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文档简介

坐标系及其变换完成第1页,课件共18页,创作于2023年2月(1)坐标系的相对变换相对于参考系的相对变换——始终相对于一个相同的参考系的变换2)相对于当前系的相对变换——每个平移、旋转变换始终相对于当前坐标系(每个当前坐标系均不同)。第2页,课件共18页,创作于2023年2月(2)坐标系前乘变换或后乘变换的相对变换

设C是以齐次坐标矩阵表示的坐标系,T是由若干平移、旋转变换因子按一定顺序组成的变换。显然TC及CT将得到完全不同的变换结果,原因是坐标系C所作的相对变换不同。1)坐标系C前乘(左乘)变换时,得到的TC是C始终相对于同一参考系的变换,变换的动作顺序由T的最后(最右)因子开始,以最前(最左)的因子结束其变换。2)坐标系C后乘(右乘)变换时,得到的CT是C相对于不同当前坐标系的变换,变换的动作顺序由T的最前(最左)因子开始,以最后(最右)的因子结束其变换。TC与CT导致不同变换的结果与矩阵乘法不服从交换律的性质是一致的。第3页,课件共18页,创作于2023年2月【例2.4】给定一坐标系

及一变换T=试确定C相对于参考系的变换

X=TC及C相对于当前系的变换Y=CT。第4页,课件共18页,创作于2023年2月解:相对于参考系的相对变换为:X=TC其变换的动作顺序为先旋转后平移。相对于当前系的相对变换为:Y=CT其变换的动作顺序为先平移后旋转。第5页,课件共18页,创作于2023年2月4.逆变换将被变换坐标系变回到原来的坐标系时,可以用变换T的逆来实现。例如X=TC使C变换为X,若用X求C则为

给定变换T为

则T的逆阵为

(2-14)式中p、n、o、a表示T的各列矢量;”

”表示二矢量的数量积。

第6页,课件共18页,创作于2023年2月5.一般旋转变换所谓一般旋转变换,即其旋转轴线不与参考系任何轴线重合,而是参考系中某一矢量,这一矢量的方向用其上的单位矢量。表示。

为了导出一般旋转变

的计算公式,设

是一个坐标系C中轴

的单位矢量,一般坐标系为

C=(2-15)第7页,课件共18页,创作于2023年2月其中轴的单位矢量为这样,绕矢量旋转就等于绕坐标系C的

轴旋转,即(2-16)第8页,课件共18页,创作于2023年2月图2-12一般旋转变换如图2-12所示,被旋转的坐标系为

,该系以坐标系

为参考系记为Y,以坐标系C为参考

系时记为X(注意:X、Y均为

坐标系

)。Y与X的关系为

或

(2-17)第9页,课件共18页,创作于2023年2月绕旋转Y等效于绕坐标系的C的轴旋转X,即(2-18)式中的

表示将

变换到与左端

相同的参考系中去,否则(2-18)的等式不成立。将(2-17)式代入(2-18)式,得因此第10页,课件共18页,创作于2023年2月

现将此式展开,并利用C矩阵的正交性对展开式进行整理,得到一般旋转变换的计算公式为(2-19)

式中

—一般轴的单位矢量的3个方向的分量,即(2-15)式中的

;第11页,课件共18页,创作于2023年2月V—

的缩写,通常为正矢;S—

的简写;

C—

的简写;

由(2-19)式可见,一般旋转变换在

角不变时,它仅仅是矢量

的函数,

绕坐标轴的

旋转变换仅是一般旋转变换的特例。例如绕坐标轴的

旋转变换

,其

,将这些值代入(2-19)式,得第12页,课件共18页,创作于2023年2月它与(2-13)式完全一致。第13页,课件共18页,创作于2023年2月6.等效旋转轴及等效旋转角

对于一个任意给定的旋转变换,可以利用(2-19)式求出绕等效旋转轴

、等效旋转角为

的等效变换。

设给定的旋转变换R为R=使R式与(2-19)式相等,得(2-20)第14页,课件共18页,创作于2023年2月(2-20)式两端矩阵的对角线元素分别相加,仍然相等,故有(2-21)利用

及

,得(2-22)由此解出等效旋转角

的余弦为

(2-23)(2-20)式两端矩阵非对角线上对称元素相等,得(2-24)第15页,课件共18页,创作于2023年2月由此解出等效旋转角

的正弦为(2-25)规定

在

中选取,故上式取正值,因而等效旋转角

唯一地按下式确定:(2-26)等效旋转轴矢量

的分量可用(2-24)式确定:第16页,课件共18页,创作于2023年2月(2-27)利用(2-27)式解矢量

,当

很小可能导致单位矢量的模大于1,这时需要对

进行标准化:

第17页,课件共18页,创作于2023年2月当

接近于

时,(2-27)式的计算

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