内旋外旋与矩阵左乘右乘
文章目录1矩阵左乘和右乘2内旋和外旋[3](https://zhuanlan.zhihu.com/p/144032401)3旋转矩阵为何左乘是相对固定坐标系,右乘是相对当前坐标系?1矩阵左乘和右乘从定义角度分析:标量乘符合交换律导致“乘”和“乘以”的概念混用的锅。对比除法,a÷b是a“除以”b或b除a。那么AB是A经过B过程转换后的结果,就该是A“(的)右(边)乘以”B,即A左乘B。同样:BA,称
1矩阵左乘和右乘
从定义角度分析:
标量乘符合交换律导致“乘”和“乘以”的概念混用的锅。对比除法,a÷b是a“除以”b或b除a。那么AB是A经过B过程转换后的结果,就该是A“(的)右(边)乘以”B,即A左乘B。
同样:BA,称为A右乘B。1
从几何角度理解:
左乘结果是 向量旋转 之后相对于原坐标系的位置, 右乘是参考系旋转移动后,向量(并未移动)相对于新参考系的坐标。2
2内旋和外旋
每次旋转是绕固定轴(一个固定参考系,比如世界坐标系)旋转,称为外旋。3
每次旋转是绕自身旋转之后的轴旋转,称为内旋。
下图说明了内旋和外旋的区别。
假设绕XYZ三个轴旋转的角度分别为 α β γ \alpha\beta\gamma αβγ ,则三次旋转的旋转矩阵计算方法如下:
R
x
(
α
)
=
[
1
0
0
0
cos
α
−
sin
α
0
sin
α
cos
α
]
R
y
(
β
)
=
[
cos
β
0
sin
β
0
1
0
−
sin
β
0
cos
β
]
R
z
(
γ
)
=
[
cos
γ
−
sin
γ
0
sin
γ
cos
γ
0
0
1
]
\begin{aligned} &R_{x}(\alpha)=\left[\begin{array}{ccc} 1 & 0 & 0 \\ 0 & \cos \alpha & -\sin \alpha \\ 0 & \sin \alpha & \cos \alpha \end{array}\right] \\ &R_{y}(\beta)=\left[\begin{array}{ccc} \cos \beta & 0 & \sin \beta \\ 0 & 1 & 0 \\ -\sin \beta & 0 & \cos \beta \end{array}\right] \\ &R_{z}(\gamma)=\left[\begin{array}{ccc} \cos \gamma & -\sin \gamma & 0 \\ \sin \gamma & \cos \gamma \\ 0 & 0 & 1 \end{array}\right] \end{aligned}
Rx(α)=⎣⎡1000cosαsinα0−sinαcosα⎦⎤Ry(β)=⎣⎡cosβ0−sinβ010sinβ0cosβ⎦⎤Rz(γ)=⎣⎡cosγsinγ0−sinγcosγ001⎦⎤
按照内旋方式,Z-Y-X旋转顺序(指先绕自身轴Z,再绕自身轴Y,最后绕自身轴X),可得旋转矩阵(内旋是右乘):
R 1 = R z ( γ ) ∗ R y ( β ) ∗ R x ( α ) R 1=R_{z}(\gamma) * R_{y}(\beta) * R_{x}(\alpha) R1=Rz(γ)∗Ry(β)∗Rx(α)
按照外旋方式,X-Y-Z旋转顺序(指先绕固定轴X,再绕固定轴Y,最后绕固定轴Z),可得旋转矩阵(外旋是左乘):
R
2
=
R
z
(
γ
)
∗
R
y
(
β
)
∗
R
x
(
α
)
R 2=R_{z}(\gamma) * R_{y}(\beta) * R_{x}(\alpha)
R2=Rz(γ)∗Ry(β)∗Rx(α)
故R1=R2,具体不在此证明,记住即可。这个结论说明ZYX顺序的内旋等价于XYZ顺序的外旋
因此,可以得到如下结论:
内旋:绕自身坐标系旋转,右乘,坐标系(基底)在变换,列变换
外旋:绕固定坐标系旋转,左乘,坐标(向量)在变换,行变换
内旋和外旋影响三个轴的旋转矩阵相乘的顺序,不影响最终的旋转矩阵结果,并且最终利用旋转矩阵进行坐标转换时,通常采用左乘(因为通常将坐标写成列向量,对一个列向量来说只能左乘矩阵,对一个行向量来说只能右乘矩阵4)
3旋转矩阵为何左乘是相对固定坐标系,右乘是相对当前坐标系?
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