歐拉角的定義
在寫這篇博客之前,我搜索了網(wǎng)上很多關(guān)于歐拉角的定義,發(fā)現(xiàn)大部分引用自維基百科的定義,我這里也引述一下:
維基百科定義
萊昂哈德·歐拉用歐拉角來描述剛體在三維歐幾里得空間的取向。對于任何參考系,一個剛體的取向,是依照順序,從這參考系,做三個歐拉角的旋轉(zhuǎn)而設(shè)定的。所以,剛體的取向可以用三個基本旋轉(zhuǎn)矩陣來決定。換句話說,任何關(guān)于剛體旋轉(zhuǎn)的旋轉(zhuǎn)矩陣是由三個基本旋轉(zhuǎn)矩陣復合而成的。
對于在三維空間里的一個參考系,任何坐標系的取向,都可以用三個歐拉角來表現(xiàn)。參考系又稱為實驗室參考系,是靜止不動的。而坐標系則固定于剛體,隨著剛體的旋轉(zhuǎn)而旋轉(zhuǎn)。參閱下圖。設(shè)定xyz-軸為參考系的參考軸。三個歐拉角: (αβγ),藍色的軸是xyz-軸,紅色的軸是XYZ-坐標軸。稱xy-平面與XY-平面的相交為交點線(綠色),用英文字母(N)代表。
zxz順規(guī)的歐拉角可以靜態(tài)地這樣定義:
α是x-軸與交點線的夾角,
β是z-軸與Z-軸的夾角,
γ是交點線與X-軸的夾角。
很可惜地,對于夾角的順序和標記,夾角的兩個軸的指定,并沒有任何常規(guī)??茖W家對此從未達成共識。每當用到歐拉角時,我們必須明確的表示出夾角的順序,指定其參考軸。
實際上,有許多方法可以設(shè)定兩個坐標系的相對取向。歐拉角方法只是其中的一種。此外,不同的作者會用不同組合的歐拉角來描述,或用不同的名字表示同樣的歐拉角。因此,使用歐拉角前,必須先做好明確的定義。
順規(guī)
在經(jīng)典力學里,時常用zxz順規(guī)來設(shè)定歐拉角;照著第二個轉(zhuǎn)動軸的軸名,簡稱為x順規(guī)。另外,還有別種歐拉角組。合法的歐拉角組中,唯一的限制是,任何兩個連續(xù)的旋轉(zhuǎn),必須繞著不同的轉(zhuǎn)動軸旋轉(zhuǎn)。因此,一共有12種順規(guī)。例如,y順規(guī),第二個轉(zhuǎn)動軸是y-軸,時常用在量子力學、核子物理學、粒子物理學。另外,還有一種順規(guī),xyz順規(guī),是用在航空航天工程學;參閱泰特-布萊恩角。
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