关于位姿变换的一点体会

╰半夏微凉° 2021-12-11 10:51 343阅读 0赞

### 关于位姿变换的一点体会 ###

*  1.题外话
 *  2.刚体的位姿变换
 *   *  2.1 位姿变换的定义
     *  2.2 旋转矩阵的具体形式
     *   *  2.2.1 二维情况
         *  2.2.2 三维情况
 *  3.旋转方向
 *  4.平移方向

# 1.题外话 #

对于刚体的位姿变换问题，以前总觉得很简单，不就是个旋转平移嘛。可是几天手动做了的坐标变换却做了很久才做好。究其原因，还是有些问题没弄清楚。所以，今天在此写篇博客，彻底把这个过程捋一捋。

# 2.刚体的位姿变换 #

## 2.1 位姿变换的定义 ##

确实，刚体的姿态变换就两部分：**旋转和平移**。先来看看书上是怎么介绍旋转和平移的。在《视觉slam十四讲》中，对于这部分内容是这样将的：

--------------------

我们设某个单位正交基 ( e 1 , e 2 , e 3 ) (e\_\{1\},e\_\{2\},e\_\{3\}) (e1,e2,e3)经过一次旋转，变成了  ( e 1 ′ , e 2 ′ , e 3 ′ ) (e&\#x27;\_\{1\},e&\#x27;\_\{2\},e&\#x27;\_\{3\}) (e1′,e2′,e3′)。那么，对于同一个向量  a a a（注意该向量并没有随着坐标系的旋转而发生运动），它在两个坐标系下的坐标为 \[ a 1 ; a 2 ; a 3 \] T \[a\_\{1\}; a\_\{2\}; a\_\{3\}\]^T \[a1;a2;a3\]T 和  \[ a ′ 1 ; a ′ 2 ; a ′ 3 \] T \[a′\_\{ 1\}; a′\_\{ 2\}; a′ \_\{3\}\]^T \[a′1;a′2;a′3\]T。根据坐标的定义，有：  
![在这里插入图片描述][20190708235653739.png_pic_center]  
为了描述两个坐标之间的关系，我们对上面等式左右同时左乘 \[ e 1 T , e 2 T , e 3 T \] T \[e^T\_\{1\},e^T\_\{2\},e^T\_\{3\}\]^T \[e1T,e2T,e3T\]T，那么左边的系数变成了单位矩阵，所以  
![在这里插入图片描述][20190708235934264.png_pic_center]  
我们把中间的阵拿出来，定义成一个矩阵  R R R。这个矩阵由两组基之间的内积组成，刻画了旋转前后同一个向量的坐标变换关系。只要旋转是一样的，那么这个矩阵也是一样的。可以说，矩阵  R R R 描述了旋转本身。因此它又称为旋转矩阵。

在欧氏变换中，除了旋转之外还有一个平移。考虑世界坐标系中的向量  a a a，经过一次旋转（用 R R R 描述）和一次平移  t t t 后，得到了  a ′ a′ a′，那么把旋转和平移合到一起，有：  
 a ′ = R a + t a′= Ra + t a′=Ra\+t  
其中，  t t t 称为平移向量。相比于旋转，平移部分只需把这个平移量加到旋转之后的坐标上，显得非常简洁。

--------------------

以上内容摘自《视觉slam十四讲》第三章中的内容。

## 2.2 旋转矩阵的具体形式 ##

从上面的内容可以看到，旋转矩阵是由两组基向量的内积组成。接下来再看看沿各个坐标轴进行旋转的旋转矩阵怎样写。

### 2.2.1 二维情况 ###

对于二维的情况，比较简单。旋转矩阵（旋转方向为逆时针）为：  
 R = \[ c o s ( θ ) − s i n ( θ ) s i n ( θ ) c o s ( θ ) \] R= \\left\[ \\begin\{matrix\} cos(\\theta) & -sin(\\theta)\\\\ sin(\\theta) & cos(\\theta) \\end\{matrix\} \\right\] R=\[cos(θ)sin(θ)−sin(θ)cos(θ)\]

### 2.2.2 三维情况 ###

**绕x轴进行旋转（在yz平面逆时针旋转）**  
 R = \[ 1 0 0 0 c o s ( θ ) − s i n ( θ ) 0 s i n ( θ ) c o s ( θ ) \] R= \\left\[ \\begin\{matrix\} 1& 0& 0\\\\ 0&cos(\\theta) & -sin(\\theta)\\\\ 0&sin(\\theta) & cos(\\theta) \\end\{matrix\} \\right\] R=⎣⎡1000cos(θ)sin(θ)0−sin(θ)cos(θ)⎦⎤

**绕y轴进行旋转（在xz平面逆时针旋转）**  
 R = \[ c o s ( θ ) 0 − s i n ( θ ) 0 1 0 s i n ( θ ) 0 c o s ( θ ) \] R= \\left\[ \\begin\{matrix\} cos(\\theta) & 0& -sin(\\theta)\\\\ 0&1&0 \\\\ sin(\\theta)& 0& cos(\\theta) \\end\{matrix\} \\right\] R=⎣⎡cos(θ)0sin(θ)010−sin(θ)0cos(θ)⎦⎤  
**绕z轴进行旋转（在xy平面逆时针旋转）**  
 R = \[ c o s ( θ ) − s i n ( θ ) 0 s i n ( θ ) c o s ( θ ) 0 0 0 1 \] R= \\left\[ \\begin\{matrix\} cos(\\theta) & -sin(\\theta)& 0\\\\ sin(\\theta)& cos(\\theta)& 0\\\\ 0&0&1 \\\\ \\end\{matrix\} \\right\] R=⎣⎡cos(θ)sin(θ)0−sin(θ)cos(θ)0001⎦⎤

# 3.旋转方向 #

下面来考虑一个简单的问题。

**问题**：将点 p = ( 1 , 0 ) p =(1,0) p=(1,0)，按照旋转矩阵 R R R进行旋转，旋转后的坐标为多少？  
 R = \[ c o s ( θ ) − s i n ( θ ) s i n ( θ ) c o s ( θ ) \] ， θ = π / 2 R = \\left\[ \\begin\{matrix\} cos(\\theta) & -sin(\\theta)\\\\ sin(\\theta) & cos(\\theta) \\end\{matrix\} \\right\] ，\\theta=\\pi/2 R=\[cos(θ)sin(θ)−sin(θ)cos(θ)\]，θ=π/2

这个问题很简单，口算都可以算出答案是 p ′ = ( 0 , 1 ) p&\#x27;=(0,1) p′=(0,1)。

但这里面有些问题需要搞清楚。按照旋转矩阵 R R R进行旋转，我们将点 p = ( 0 , 1 ) p =(0,1) p=(0,1)变换为了 p ′ = ( 1 , 0 ) p&\#x27;=(1,0) p′=(1,0)。相当于把点 p p p逆时针旋转了 π / 2 \\pi/2 π/2。这并没有什么问题。在上一节的旋转矩阵的定义中，我们也说了这种形式的旋转矩阵是进行逆时针旋转。

![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3UwMTQ3MDk3NjA_size_16_color_FFFFFF_t_70_pic_center]

但是问题在于，很多情况下点的位置是固定的，它并不会发生变化。旋转之后发生变化的是坐标系。也就是说，旋转过后，点 p p p的实际位置并没有变，它还是在那个位置。但是它的坐标变了（ p ′ = ( 0 ， 1 ) p&\#x27;=(0，1) p′=(0，1)），也就是所在的坐标系变了。那坐标系是怎么旋转的呢？刚好与坐标旋转的方向相反——**顺时针旋转**。  
![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3UwMTQ3MDk3NjA_size_16_color_FFFFFF_t_70_pic_center 1]

**这个道理同时适用于三维的情况。**

我觉得，能把这个问题想清楚很重要。

# 4.平移方向 #

进行平移变换的时候，同样存在上面的问题。

我们可以考虑一下。将点 p = ( 1 , 1 ) p = (1,1) p=(1,1)按向量 （ 1 ， 2 ） （1，2） （1，2）进行平移，很显然平移后的坐标为 p ′ = ( 2 , 3 ) p&\#x27;=(2,3) p′=(2,3)。如下图所示：  
![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3UwMTQ3MDk3NjA_size_16_color_FFFFFF_t_70_pic_center 2]  
同样，很多情况下点的位置是固定的，变化的是坐标。所以，如果点的位置不变，在进行平移之后点的坐标变为了 p ′ = ( 2 , 3 ) p&\#x27;=(2,3) p′=(2,3)，那只能是坐标系进行了平移。那坐标系是怎么平移的呢？——与坐标平移方向相反，按向量 ( − 1 , − 2 ) (-1,-2) (−1,−2)进行平移。如下图所示  
![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3UwMTQ3MDk3NjA_size_16_color_FFFFFF_t_70_pic_center 3]

**总结一下：关于旋转和平移，必须要想清楚是对点（或向量）进行旋转平移还是对坐标系进行旋转平移。**

[20190708235653739.png_pic_center]: /images/20211211/870a84debebc4a2ba42176506edc013b.png
[20190708235934264.png_pic_center]: /images/20211211/59ee1fb1a06a4f36a3b8d35d573124df.png
[watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3UwMTQ3MDk3NjA_size_16_color_FFFFFF_t_70_pic_center]: /images/20211211/31db98826a084c438774c9a23fb335a0.png
[watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3UwMTQ3MDk3NjA_size_16_color_FFFFFF_t_70_pic_center 1]: /images/20211211/00ed7a09a8e443ef879b0de5873ba180.png
[watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3UwMTQ3MDk3NjA_size_16_color_FFFFFF_t_70_pic_center 2]: /images/20211211/d12a719c1e23438595d032f2ad5d2b5f.png
[watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3UwMTQ3MDk3NjA_size_16_color_FFFFFF_t_70_pic_center 3]: /images/20211211/a9832f7eb7ed49748d19953167f13276.png