Eigen::Quaterniond 解析

在四元数与四元数相乘中,Eigen::Quaterniond A,B A*B和B*A的区别是什么?

Eigen::Quaterniond是表示四元数的类,四元数的乘法是 非交换 的,也就是说,A * BB * A 结果通常不同。

区别:

  • A * B: 这是先应用四元数 B 旋转,然后应用四元数 A 旋转,意味着 AB 施加旋转作用。
  • B * A: 这是先应用四元数 A 旋转,然后应用四元数 B 旋转,意味着 BA 施加旋转作用。

物理意义:

四元数旋转的乘法顺序会影响最终的旋转方向,通常在几何变换中:

  • A * B 代表的是先执行 B 的旋转,再执行 A 的旋转,按顺序执行。
  • B * A 代表的是先执行 A 的旋转,再执行 B 的旋转。

假设四元数 A 代表绕某个轴的旋转,而四元数 B 代表绕另一个轴的旋转。如果顺序不同,最终的旋转方向会不同。即使 AB 是相同的旋转操作,换乘顺序会改变结果。

Eigen::Quaterniond数据结构

Eigen::Quaterniond 类使用以下数据结构来存储四元数:

  1. 标量部分(Real part):表示四元数的实部,通常记为 w。
  2. 向量部分(Imaginary part):表示四元数的虚部,通常记为 x,y,z,它们构成一个三维向量。

内部数据存储是以一组浮动的数值来表示的,通常是一个 Eigen::Vector4d,这表示四元数的4个分量:(w, x, y, z)

通过四元数可以对向量进行旋转。假设有一个旋转的四元数 q,可以使用 q * vector 来旋转一个三维向量

### 使用 Qt 实现机器人文件加载及正逆运动学分析 为了实现基于 Qt 的机器人文件加载以及正逆运动学分析的功能,可以按照以下结构化的方式设计程序。以下是具体的实现细节: --- #### 1. **项目配置与依赖管理** 在开发之前,需确保项目的构建工具链正确配置了所需的第三方库(如 Coin3D 或 Robotics Library)。通过 CMake 或 qmake 进行依赖管理。 ##### 使用 CMake 配置: ```cmake find_package(Qt5 COMPONENTS Core Gui Widgets REQUIRED) find_package(Coin3D REQUIRED) add_executable(RobotSimulator main.cpp Robot.cpp Robot.h MainWindow.cpp MainWindow.h) target_link_libraries(RobotSimulator PRIVATE Qt5::Core Qt5::Gui Qt5::Widgets Coin3D::SoQt) ``` ##### 使用 qmake 配置: ```plaintext QT += core gui widgets opengl CONFIG += c++17 LIBS += -lCoin -lSoQt INCLUDEPATH += /path/to/coin/include DEPENDPATH += /path/to/coin/include ``` 以上配置确保了项目能够访问 Coin3D 和 Qt GUI 功能[^1]。 --- #### 2. **机器人文件加载** 利用 Coin3D 提供的 VRML 文件解析能力,可以轻松加载三维模型文件。以下是一个用于加载 VRML 模型的核心函数: ```cpp #include <Inventor/nodes/SoVRMLGroup.h> #include <Inventor/DB/SoDB.h> #include <Inventor/inputs/SoInput.h> SoVRMLGroup* loadRobotModel(const QString& fileName) { SoInput* input = new SoInput; if (input->openFile(fileName.toStdString().c_str())) { SoVRMLGroup* model = SoDB::readAllVRML(input); input->closeFile(); delete input; return model; } input->closeFile(); delete input; return nullptr; } ``` 该函数实现了从指定路径读取 VRML 文件并返回其根节点对象 `SoVRMLGroup`[^1]。 --- #### 3. **正运动学计算** 正运动学的任务是根据输入的关节角度计算末端执行器的位置和姿态。假设我们有一个表示机器人运动学特性的数据结构,可以通过矩阵运算完成此操作。 示例代码如下: ```cpp #include <Eigen/Dense> Eigen::Affine3d forwardKinematics(const Eigen::VectorXd& jointAngles, const std::vector<Eigen::Affine3d>& dhParameters) { Eigen::Affine3d result = Eigen::Affine3d::Identity(); for (size_t i = 0; i < dhParameters.size(); ++i) { double theta = jointAngles(i) + dhParameters[i].rotation()(2, 2); // 假设 θ 存在于旋转分量中 double d = dhParameters[i].translation()[2]; double a = dhParameters[i].translation()[0]; double alpha = atan2(dhParameters[i].rotation()(1, 0), dhParameters[i].rotation()(0, 0)); Eigen::Affine3d transformation = Eigen::Translation3d(a, 0, d) * Eigen::AngleAxisd(theta, Eigen::Vector3d::UnitZ()) * Eigen::AngleAxisd(alpha, Eigen::Vector3d::UnitX()); result *= transformation; } return result; } ``` 这里使用了 Eigen 库来进行高效的线性代数运算,并结合 DH 参数表征机器人连杆关系[^1]。 --- #### 4. **逆运动学求解** 逆运动学旨在由目标位姿推导出相应的关节变量集合。一种常见的方法是采用数值优化手段解决非线性方程组问题。 示例代码如下: ```cpp #include <unsupported/Eigen/LevenbergMarquardt> struct IKFunction { Eigen::VectorXd operator()(const Eigen::VectorXd& vars) const { Eigen::Affine3d currentPose = forwardKinematics(vars, this->dhParams_); Eigen::Vector3d positionError = (currentPose.translation() - targetPosition_).eval(); Eigen::Quaterniond orientationError(currentPose.linear().transpose() * targetOrientation_.toRotationMatrix()); orientationError.normalize(); double angle = acos(orientationError.w()) * 2; Eigen::VectorXd error(6); error.head<3>() = positionError; error.tail<3>().setConstant(angle); return error; } Eigen::Vector3d targetPosition_; Eigen::Quaterniond targetOrientation_; std::vector<Eigen::Affine3d> dhParams_; }; void solveInverseKinematics(Eigen::VectorXd& initialGuess, const Eigen::Vector3d& targetPosition, const Eigen::Quaterniond& targetOrientation, const std::vector<Eigen::Affine3d>& dhParams) { IKFunction func; func.targetPosition_ = targetPosition; func.targetOrientation_ = targetOrientation; func.dhParams_ = dhParams; Eigen::LevenbergMarquardt<IKFunction> lm(func); int info = lm.minimize(initialGuess); if (info != Eigen::Success) { throw std::runtime_error("Inverse kinematics failed to converge."); } } ``` 上述代码定义了一个适配 Levenberg-Marquardt 算法的目标函数类 `IKFunction`,并通过调用 `solveInverseKinematics` 函数完成求解过程。 --- #### 5. **GUI 设计与交互逻辑** 最后一步是在 Qt 中创建友好的用户界面以便于调试和观察结果。推荐使用 Qt Designer 工具快速搭建布局框架。 核心组件建议包括: - 文件选择对话框:允许用户导入机器人模型。 - 关节滑动条控件:调整各个自由度上的角速度值。 - 可视化区域:嵌入 Coin3D 渲染窗口以呈现动态变化后的几何形态。 完整主窗体初始化样例如下: ```cpp MainWindow::MainWindow(QWidget *parent) : QMainWindow(parent), ui(new Ui::MainWindow) { ui->setupUi(this); connect(ui->loadButton, &QPushButton::clicked, this, [=]() { QString filePath = QFileDialog::getOpenFileName(this, tr("Load Model"), "", tr("VRML Files (*.wrl *.vrml)")); if (!filePath.isEmpty()) { SoVRMLGroup* model = loadRobotModel(filePath); if (model) { renderArea_->setSceneGraph(model); } else { QMessageBox::warning(this, tr("Error"), tr("Failed to load the specified file.")); } } }); } ``` 此处绑定按钮事件触发模型加载动作,并将生成的结果传递给渲染区处理[^1]。 --- #### 总结 综上所述,整个应用程序围绕着三个主要部分展开工作流:首先是外部资源接入;其次是内部算法支撑;最终依托图形前端展现综合成果。每一段都紧密关联又各自独立运作良好。
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