Матрица поворот применяется для вращения системы координат или объекта, сцены.
Хочется задавать положение объекта в пространстве однозначно. Достаточно очевидно что любое положение однозначно определяется 3 поворотами вокруг разных осей. Но встаёт вопрос в каком порядке вращать и как выбрать оси?
Обобщённую матрица поворота можно задать по разному. С одной стороны мы можем вращать объект вокруг неподвижных осей. С другой вокруг осей связанных с объектом ещё их называют локальными. Стоит вспомнить что операции умножения матриц не коммутативна поэтому для однозначного определения положения нужно знать не только 3 угла, но и схему умножения матриц.
Можно выделить 2 популярные схемы.
1) Матрица поворота через углы Эйлера.
2) Матрица поворота через углы летательного аппарата (ЛА): рыскание, тангаж и крен(yaw, pitch и roll).
В виду того что первая требует большого числа вычислений, то на практике обычно применяют вторую.
Углы Эйлера - три угла однозначно определяющие ориентацию твёрдого тела, определяющие переход от неподвижной системы координат к подвижной.
Подвижная система координат это система координат привязанная к телу. Иногда говорят в мороженная в тело.
Прежде чем дать определения углов нам понадобиться ещё одно.
Линия узлов ON - линия пересечение плоскости OXY и Oxy
α (или φ) это угол между осью Оx и осью ON. Диапазон значений или [X,Y,Z,H ]
[x*,y*,z* 1] = , где Н ¹1, Н ¹0.
Обобщенная матрица преобразования 4´4 для трехмерных однородных координат имеет вид
е. [x,y,z, 1]*T(Dx,Dy,Dz)= [x+Dx,y+Dy,z+Dz, 1].
2. Трехмерное изменение масштаба.
Рассмотрим частичное изменение масштаба. Оно реализуется следующим образом:
Такой же результат можно получить при равных коэффициентах частичных изменений масштабов. В этом случае матрица преобразования такова:
4. Трехмерное вращение
Двухмерный поворот, рассмотренный ранее, является в то же время трехмерным поворотом вокруг оси Z . В трехмерном пространстве поворот вокруг оси Z описывается матрицей
R z ()= |
Матрица поворота вокруг оси X имеет вид
Подматрицу 3´3 называют ортогональной, так как ее столбцы являются взаимно ортогональными единичными векторами.
Матрицы поворота сохраняют длину и углы, а матрицы масштабирования и сдвига нет.
скачать
Реферат на тему:
Литература
Матрицей поворота (или матрицей направляющих косинусов ) называется матрица, умножение любого вектора на которую не меняет его длины.
Матрица поворота в двумерном пространстве
В двумерном пространстве поворот можно описать одним углом θ со следующей матрицей линейного преобразования в декартовой системе координат:
Положительным углам при этом соответствует вращение против часовой стрелки в обычной, правосторонней системе координат, и по часовой в левосторонней системе координат.
Сам поворот происходит путём умножения матрицы поворота на вектор, описывающий вращаемую точку:
.Матрицами вращения вокруг оси декартовой правой системы координат на угол α в трёхмерном пространстве являются:
, , ,В трёхмерном пространстве для описания поворота можно использовать
Матрицы поворота вектора в декартовой системе координат, соответствующие первым двум способам задания поворота:
Однако, поскольку умножение матриц не коммутативно, то есть: , следовательно, положение системы координат после поворота вокруг трех осей будет зависеть от последовательности поворотов, то существует 6 различных видов матрицы поворота:
Получить же нужную матрицу можно путем последовательного перемножения матриц поворота около одной оси (приведенных выше) в соответствии с желаемым порядком.
Если - матрица, задающая поворот вокруг оси на угол φ, то:
B основе программ аффинных преобразований пространственных объектов, а также их проецирования на картинную плоскость лежит аппарат однородных координат (см., например, СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ). При этом все необходимые для построения проекции и установления нужного ракурса преобразования координат описываются матрицами размером 4 ´ 4 и представляются в виде суперпозиции некоторых основных преобразований: переноса точки в пространстве на фиксированный вектор, поворота вокруг указанной оси на заданный угол, масштабирования вдоль какой-либо оси, сдвига, перспективы и проецирования на одну из главных координатных плоскостей.
Рис.8.1. Декартова система координат, проекция P’ точки P на плоскость XZ, сетка, на которой задана поверхность, и сечения, параллельные плоскостям XZ и YZ.
Основные преобразования координат. Pассмотрим некоторую декартову систему координат (рис.8.1). Любая точка пространства представляется в ней вектор-матрицей вида (х у z). Mы будем пользоваться однородными координатами точки в пространстве (х у z 1).
B качестве картинной плоскости выберем плоскость XZ, описываемую уравнением Y = 0. Проекция точки объекта на эту плоскость получается в результате умножения (х у z 1) ×A, где
задает преобразование проецирования на плоскость XZ.
Поворот вокруг заданной оси (X, Y и Z соответственно) на указанный угол a описываются следующими матрицами:
где а = sin a, b = соs a. Положительным считается поворот в направлении против часовой стрелки, если смотреть с конца оси, вокруг которой поворачивается объект.
Mатрицы преобразований переноса на фиксированный вектор и масштабирования имеют следующий вид:
Здесь (t x , t y , t z) – вектор переноса; s x , s y , s z — масштабные множители вдоль осей X, Y и Z соответственно, 1/s – множитель общего масштабирования.
Сдвиг заключается в том, что одна из координат точки (зависимая координата) изменяется на величину, пропорциональную одной из двух оставшихся координат (сдвигающей координате). Пусть зависимой координатой будет координата X, а сдвигающей – координата Y, тогда матрица сдвига будет иметь вид:
где F – коэффициент сдвига. Проекцию точек объекта на плоскость XZ из центра проекции C можно получить с помощью преобразования центрального проецирования. Eго матрица:
Здесь центр проекции лежит на оси Y и имеет Y-координату, равную (-H), где H > 0 (см. рис.8.1).
C помощью основных преобразований координат можно получить практически произвольные плоские геометрические проекции.
Pассмотрим сначала случай параллельного проецирования. В зависимости от того, какой угол образует направление проецирования с картинной плоскостью, параллельные проекции делятся на прямоугольные (например, аксонометрические проекции) и косоугольные. B случае прямоугольных проекций направление проецирования перпендикулярно картинной плоскости. В случае косоугольных проекций направление проецирования образует с картинной плоскостью угол, отличный от прямого. Более подробные сведения об этих типах проекций можно найти, например, в СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ.
Более общие аксонометрические проекции можно получить с помощью двух последовательных поворотов объекта (сначала вокруг оси Z на некоторый угол Az, а потом вокруг оси X на угол Aх) и затем ортогонального проецирования на плоскость XZ. Для двух наиболее распространенных типов аксонометрических проекций — изометрии и диметрии — углы поворота имеют следующие значения: Az = -45 ° , Aх = 35 ° и Az = -20 ° , Aх = 20 ° .
Hа рис.8.2 приведены примеры изометрической и диметрической проекций одной и той же поверхности, показано также как при этом проецируются на картинную плоскость оси декартовой системы координат.
Для построения косоугольных проекций удобно воспользоваться преобразованием сдвига. Одну из косоугольных проекций, например, можно построить следующей последовательностью преобразований:
1. сдвиг, в котором зависимой осью является ось X, сдвигающей осью — ось Y; коэффициент сдвига F = 1 в случае, если задана «положительная» проекция (рис.8.3, б), и F = -1, если требуется «отрицательная» проекция (рис.8.3, а);
2. сдвиг, в котором зависимой является ось Z, сдвигающей — ось Y и коэффициент сдвига F = 1;
3. проецирование на плоскость XZ.
B случае если ни одна из упомянутых стандартных параллельных проекций (изометрия, диметрия и косоугольная проекция) по каким-либо причинам не устраивает, можно построить требуемую проекцию с помощью переноса, поворота, масштабирования и сдвига.
Используя эти преобразования, можно также расположить нужным образом изображаемый объект в пространстве и затем построить какую-либо стандартную проекцию.
Рис.8.2. Диметрическая и изометрическая проекции поверхности, а также осей декартовой системы координат.
C помощью основных преобразований координат легко также формируется преобразование, которое позволит получать центральную проекцию объекта из произвольного центра проекции на плоскость, проходящую через начало координат перпендикулярно лучу зрения. Параллельная проекция тоже может быть задана по-другому — вектором направления проецирования, начало которого лежит в точке (0,0,0), а конец определяется программистом.
Tаким образом, для построения произвольной проекции графического объекта достаточно сформировать матрицу преобразования, являющегося суперпозицией перечисленных выше основных преобразований координат. Умножая матрицу координат произвольной точки справа на матрицу результирующего преобразования, получим координаты проекции этой точки на картинную плоскость в соответствии с выбранным способом проецирования.
Рис.8.3. «Отрицательная» (а) и «положительная» (б) косоугольные проекции поверхности, а также осей осей декартовой системы координат.
Далее описаны программы, реализующие основные преобразования координат, некоторые стандартные типы проекций, а также другие средства, необходимые для построения произвольных плоских геометрических проекций объектов.
Программы преобразований. Чтобы построить желаемую проекцию трехмерного объекта, нужно задать соответствующее преобразование.
Программы, определяющие преобразования, являются по сути установочными. Последовательность обращений к ним задает результирующее преобразование, соответствующее некоторому способу проецирования. Программы рисования будут использовать подготовленную матрицу преобразования для изображения объектов в выбранной проекции.
Kаждая из программ, устанавливающих свое преобразование, формирует матрицу размером 4 ´ 4 и умножает ее слева на матрицу текущего преобразования. B результате преобразования будут выполняться в том порядке, в котором они задавались. Hачальные установки выполняет программа INIT, которая формирует единичную матрицу. Обращение к ней отменяет уже накопленное преобразование. Очевидно, когда требуется получить новое результирующее преобразование, необходимо начинать с обращения к этой программе.
Получать некоторые стандартные проекции графических объектов позволяют программы ISOMET, DIMET, CABIN, VIEW, AXONOM. Однако иногда необходимо предварительно преобразовать объект (расположить некоторым образом в пространстве). Для этой цели можно воспользоваться программами, задающими поворот, растяжение, перенос, сдвиг. Это программы: TDROT, TDSCAL, TDTRAN, SHEAR.
Любое текущее преобразование можно сохранить (программа SAVETR) и при желании восстановить (программа SETTR). Bообще с помощью программы SETTR можно установить в качестве текущего преобразования произвольное преобразование, расширив тем самым круг основных преобразований координат.
Программа INIT производит инициализацию результирующего преобразования. Программа без параметров.
Программа TDTRAN(DX, DY, DZ) задает перенос объекта в пространстве относительно начала координат. Параметры программы DX,DY, DZ определяют вектор переноса.
Программа TDROT(NAXES,ALPHA) задает поворот системы координат относительно указанной оси на заданный угол. Eе параметры:
NAXES номер оси, относительно которой выполняется поворот: Кроме того, если NAXES < 0, угол поворота считается заданным в радианах, NAXES > 0 — в градусах; ALPHA угол поворота: ALPHA > 0 — поворот выполняется против часовой стрелки, относительно оси, вокруг которой выполняется поворот; ALPHA < 0 — поворот выполняется по часовой стрелке.
Программа TDSCAL(NAXES,SCALE) позволяет выполнить растяжение (сжатие) вдоль указанной оси и, возможно, симметричное отражение объекта. Параметры программы следующие:
NAXES номер оси, вдоль которой выполняется растяжение (сжатие): SCALE коэффициент растяжения (сжатия): SCALE ³ 1 — растяжение в SCALE раз, SCALE О (0,1) — сжатие в 1/SCALE раз, SCALE < 0 симметричное отражение относительно соответствующей координатной плоскости или начала координат и растяжение в |SCALE| раз или сжатие в 1/|SCALE| раз.
Программа SHEAR(I,J,F) определяет сдвиг. Параметры программы:
I номер сдвигающей координаты: J номер зависимой координаты; F коэффициент сдвига.
При I = J данное преобразование вырождается в преобразование масштабирования вдоль I-ой оси с коэффициентом растяжения равным (F+1).
Программа ISOMET формирует матрицу результирующего преобразования для получения изометрической проекции с учетом текущего преобразования.
Программа без параметров.
Программа DIMET позволяет сформировать матрицу результирующего преобразования для получения диметрической проекции с учетом текущего преобразования. Программа без параметров.
Программа CABIN(J) позволяет сформировать матрицу результирующего преобразования для получения косоугольной проекции с учетом текущего преобразования. Параметр программы J определяет вид косоугольной проекции. При J = 1 получается положительная проекция, а при J = -1 — отрицательная проекция.
Программа VIEW(X,Y,Z) позволяет сформировать матрицу центрального проецирования на плоскость, перпендикулярную лучу зрения. Параметры программы:
X,Y,Z координаты центра проекции (точки зрения).
Изменяя координаты точки зрения можно получать различные проекции объекта. Для получения нужного ракурса иногда бывает удобнее перемещать в пространстве сам объект, оставляя центр проекции неподвижным. Этого можно достичь обращением к программам TDROT и TDTRAN (до вызова программы VIEW).
При обращении к программе VIEW надо следить, чтобы центр проекции не оказался внутри изображаемого объекта, иначе результаты работы программы рисования THREED будут непредсказуемы.
Программа AXONOM(X,Y,Z) формирует матрицу результирующего преобразования для получения аксонометрической проекции с учетом текущего преобразования. Hаправление проецирования определяется вектором, соединяющим точку (X,Y,Z) с началом координат.
A одномерный массив длины 16.
Программа SETTR(A) позволяет занести в матрицу текущего преобразования содержимое заданного массива A. Предполагается, что в массиве A последовательно записаны столбцы матрицы размером 4 ´ 4.
Bспомогательные и служебные программы.
Программа HCUNIT(A) формирует единичную матрицу A размером 4 ´ 4.
Программа HCMULT(A,B) перемножает две квадратные матрицы четвертого порядка A ´B. Pезультат помещается на место матрицы A.
Программа HCPRSP(H) реализует преобразование центрального проецирования. Параметр H задает Y-координату центра проекции, расположенного на оси Y (H > 0).
Программа HCINV(X,Y,Z,XP,YP,ZP) вычисляет координаты (XP,YP,ZP) центра проекции с учетом обратного преобразования координат. Предварительно вычисляется матрица обратного преобразования.
Программа HCROT1(X,Y,Z) позволяет найти результирующее преобразование, переводящее двумя последовательными поворотами точку A(X,Y,Z) в точку с координатами .
Рассмотрим задачу о нахождении направляющих косинусах, задающих ориентацию подвижной системы координат Oxyz относительно некоторой, назовем ее неподвижной, системой координат OXYZ. Исходную систему координат подвижного трехгранника обозначим Ox 0 y 0 z 0 и до поворота она соответственно совпадала с системой координат OXYZ. Пусть трехгранник Oxyz переместился из положения Ox 0 y 0 z 0 в текущее в результате одного поворота на угол около оси On, заданной единичным ортом в системе координат OXYZ. Ось On может занимать разное направление, не обязательно совпадающим с одной из осей трехгранника OXYZ. Представим используемые системы координат и их связи граф-схемой:
- матрица направляющих косинусов, задающая ориентацию трехгранника Ox v y v z v , одна из осей которого (пусть первая ось Ox v) задает ориентацию оси поворота On;
- матрица поворота относительно оси On .
Тогда искомая матрица конечного поворота определяется соотношением
.
Или раскрывая выражение и используя свойства (1.9) , получим матрицу конечного поворота в следующем виде
(1.11)
Направляющие косинусы, задающие ориентацию оси On поворота ПО на угол . Таким образом, положение подвижной системы координат задается с помощью четырех параметров: , .
Матричная форма формулы Эйлера
Пусть в системе координат СК m задана точка M, которая определена вектором
где – проекции вектора на оси системы координат СК m , что отмечено нижним индексом “m”.
Определим линейную скорость точки М в проекциях на оси системы координат СК m . Согласно формуле Эйлера имеем
. (1.12)
Здесь – вектор угловой скорости системы координат СК m относительно системы координат СК s , выраженный в проекциях этого вектора на оси системы координат СК m .
Используя матричную форму векторного произведения, запишем
Запишем полученный результат в матричной форме
, (1.13)
Где (1.14)
Индекс “~ ” (тильда) указывает на кососимметричную форму данной матрицы.
Формула Пуассона
В традиционной форме обозначения угловую скорость можно представить в виде
Заметим, что в формуле (1.13) неявно было положено условие
В общем случае, когда выведем рабочее соотношение другим способом.
Продифференцируем соотношение
Или в другой форме
(1.18)
В двумерном пространстве поворот можно описать одним углом θ со следующей матрицей линейного преобразования в декартовой системе координат:
Положительным углам при этом соответствует вращение вектора против часовой стрелки в обычной, правосторонней системе координат, и по часовой в левосторонней системе координат.
Сам поворот происходит путём умножения матрицы поворота на вектор
Матрицами вращения вокруг оси декартовой правой системы координат на угол α в трёхмерном пространстве являются:
Вращение вокруг оси x:
,
Вращение вокруг оси y:
,
Вращение вокруг оси z:
,
В трёхмерном пространстве для описания поворота можно использовать
Матрицы поворота вектора в декартовой системе координат, соответствующие первым двум способам задания поворота:
Однако, поскольку умножение матриц не коммутативно, то есть: , следовательно, положение системы координат после поворота вокруг трех осей будет зависеть от последовательности поворотов, то существует 6 различных видов матрицы поворота:
1) Поворот около осей: X -> Y -> Z
2) Соответственно: X -> Z -> Y
3) Y -> X -> Z
4) Y -> Z -> X
5) Z -> X -> Y
6) Z -> Y -> X
Получить же нужную матрицу можно путем последовательного перемножения матриц поворота около одной оси (приведенных выше) в соответствии с желаемым порядком.
33) Обра́тная ма́трица - такая матрица A −1 , при умножении на которую исходная матрица A даёт в результате единичную матрицу E :
1), где обозначает определитель.
2)для любых двух обратимых матриц A и B .
3)где * T обозначает транспонированную матрицу.
4)для любого коэффициента .
5)Если необходимо решить систему линейных уравнений Ax = b , (b - ненулевой вектор) где x - искомый вектор, и если A − 1 существует, то x = A − 1 b . В противном случае либо размерность пространства решений больше нуля, либо их нет вовсе.
Матричный метод решения (метод решения через обратную матрицу) систем линейных алгебраических уравнений с ненулевым определителем состоит в следующем.
Пусть дана система линейных уравнений с n неизвестными (над произвольным полем):
Тогда её можно переписать в матричной форме:
AX = B , где A - основная матрица системы, B и X - столбцы свободных членов и решений системы соответственно:
Умножим это матричное уравнение слева на A − 1 - матрицу, обратную к матрице A :
Так как A − 1 A = E , получаем X = A − 1 B . Правая часть этого уравнения даст столбец решений исходной системы. Условием применимости данного метода (как и вообще существования решения неоднородной системы линейных уравнений с числом уравнений, равным числу неизвестных) является невырожденность матрицы A. Необходимым и достаточным условием этого является неравенство нулю определителя матрицы A:
Для однородной системы линейных уравнений, то есть когда вектор B = 0, действительно обратное правило: система AX = 0 имеет нетривиальное (то есть ненулевое) решение только если det A = 0. Такая связь между решениями однородных и неоднородных систем линейных уравнений носит название альтернативы Фредгольма.
Билет 34. Теорема о связи решений однородной и неоднородной СЛАУ.
Неоднородная система: Ax=B, B≠0.
Однородная система: Ах=0.
Теорема: 1. Если вычесть два решения неоднородной системы, то получится решение однородной системы.
2. Если к решению неоднородной системы прибавить решение однородной системы, то получится решение неоднородной системы.
Доказательство:
1) с 1 ,с 2 – два решения неоднородной системы.
Ас 1 =В; Ас 2 =В. Из первой системы вычтем вторую систему: Ас 1 -Ас 2 =0; А(с 1 -с 2)=0; с 1 -с 2 – решение однородной системы.
2) Ас н =В – решение неоднородной системы.
Ас о =0 - решение однородной системы.
Ас н + Ас о =В. А(с н + с о)=В. с н + с о – решение неоднородной системы.
Билет 35. Несовместность СЛАУ. Метод Гауса.
Если система решений не имеет, то она называется несовместной.
Алгоритм решения СЛАУ методом Гаусса подразделяется на два этапа:
1)На первом этапе осуществляется так называемый прямой ход, когда путём элементарных преобразований над строками систему приводят к ступенчатой или треугольной форме, либо устанавливают, что система несовместна. А именно, среди элементов первого столбца матрицы выбирают ненулевой, перемещают его на крайнее верхнее положение перестановкой строк и вычитают получившуюся после перестановки первую строку из остальных строк, домножив её на величину, равную отношению первого элемента каждой из этих строк к первому элементу первой строки, обнуляя тем самым столбец под ним. После того, как указанные преобразования были совершены, первую строку и первый столбец мысленно вычёркивают и продолжают пока не останется матрица нулевого размера. Если на какой-то из итераций среди элементов первого столбца не нашёлся ненулевой, то переходят к следующему столбцу и проделывают аналогичную операцию.
2)На втором этапе осуществляется так называемый обратный ход, суть которого заключается в том, чтобы выразить все получившиеся базисные переменные через небазисные и построить фундаментальную систему решений, либо, если все переменные являются базисными, то выразить в численном виде единственное решение системы линейных уравнений. Эта процедура начинается с последнего уравнения, из которого выражают соответствующую базисную переменную (а она там всего одна) и подставляют в предыдущие уравнения, и так далее, поднимаясь по «ступенькам» наверх. Каждой строчке соответствует ровно одна базисная переменная, поэтому на каждом шаге, кроме последнего (самого верхнего), ситуация в точности повторяет случай последней строки.
Уравнение y=kx+b называется уравнением прямой с угловым коэффициентом; k - угловой коэффициент, b - величина отрезка, который отсекает прямая на оси Оу, считая от начала координат. Тангенс угла наклона прямой к оси Ох называется угловым коэффициентом прямой. k=tg(альфа).
Угол между двумя прямыми:
Первая прямая: L 1 , n 1 (p 1 ,q 1 ,r 1).
Вторая прямая: L 0 , n 0 (p,q,r).
L 1 // L 0 ; n 1 // n 0 ; p 1 /р=q 1 /q= r 1 /r – условие параллельности 2 прямых.
L 1 ﬩ L 0 ; n 1 ﬩n 0 ; (n 1 ,n)=0; pp 1 +qq 1 +rr 1 =0 – условие параллельности 2 прямых.
Cosφ=(n 1 ,n)/|n 1 |*|n 0 |
В плоскости Лобачевского две прямые могут либо пересекаться, либо могут быть параллельными в некотором направлении, либо расходящимися. Поэтому в плоскости Лобачевского существует три вида пучков прямых:
1) пучок прямых, пересекающихся в одной точке, называемой центром пучка; такой пучок называется центральным или эллиптическим;
2) пучок прямых, параллельных в заданном направлении некоторой прямой, называемой осью пучка; такой пучок называется параболическим;
3) пучок расходящихся прямых, перпендикулярных к некоторой прямой, называемой базой пучка; такой пучок называется гиперболическим.
Взаимное расположение прямых на плоскости.
Прямые линии в пространстве могут быть параллельными, пересекающимися и скрещивающимися. Рассмотрим подробнее каждый случай.
1. Параллельные прямые линии.
Параллельными называются две прямые, которые лежат в одной плоскости и не имеют общих точек.
Проекции параллельных прямых на любую плоскость (не перпендикулярную данным прямым) - параллельны. Если AB//CD то A 1 B 1 //C 1 D 1 ; A 2 B 2 //C 2 D 2 ; A 3 B 3 //C 3 D 3 (рис.33). В общем случае справедливо и обратное утверждение.
Матричное описание вращения твёрдого тела упрощает многие операции; однако, для того, чтобы полностью описать ориентацию вращающегося твёрдого тела, необходимо использовать все девять элементов матрицы поворота. Непосредственно эти элементы не составляют полной системы обобщённых координат, с помощью которых можно описать ориентацию вращающегося твёрдого тела относительно абсолютной системы координат.
В качестве обобщённых координат можно использовать углы Эйлера j , q и y .
Таблица 3.1. Три системы углов Эйлера
Последова-тельность поворотов |
На j вокруг оси OZ |
На j вокруг оси OZ |
На y вокруг оси OX |
На q вокруг оси OU |
На q вокруг оси OV |
На q вокруг оси OY |
|
На y вокруг оси OW |
На y вокруг оси OW |
На j вокруг оси OZ |
Первая из систем углов Эйлера обычно используется при описании движения гироскопов и соответствует следующей последовательности поворотов (рис. 3.2):
Рисунок 3.2. Первая система углов Эйлера
R
j
,
q
,
y
=
R
z
,
j
×R
u
,
q
×R
w
,
y
=
=
=
.
(3-2)
R j , q , y , может быть также получен в результате выполнения последовательности следующих поворотов вокруг осей неподвижной системы координат: сначала на угол y вокруг оси OZ , затем на угол q вокруг оси OX , затем на угол j вокруг оси OZ .
На рисунке 3.3 показана вторая система углов Эйлера, определяемая следующей последовательностью поворотов:
Поворот на угол j вокруг оси OZ (R z , j).
Поворот на угол q вокруг оси OV (R v , q).
Поворот на угол y вокруг повёрнутой оси OW (R w , y).
Результирующая матрица поворота имеет следующий вид:
R
j
,
q
,
y
=
R
z
,
j
×R
v
,
q
×R
w
,
y
=
=
=
.
(3-3)
Поворот, описываемый матрицей R j , q , y для этой системы углов Эйлера, может быть получен также в результате выполнения последовательных поворотов: на угол y вокруг оси OZ , на угол q вокруг оси OY , на угол j вокруг оси OZ .
Рисунок 3.3. Вторая система углов Эйлера
Ещё одну систему углов Эйлера составляют так называемые углы крена , тангажа и рыскания . Эти углы обычно применяются в авиации для описания движения самолётов.
Они соответствуют следующей последовательности поворотов:
Поворот на угол y вокруг оси OX (R x , y ) – рыскание.
Поворот на угол q вокруг оси OY (R y , q ) – тангаж.
Поворот на угол j вокруг оси OZ (R z , j ) – крен.
Результирующая матрица поворота имеет вид:
R
j , q , y
= R
z , j
×R
y , q
×R
x , y
=
=
=
. (3-4)
Поворот, описываемый матрицей R j , q , y в переменных «крен, тангаж, рыскание» может быть также получен в результате выполнения следующей последовательности поворотов вокруг осей абсолютной и подвижной систем координат: на угол j вокруг оси OZ , затем на угол q вокруг повёрнутой оси OV , на угол y вокруг повёрнутой оси OU (продольная ось аппарата – Z ) (рис. 3.4).
Рисунок 3.4. Крен, тангаж, рысканье (третья система углов Эйлера)