为何将差分四元数转换为欧拉角无法得到角速度?
为何将差分四元数转换为欧拉角无法得到角速度?
嘿,这个问题刚好戳中了很多人刚接触四元数和角速度时的认知误区,我来帮你理清楚问题出在哪~
首先,你把差分四元数diff = q2 * inverse(q1)理解成“单位时间内把q1转到q2的角速度”,这是核心的误解:这个差分四元数代表的是一次有限的旋转总量,而不是瞬时角速度。
举个简单例子:假设你用1秒时间从姿态q1转到q2,这个diff是你这1秒内完成的整个旋转动作,相当于“转了多少角度”;而角速度是你在旋转过程中每一瞬间的旋转速度,是“每秒转多少角度”的瞬时值——两者一个是总结果,一个是变化率,本质完全不同。
然后说回欧拉角的问题:就算你把diff转换成欧拉角,得到的也是这一次旋转在三个轴上的总旋转角度,除以时间得到的最多是“平均角速度”,但这和严谨方法计算的瞬时角速度不是一回事。而且欧拉角本身有万向锁的问题,不同的旋转顺序(比如ZYX和XYZ)分解出来的角度也不一样,这进一步导致结果和严谨计算的偏差。
那角速度和四元数的正确关系是什么呢?其实角速度是和四元数的导数直接绑定的,公式是:
dq/dt = 0.5 * ω_q * q
这里的ω_q是角速度矢量对应的纯四元数(实部为0,虚部是角速度的三个分量)。反过来,如果两个姿态q1和q2的时间间隔Δt非常小(小到旋转量可以近似成线性变化),你可以用这个公式近似瞬时角速度:
ω ≈ 2 * inverse(q1) * (q2 - q1) / Δt
但前提是Δt必须足够小,此时差分四元数才会接近角速度的线性近似。
总结一下,你的问题就出在把“有限旋转总量”当成了“瞬时角速度”,转欧拉角得到的总角度除以时间只是平均角速度,自然和严谨计算的瞬时角速度结果不一样啦~
备注:内容来源于stack exchange,提问作者Rufus




