旋转角公式

x1=cos(angle)*x-sin(angle)*y;

y1=cos(angle)*y+sin(angle)*x;

其中x,y表示物体相对于旋转点旋转angle的角度之前的坐标,x1,y1表示物体旋转angle后相对于旋转点的坐标

 

从数学上来说,此公式可以用来计算某个点绕另外一点旋转一定角度后的坐标,例如:A(x,y)绕B(a,b)旋转β度后的位置为C(c,d),则x,y,a,b,β,c,d有如下关系式:

1。设A点旋转前的角度为δ,则旋转(逆时针)到C点后角度为δ+β

2。求A,B两点的距离:dist1=|AB|=y/sin(δ)=x/cos(δ)

3。求C,B两点的距离:dist2=|CB|=d/sin(δ+β)=c/cos(δ+β)

4。显然dist1=dist2,设dist1=r所以:

  r=x/cos(δ)=y/sin(δ)=d/sin(δ+β)=c/cos(δ+β)

5。由三角函数两角和差公式知:

  sin(δ+β)=sin(δ)cos(β)+cos(δ)sin(β)

  cos(δ+β)=cos(δ)cos(β)-sin(δ)sin(β)

  所以得出:

  c=r*cos(δ+β)=r*cos(δ)cos(β)-r*sin(δ)sin(β)=xcos(β)-ysin(β)

  d=r*sin(δ+β)=r*sin(δ)cos(β)+r*cos(δ)sin(β)=ycos(β)+xsin(β)

即旋转后的坐标c,d只与旋转前的坐标x,y及旋转的角度β有关

 

从图中可以很容易理解出A点旋转后的C点总是在圆周上运动,圆周的半径为|AB|,利用这点就可以使物体绕圆周运动,即旋转物体。

<think>好的,我需要回答用户关于旋转角姿态角的问题,包括它们的定义、区别应用。首先,我需要明确这两个术语的具体含义,以及它们在不同领域中的应用场景。根据用户提供的引用内容,我需要整合这些信息,确保回答准确且符合用户的要求。 首先,根据引用[1],姿态角包括俯仰角(pitch)、横滚角(roll)航向角(yaw),这些是用于描述物体在三维空间中的姿态,例如飞机或无人机的方向。而旋转角可能更广泛地指刚体某个轴的旋转角度,可能涉及欧拉角或其他旋转表示方法。引用[3]提到旋转矩阵欧拉角的应用,比如机械臂的姿态表示,而引用[4]则解释了欧拉角中的万向节死锁问题,这可能与旋转角的定义有关。 接下来,我需要区分两者的定义。姿态角通常特指物体相对于参考坐标系(如地面或固定方向)的三个角度,而旋转角可能更通用,指任何轴的旋转角度,可能包括欧拉角的不同组合方式。例如,引用[3]提到Z-Y-X欧拉角,而引用[1]指出姿态角欧拉角的定义不同,尽管它们都有三个角度参数。 在应用方面,姿态角常用于无人机、机器人导航运动控制(引用[2]),而旋转角或欧拉角在机械臂控制、3D图形处理等领域应用广泛(引用[3])。此外,万向节死锁(引用[4])是欧拉角在实际应用中需要注意的问题,而姿态角的定义可能避免了这种问题,或者需要特殊处理。 需要确保回答结构清晰,分点说明定义、区别应用,并正确引用提供的资料。同时,用户要求生成相关问题,我需要根据内容提出相关的问题,例如关于万向节死锁、应用场景或数学表示的区别等。 最后,检查LaTeX格式是否正确,行内公式用$...$,独立公式用$$...$$,并确保引用标识正确添加。例如,在讨论姿态角定义时引用[^1],在嵌入式系统应用时引用[^2],在机械臂欧拉角时引用[^3][^4]。</think>### 旋转角与姿态角的定义、区别及应用 #### 1. **定义** - **旋转角** 旋转角一般指刚体某一固定轴或运动轴旋转的角度。在三维空间中,旋转可以通过欧拉角(Euler angles)表示,例如固定坐标系的$X$、$Y$、$Z$轴依次旋转的三个角度(如$Z$-$Y$-$X$顺序)[^3]。数学上,旋转矩阵由三个旋转角组合而成: $$ R = R_z(\alpha) R_y(\beta) R_x(\gamma) $$ 其中$\alpha$、$\beta$、$\gamma$分别为$Z$、$Y$、$X$轴的旋转角[^3]。 - **姿态角** 姿态角是用于描述物体在空间中姿态的三个特定角度,通常定义为: - **俯仰角(Pitch)**:物体前向轴(如机头$X$轴)与水平面的夹角。 - **横滚角(Roll)**:物体侧向轴(如左翼$Y$轴)与水平面的夹角。 - **航向角(Yaw)**:物体前向轴在水平面的投影与参考方向(如正北)的夹角[^1]。 #### 2. **核心区别** - **定义方式** 旋转角可以是任意旋转序列的组合(如欧拉角),而姿态角是固定于物体坐标系的三轴与参考平面的夹角[^1]。 - **自由度与顺序** 旋转角的欧拉角可能因旋转顺序不同导致结果差异,且存在万向节死锁问题(如$Y$轴旋转$90^\circ$时,$X$与$Z$轴重合,丢失一个自由度)[^4];姿态角更直观,但需明确定义参考平面坐标系。 - **应用场景** 旋转角多用于数学建模与通用刚体运动分析(如机械臂控制)[^3],姿态角则专用于导航与控制领域(如无人机姿态描述)[^2]。 #### 3. **应用实例** - **旋转角的应用** - **机械臂控制**:通过$Z$-$Y$-$X$欧拉角解算旋转矩阵,实现末端执行器的精确定位[^3]。 - **3D图形渲染**:利用旋转角组合生成物体在三维空间中的旋转变换。 - **姿态角的应用** - **无人机飞行**:实时解算俯仰角、横滚角、航向角以调整飞行姿态[^2]。 - **智能手机运动检测**:通过姿态角识别设备的倾斜与方向变化。 #### 4. **关键问题与挑战** - **万向节死锁** 旋转角在特定角度组合下会丢失自由度(如俯仰角为$90^\circ$时),需通过四元数或旋转矩阵避免[^4]。 - **坐标系一致性** 姿态角需严格定义参考坐标系(如地心坐标系或机体坐标系),否则会导致解算错误[^1]。 --- ###
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