机器人学与OROCOS-KDL(二)位置描述与向量


机器人学中,有一些基本的线性代数知识需要了解,会使用向量、旋转矩阵、齐次矩阵等去描述空间中物体的位置和姿态。在KDL库的 frames.hpp头文件中定义了以下的类:

/*源码 orocos_kdl/src/frames.hpp*/
class Vector;		//三维向量类的具体实现
class Rotation;		//三维空间的旋转矩阵
class Frame;		//齐次矩阵
class Wrench;		//表示力和扭矩的组合
class Twist;		//表示平动速度和旋转速度
class Vector2;		//二维Vector
class Rotation2;	//二维Rotation
class Frame2;		//二维Frame

接下来几篇将探究空间描述,以及KDL的Vector、Rotation及Frame类,本篇先研究位置的描述与KDL的Vector类。

一、位置的数学表示

在空间直角坐标系中,我们可以用一个 3 × 1 3\times1 3×1的位置向量来确定该空间内任意一点的位置。对于直角坐标系 { A } \{A\} { A},空间任意一点P的位置可以用 3 × 1 3\times1 3×1的列矢量 A P ^{A}P AP表示:
A P = [ p x p y p z ] ^{A}P=\begin{bmatrix} p_{x} \\ p_{y} \\ p_{z} \end{bmatrix} AP=px

### EigenKDL库的对比分析 #### 1. **Eigen简介** Eigen是一个用于线性代数计算的强大C++模板库,支持矩阵运算、向量运算以及数值求解等多种功能。它广泛应用于科学计算领域,因其高效性和易用性而备受青睐[^3]。 #### 2. **KDL简介** KDL (Kinematics and Dynamics Library)OROCOS项目的一部分,专注于机器人学中的运动学和动力学问题。该库提供了丰富的工具来解决正运动学、逆运动学以及其他复杂的机械臂控制问题[^4]。 #### 3. **主要区别** ##### 功能定位 - **Eigen**: 主要关注于高效的线性代数操作,适用于广泛的数学建模场景,包括但不限于机器学习、计算机图形学等领域。 - **KDL**: 更加专业化,针对机器人系统的运动学和动力学需求设计,内置了许多专门处理关节空间转换的功能模块。 ##### 性能表现 - **Eigen** 提供高度优化的算法实现,在大规模数据集上的性能尤为突出;其延迟较低且内存占用较小[^5]。 - 对比之下, 虽然 KDL 的某些部分也经过精心调优以满足实时应用的要求,但它更侧重功能性而非极致速度优化[^6]。 ##### 易用程度 两者都具备良好的文档和支持社区,但对于初学者来说: - 使用 **Eigen** 可能会更加直观简单,因为它的API设计较为简洁明了; - 学习曲线对于初次接触 **KDL** 用户而言可能稍陡峭一些,因为它涉及更多专业知识背景要求[^7]。 #### 示例代码展示 以下是两个库分别执行基本变换的一个例子: ```cpp // Using Eigen to perform matrix multiplication #include <iostream> #include <Eigen/Dense> int main() { Eigen::Matrix2d mat; mat << 1, 2, 3, 4; Eigen::Vector2d vec(5, 6); std::cout << "Result:\n" << mat * vec << std::endl; return 0; } ``` ```cpp // Example with KDL performing forward kinematics calculation #include <kdl/chainfksolverpos_recursive.hpp> #include <kdl/jntarray.hpp> #include <kdl/frames_io.hpp> void exampleFunction(){ KDL::Chain chain;// Define your robot's structure here... KDL::JntArray q(chain.getNrOfJoints()); // Set joint values... KDL::Frame p_out; KDL::ChainFkSolverPos_recursive fksolver = KDL::ChainFkSolverPos_recursive(chain); int res = fksolver.JntToCart(q,p_out); if(res >=0 ){ std::cout<<p_out<<std::endl; } } ```
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