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

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1 2.1.5 Rotations in 3D: 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 6a 6b

5 Problem 7a: Solution by an isometric drawing: x y z 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° « f ixed frame », active transformation

7 Rotation autour daxes liés au corps 7c z axis 90°y axis 90° y « Body frame »

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

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

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

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

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

13 Problèmes de (11) 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! Lexpression 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)

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: 1.Il n'y aura pas deux, mais trois parties imaginaires, en plus de la partie réelle. 2.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 i 2 = j 2 = k 2 = ijk = –1 (11e) ij = k = –ji jk = i = –kj ki = j = –ik (11f) (11d)

18 Comment la rotation est-elle exprimée dans le quaternion? Laxe de rotation est donnée par la partie vectorielle = [ 1 2, 3 ] T Q = { 0, 1 2, 3 } ={ 0, }

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

20 Donc tous les quaternions de rotation sont unitaires: 0 = cos( /2) | | = sin( /2) = 1 (11b) (11c)

21 Les règles mènent au produit Q M Q L = { 0, } { 0, } = (11g) i 2 = j 2 = k 2 = –1 ij = k = –ji jk = i = –kj ki = j = –ik { 0 0 – T 0 0 } Ce produit définit l'enchaînement des rotations Q L puis Q M Exercice 8b): Exercice 7 avec des quaternions.

22 Passage entre quaternions et matrice des cosinus directeurs


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