任何关于刚体旋转的旋转矩阵是由三个基本旋转矩阵复合而成的

发布时间 2023-12-21 14:13:58作者: porter_代码工作者
首先来看一下什么是欧拉角(Euler angles)?
构件在三维空间中的有限转动,可依次用三个相对转角表示,即进动角、章动角和自旋角,这三个转角统称为欧拉角。——引自百度百科
莱昂哈德·欧拉用欧拉角来描述刚体在三维欧几里得空间的取向。对于任何一个参考系,一个刚体的取向,是依照顺序,从这参考系,做三个欧拉角的旋转而设定的。所以,刚体的取向可以用三个基本旋转矩阵来决定。换句话说,任何关于刚体旋转的旋转矩阵是由三个基本旋转矩阵复合而成的。——引自wikipedia

好了,引完了,我来说一下我的理解吧,欧拉角是对旋转的一种刻画方式,就像其他刻画方式一样如旋转矩阵,四元数。欧拉角对应的旋转矩阵可以看作是三个绕轴旋转的旋转矩阵的复合。
问题来了,三个绕轴旋转的旋转矩阵绕的是什么坐标系下的轴?
对于坐标系E下的欧拉角(α,β,r)和以下哪个旋转矩阵是等价的
1.绕坐标系E下的x轴旋转α,绕坐标系E下的y轴旋转β,绕坐标系E下的z轴旋转r,三个矩阵的复合
2.绕坐标系E下的x轴旋转α,绕 坐标系E在绕x轴旋转α后的新系E'下的y轴旋转β,绕 坐标系E'在绕y轴旋转β后的新系E''下的z轴旋转r,三个矩阵的复合
通俗的讲,我们在旋转时,要不要把坐标系一起转动?
事实上两种理解都可以,当然,两种转法并不等价,下面我来解释这个问题,
当我们讲到坐标系E下的欧拉角(α,β,r)时,这句话是有歧义的,我们必须定义旋转顺序,因为旋转顺序会影响旋转结果。
如果假设旋转顺序是先绕x轴再y轴再z轴,x-y-z,那么这个欧拉角对应的旋转矩阵是指上述的2所表示的旋转矩阵。
如果假设旋转顺序是先绕z轴再y轴再x轴,z-y-x,那么这个欧拉角对应的旋转矩阵是指上述的1所表示的旋转矩阵,等等,你肯定会问,这难道不是把2中的先后顺序换一下就行了吗,"绕坐标系E下的z轴旋转r,绕 坐标系E在绕z轴旋转r后的新系E'下的y轴旋转β,绕 坐标系E'在绕y轴旋转β后的新系E''下的x轴旋转α,三个矩阵的复合"难道不是这样吗?是的,当然也是这样。

这两种复合方式是相等的,