旋转矩阵、欧拉角、四元数比较

旋转矩阵、欧拉角、四元数主要用于:

向量的旋转、坐标系之间的转换、角位移计算、方位的平滑插值计算

各方法比较

任务/性质

旋转矩阵

欧拉角

四元数

在坐标系间(物体和惯性)旋转点

不能(必须转换到矩阵)

不能(必须转换到矩阵)

连接或增量旋转

,但经常比四元数慢,小心矩阵蠕变的情况

不能

,比矩阵快

插值

基本上不能

,但可能遭遇万向锁或其他问题

Slerp提供了平滑插值

易用程度

在内存或文件中存储

9个数

3个数

4个数

对给定方位的表达方式是否唯一

不是,对同一方位有无数多种方法

不是,有两种方法,它们互相为互

可能导致非法

矩阵蠕变

任意三个数都能构成合法的欧拉角

可能会出现误差积累,从而产生非法的四元数

不同的方位表示方法适用于不同的情况。下面是我们对合理选择格式的一些建议:

l         欧拉角最容易使用。当需要为世界中的物体指定方位时,欧拉角能大大的简化人机交互,

包括直接的键盘输入方位、在代码中指定方位(如为渲染设定摄像机)、在调试中测试。这个优点不应该被忽视,不要以优化为名义而牺牲易用性,除非你去顶这种优化的确有效果。

l         如果需要在坐标系之间转换响亮,那么就选择矩阵形式。当然,这并不意味着你就不能用其他格式来保存方位,并在需要的时候转换到矩阵格式。另一种方法是用欧拉角作为方位的主拷贝但同时维护一个旋转矩阵,当欧拉角发生改变时矩阵也要同时进行更新。

l         当需要大量保存方位数据(:动画),就使用欧拉角或四元数。欧拉角将少占用25%的内存,但它在转换到矩阵时要稍微慢一些。如果动画数据需要嵌套坐标系之间的连接,四元数可能是最好的选择。

l         平滑的插值只能用四元数完成。如果你用其他形式,也可以先转换到四元数然后再插值,插值完毕后再转换回原来的形式。

### 欧拉角旋转矩阵四元数的关系 #### 定义与概念 欧拉角是一种用于描述刚体姿态的方法,通过三个连续的旋转变换来定义物体的姿态。通常使用的序列有 ZYX 或 XYZ 等[^1]。 旋转矩阵是一个正交矩阵,用来表示三维空间中的旋转操作。它由九个元素组成,这九个元素满足特定条件使得行列式的值为 1,并且每一列都是单位向量。 四元数则提供了一种紧凑的方式来表达三维旋转,避免了万向锁问题并减少了计算复杂度。一个四元数 \(q\) 可以写作: \[ q = w + xi + yj + zk \] 其中 \(w, x, y,\) 和 \(z\) 是实数部分和虚部系数;\(i,j,k\) 遵循哈密顿乘法规则。 #### 优点对比 - **欧拉角** - 易于理解和解释物理意义。 - 存在奇异点(即当俯仰角接近 ±90°时),此时会出现所谓的“万向锁”,导致自由度丢失[^2]。 - **旋转矩阵** - 不受奇异性影响,在所有情况下都能唯一确定旋转状态。 - 计算开销较大,因为涉及到更多的浮点运算以及存储需求更高。 - **四元数** - 更加高效地处理插值和平滑过渡等问题。 - 对抗数值不稳定性和累积误差的能力较强[^3]。 #### 应用场景 - **机器人学**:为了简化控制算法的设计过程,常采用四元数来代替传统的欧拉角旋转矩阵形式来进行姿态估计和路径规划任务。 - **计算机图形学**:由于其良好的视觉效果表现力,特别是在动画制作领域内广泛运用四元数实现平滑的对象运动轨迹模拟[^4]。 - **航空航天工程**:飞行器导航系统依赖高精度的姿态测量设备如陀螺仪等传感器数据融合技术,利用四元数能够更精确稳定地跟踪目标位置变化情况。 ```python import numpy as np def euler_to_quaternion(roll, pitch, yaw): cy = np.cos(yaw * 0.5) sy = np.sin(yaw * 0.5) cp = np.cos(pitch * 0.5) sp = np.sin(pitch * 0.5) cr = np.cos(roll * 0.5) sr = np.sin(roll * 0.5) w = cr * cp * cy + sr * sp * sy x = sr * cp * cy - cr * sp * sy y = cr * sp * cy + sr * cp * sy z = cr * cp * sy - sr * sp * cy return [w, x, y, z] ```
评论 1
添加红包

请填写红包祝福语或标题

红包个数最小为10个

红包金额最低5元

当前余额3.43前往充值 >
需支付:10.00
成就一亿技术人!
领取后你会自动成为博主和红包主的粉丝 规则
hope_wisdom
发出的红包
实付
使用余额支付
点击重新获取
扫码支付
钱包余额 0

抵扣说明:

1.余额是钱包充值的虚拟货币,按照1:1的比例进行支付金额的抵扣。
2.余额无法直接购买下载,可以购买VIP、付费专栏及课程。

余额充值