不能保證是對的,如果是錯的,希望高人指出。
以免小生一錯再錯。

已知一個剛體V,通過旋轉(zhuǎn)到V’。
V--->V’用旋轉(zhuǎn)方式1進行旋轉(zhuǎn),得到roll1、pitch1、yaw1三個歐拉角。
V--->V’用旋轉(zhuǎn)方式2進行旋轉(zhuǎn),得到roll2、pitch2、yaw2三個歐拉角。
我們知道,已知歐拉角后,可以得到方向余弦矩陣。
兩種旋轉(zhuǎn)方式,得到方向余弦矩陣C1與C2.
得到矩陣后,已知V的向量坐標,可以得到V’的向量坐標

V’ = C1*V;

V’ = C2*V;

由以上可知,C1 = C2,也就是說,V--->V’,不管是以何種旋轉(zhuǎn)方式旋轉(zhuǎn),所得到的方向余弦矩陣都是相同的。也就是,讓V--->V’,兩種不同的旋轉(zhuǎn)方式下的 roll,pitch,yaw,沒有必然聯(lián)系。

換一句話說,用同樣的歐拉角進行兩種不同的旋轉(zhuǎn)順序?qū)傮wV進行旋轉(zhuǎn),得到剛體向量V1 與 V2,V1與V2之間沒有必然的聯(lián)系。

其實也不難想象,同樣的歐拉角,以不同的旋轉(zhuǎn)順序旋轉(zhuǎn),得到的剛體姿態(tài)之間沒有什么聯(lián)系。(基本不一樣,可能會有巧合一樣)
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[q0 q1 q2 q3]
剛體四元數(shù),表征了剛體的旋轉(zhuǎn)信息。

我們已知一個V--->V’的旋轉(zhuǎn):
旋轉(zhuǎn)軸向量[L        M        N]
繞旋轉(zhuǎn)軸的旋轉(zhuǎn)角度a
得到一個四元數(shù):
[q0                q1                q2                q3]
=
[cos(a/2)                L*sin(a/2)        M*sin(a/2)        N*sin(a/2)]

已知q0、q1、q2、q3得到一個坐標變換矩陣C3.
V’ = C3*V
其中C3 = C2 = C1

這樣我求出四元數(shù),就可以得到剛體的旋轉(zhuǎn)信息。
不同的旋轉(zhuǎn)方式,只要是V---V’,旋轉(zhuǎn)信息就是一樣的,我們通過四元數(shù)得到的變換矩陣C,都是一樣的,但是由于旋轉(zhuǎn)方式不同,所以求得的歐拉角套用的方程不一樣,得出的歐拉角也不一樣。
根據(jù)之前的設(shè)想,不同旋轉(zhuǎn)方式下的歐拉角之間,本來就沒有什么聯(lián)系。

所以我們程序和書里面,歐拉角更新方程,不管是以什么方式旋轉(zhuǎn)都是相同的。
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那為什么四元數(shù)的初始化會不一樣呢?
假設(shè)四元數(shù)初始化用同意的代碼,V--->V’,旋轉(zhuǎn)順序不一樣,旋轉(zhuǎn)順序不一樣,得到的歐拉角會不一樣、歐拉角不一樣,用同意的公式進行四元數(shù)初始化,就會得到不同的四元數(shù)。但都是V--->V’,只是旋轉(zhuǎn)方式不一樣,旋轉(zhuǎn)信息都是一樣的,四元數(shù)應該是一樣的這一條件想矛盾。



以上只是小生對近日的總結(jié),是一種復習,也希望對其他同仁有所幫助,更希望大神可以對我理解有誤的地方委婉拍磚。

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