2.1.5 Rotations in 3D: Rotation axis

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1 2.1.5 Rotations in 3D: Rotation axis
Angle Rotation axis 2D: Angle Center of rotation In 3 dimensions, we need to specify angle and axis

2 Rotation around x,y,z

3 Exercice 6 a): rotation by 90° around z, then rotation by 90° around y
b): rotation by 90° around y, then rotation by 90° around z

4 Solution by matrix multiplication

5 Problem 7a: Solution by an isometric drawing:
z y x z axis 90° y axis 90° corresponds to 120° rotation around. [1,1,1]’ axis!

6 isometric drawing 7b y axis 90° z axis 90°
« fixed frame » , active transformation

7 Rotation autour d’axes liés au corps
y’ z axis 90° y’ axis 90° « Body frame »

8 Rotation autour d’axes lié au corps
Body frame 7d z’ y axis 90° z’ axis 90°

9 Passage Matrice de cos. dir. => Axe/Angle
(11)

10 Application de (11) à l’ex. 6
ex. 6a) ex. 6b)

11 Passage Axe/Angle => Matrice de cos. dir.
rotation d'un angle J autour de l'axe [x,y,z]T avec || [x,y,z]T|| = 1 (10)

12 Ex. 8 1. solution: Formule (10) 2. solution:

13 En pratique, il y aura une mauvaise condition
Problèmes de (11) L’expression axe/angle de l'équation (11) présente deux défauts majeurs pour le traitement à l'ordinateur: 1.) La solution n'est pas unique (racine pos. ou neg.) 2.) sin()=0 mène à une singularité (axe non-défini) En pratique, il y aura une mauvaise condition numérique pour tout angle proche de 0 ou de 180° et une erreur pour ces deux cas!

14 Solution: Quaternions!
Ces deux inconvénients disparaissent de façon élégante en employant les paramètres d'Euler*) ou quaternions ou paramètres de Rodriguez. Les quaternions sont employés en robotique industrielle. *) A ne pas confondre avec les angles d'Euler

15 Les quaternions sont une généralisation des nombres complexes.
Après de longs et infructueux essais d'étendre l'interpre- tation géométrique des nb. complexes dans le plan (Argand, , mathématicien genevois) aux 3 dimensions, Hamilton (1843) a trouvé les deux astuces nécessaires: Il n'y aura pas deux, mais trois parties imaginaires, en plus de la partie réelle. Il faut abandonner la commutativité de la multiplication.

16 Partie réelle, parties imaginaires
Ces nouveaux nombres "hypercomplexes", contiennent une partie réelle scalaire 0 et trois parties imaginaires [1 2, 3]T qui sont interprétées comme partie vectorielle  . le quaternion Q est donc le quadruple Q = { 0 , 1 2, 3} = { 0 , } (11a)

17 Parties imaginaires: Généralisation de i = √(–1)
Q = { 0 , 1 2, 3} = 0 + i 1+ j 2 + k 3 i2 = j2 = k2 = ijk = – (11e) ij = k = –ji jk = i = –kj ki = j = –ik (11f) (11d)

18 Comment la rotation est-elle exprimée dans le quaternion?
L’axe de rotation est donnée par la partie vectorielle  = [1 2, 3]T Q = { 0 , 1 2, 3} ={ 0 , }

19 0 = cos(/2) || = sin(/2) Raison: L’axe de rotation disparaît pour
Angle de rotation: 0 = cos(/2) || = sin(/2) (11b) Raison: L’axe de rotation disparaît pour angles de rotation 0°, 360°, 720°…

20 Donc tous les quaternions de rotation sont unitaires:
0 = cos(/2) || = sin(/2) (11b) Donc tous les quaternions de rotation sont unitaires: (11c) 02 + 12+ 22+ 2 = 1

21 Les règles mènent au produit
i2 = j2 = k2 = –1 ij = k = –ji jk = i = –kj ki = j = –ik Les règles mènent au produit QMQL = { 0 , } { 0 ,  } = { 00 – T , 0 + 0  +    } (11g) Ce produit définit l'enchaînement des rotations QL puis QM Exercice 8b): Exercice 7 avec des quaternions.

22 Passage entre quaternions et matrice des cosinus directeurs