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SLAM学习二 旋转矩阵/轴角/欧拉角/四元数

SLAM学习二 旋转矩阵/轴角/欧拉角/四元数

作者: 打出了枫采 | 来源:发表于2019-03-17 12:02 被阅读0次

一些前导数学知识:
矩阵的迹,一个n×n矩阵A的主对角线(从左上方至右下方的对角线)上各个元素的总和,记作tr(A)
矩阵的特征向量,从数学上看,如果向量v与变换A满足Av=λv,则称向量v是变换A的一个特征向量λ是相应的特征值。这一等式被称作“特征值方程”。这是一个很重要的线性代数概念,需要更多的理解,切记。
正交矩阵AA^T=E,即A^T=A^{-1}A为正交矩阵。

旋转矩阵即三维刚体发生旋转变换时的位姿(位姿,物体位置及朝向)变化的数学线性表示方式,符号R,其为正交矩阵。
轴角即旋转变化时的轴与角,轴用向量n表示,角\theta,即旋转向量\theta{n}n表示与旋转轴同方向的单位向量,旋转角\theta表示其长度
欧拉角即将轴角形式分离成三个轴上的旋转变换角形式
四元数一种扩展复数形式,符号q,数学形式:
q=q_0 + q_1i + q_2j + q_3k
其中i^2=j^2=k^2=-1 ij=k, ji=-k jk=i, kj=-i ki=j, ik=-j

四者之间的一些转换关系:
(1)旋转矩阵与轴角间的变换:
R=cos{\theta}·I + (1 - cos{\theta})nn^T + sin\theta·n^\land
tr(R)=1+cos2\theta
Rn=n

\land表示向量到反对称矩阵的转换,tr(R)表示矩阵的
第一个式子即罗德里格斯公式,轴角到旋转矩阵的转换;
第二个式子即表明角到旋转矩阵R的转换;
第三个式子中即轴经过旋转后不变,转轴n时矩阵R特征值1对应的特征向量。

(2)旋转向量与四元数的变换:
q=[cos{\frac{\theta}{2}}, n·sin{\frac{\theta}{2}}]
\theta=2{arccos} q_0
[n_x,n_y,n_z]^T=[q_1,q_2,q_3]^T/ sin{\frac{\theta}{2}}

(3)旋转矩阵到四元数的变换,四元数自身的一些基本运算规则,此处省略,参见书中P52-P55内容。

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