【从理论到代码】旋转矩阵与欧拉角 一

本篇主要是结合odom座标系与相机座标系之间的转换,可以用于将odom数据与视觉slam进行融合时的位姿计算;

主要分为两部分,第一部分讲述旋转矩阵与欧拉角之间的转换;第二部分讲述如何将odom的位移和角度转换到相机座标系下;

假设空间中的任意一点  

绕Z轴旋转了度,那么求旋转后的座标,这里我直接给出自己的推导:

假设旋转之后的点为,A点与X轴的夹角为beta,A点到原点的距离为L,那么我们可以得出以下几条式子:     

按照三角函数的倍角公式展开代入L和的表达式化简之后有

写出矩阵形式有

尽管图示中仅仅表示的是旋转一个锐角的情形,但是我们推导中使用的是三角函数的基本定义来计算座标的,因此当旋转的角度是任意角度(例如大于180度,导致A’点进入到第四象限)结论仍然是成立的。

同理可得其他两个轴的旋转矩阵如下

绕x轴旋转的alpha矩阵:

绕y轴旋转的alha矩阵:

由角度值转换成旋转矩阵的过程中需要注意两种情况,一种是绕固定轴旋转,一种是绕动态轴旋转。

以slam中的机器人的odom座标系和相机座标系为例:

这两种座标系的关系图如下所示:(两个座标系都符合右手法则)

以机器人的前进方向来说,当机器在向前方行进时,在座标系中表示,即为向odom的x方向前进,向相机座标系的z轴方向前进。

同理,odom座标系的y轴正方向,与相机座标系的x轴整方向差一个负号,表示成公式即为(不考虑平移):

cam.x = -odom.y;
cam.y = -odom.z;
cam.z = odom.x;

这种从odom座标系到cam座标系的关系 用固定轴和动态轴旋转方式表示分别如下:

对应在ORBSLAM中R矩阵的书写方式为Roc,即从odom座标系旋转到cam座标系

固定轴: 严格按照[x,y,z]的顺序:先绕odom座标系的x轴逆时针旋转90度,再绕odom座标系的y轴旋转0度,再绕odom座标系的z轴旋转-90度;

动轴:  严格按照[z,y,x]的顺序:线绕odom的座标系的z轴逆时针旋转-90度,再绕新odom的y轴旋转0度,再绕新odom的x轴逆时针旋转90度;

每一次旋转都会生成一个旋转矩阵,在拼接成最终的旋转矩阵时的顺序,都是Rotation = rotationZ*rotaionY*rotaionX;

因此,最后的R= [0, 0, 1; -1, 0, 0; 0,-1,0] 

用Eigen来生成这个矩阵就是: (这里需要注意,在Eigen中传入的值是弧度值,而非角度值,所以要将-90 度转换为 -90.0*M_PI/180)

Eigen::Vector3d xyztheta(-90.0*M_PI/180, 0 ,-90*M_PI/180);
Eigen::Matrix<double,3,3> Reigen;
Reigen = Eigen::AngleAxisd(xyzangles[2],Eigen::Vector3d::UnitZ()) *
         Eigen::AngleAxisd(xyzangles[1],Eigen::Vector3d::UnitY())*
         Eigen::AngleAxisd(xyzangles[0],Eigen::Vector3d::UnitX());

这样计算出来的旋转矩阵

同理,如果已知旋转矩阵,想要转换成物体旋转各个表示方法之间的转换举例:

以cam1 为参考, 其R矩阵为单位阵, cam2相对与cam1之间的旋转矩阵为RotationMatrix,如下:

RotationMatrix << 0.539026 ,- 0.0785835, 0.838615,
        0.0609289 ,0.996668, 0.0542316,
        - 0.840082, 0.0218637, 0.542018;
Eigen::Vector3d euler_angles=RotationMatrix.eulerAngles(2,1,0);
     std::cout << "yaw(Z) pitch(Y) roll(X)=\n" << euler_angles.transpose() << std::endl;

将旋转矩阵转换成为欧拉角之后 yaw(Z) pitch(Y) roll(X)=0.112557  0.997435 0.0403156
 这三个数分别代表了cam2绕cam1的各个轴之间的旋转弧度值,其范围为-Π<x<Π , 因此实际的角度值分别为0.112557/pi*180;   0.997435/pi*180  0.0403156/pi*180

 

 

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