三维坐标旋转矩阵推导过程(包看懂)

推导前提:

  1. 坐标使用右手坐标系,角度逆时针旋转为正。平面上点旋转
  2. X轴旋转角度为 俯仰角 Pitch
  3. Y轴旋转角度为 偏航角 YawHead
  4. Z轴旋转角度为 翻滚角 Roll

一、平面二维坐标点的旋转

如右图所示,根据三角函数关系,可以列出向量OP与OP'的坐标表示形式:

x = |OP|•cosα               x′ = |OP|•cos(α+β)

y = |OP|•sinα               y′ = |OP|•sin(α+β)

Px′y′)表达式展开:

x′ = |OP|•cos(α+β) = |OP|•(cosα•cosβ - sinα•sinβ) = x•cosβ - y•sinβ

y′ = |OP|•sin(α+β) = |OP|•(sinα•cosβ + cosα•sinβ) = x•sinβ + y•cosβ

为方便运算理解,我们将二维点旋转表示为矩阵:

                                  ​​​​​​​        

以上便是二维坐标点的旋转矩阵,接下来我们来推导三维坐标点的旋转矩阵

二、立体三维坐标点的旋转

1、绕Z轴旋转

参考二维点旋转矩阵同样的推导流程,我们可以推导出来三维点绕Z轴旋转的坐标表达式:

x′ = |OP|•cos(α+β) = |OP|•(cosα•cosβ - sinα•sinβ) = x•cosβ - y•sinβ

y′ = |OP|•sin(α+β) = |OP|•(sinα•cosβ + cosα•sinβ) = x•sinβ + y•cosβ

z′ = z

为方便运算理解,我们将三维点旋转表示为矩阵:        ​​​​​​​        ​​​​​​​        ​​​​​​​        

        ​​​​​​​        ​​​​​​​        ​​​​​​ 

2、绕Y轴旋转

                         ​​​​​​​        ​​​​​​​        ​​​​​​​        

3、绕X轴旋转

        ​​​​​​​        ​​​​​​​        ​​​​​​​ 

 4、绕三轴旋转(先绕x,再绕y,最后绕z轴旋转。)

三轴全旋转矩阵 :

 整理计算后表达式为:

注:绕轴旋转的顺序不一样,得到的旋转矩阵也不一样!

综上所推导,得到三维旋转点的对应关系:

        ​​​​​​​        ​​​​​​​        ​​​​​​​        ​​​​​​​        ​​​​​​​        

旋转矩阵推导过程PDF文档下载

猜你喜欢

转载自blog.csdn.net/qq_34885669/article/details/124344320
今日推荐