Кинематические уравнения для кватернионов
Для получения дифференциального уравнения для кватерниона, соответствующего вектору конечного поворота, воспользуемся решением рассмотренной выше задачи о движении базиса относительно базиса . В моменты времени t 12 и t 13 подвижный базис занимает положения и соответственно, причем ориентация базиса относительно определяется кватернионом
,
а базиса относительно – кватернионом
.
Угловое положение базиса относительно базиса определяется кватернионом
.
Здесь о2, о3 и о4 – малые величины порядка малости выше второго, третьего и четвертого соответственно.
При построении этих кватернионов использовалась формула (7.26). Для получения выражения для производной кватерниона воспользуемся определением производной как предела и, учитывая очевидное равенство
, получим:
.
Вычислив этот предел с учетом выражения (7.33) для скорости , получим (при этом учтем также, что кватернион соответствует произвольно взятому моменту времени t 12 и при записи окончательного выражения для производной может быть заменен на более общее обозначение – Q):
. (7.52)
Отметим, что формула (7.52) получена для кватерниона Q поворота от базиса к базису , обратному повороту соответствует сопряженный кватернион Q *. Кинематическое уравнение для сопряженного кватерниона получим, осуществив процедуру инвертирования для правой и левой частей уравнения (7.52):
|
|
. (7.53)
Отметим также, что в обеих формулах (7.52) и (7.53) вектор – это вектор угловой скорости базиса относительно базиса , спроецированный на оси базиса . Можно переписать эти формулы для случая, когда вектор спроецирован на оси базиса в соответствии с (7.31).
Обобщим эти результаты для любых двух трехгранников Ob 1 b 2 b 3 и Oe 1 e 2 e 3, условно обозначенных Beg и End. Пусть поворот от «начального» (Beg) к «конечному» (End) трехгранникам описывается кватернионом Q , обратный поворот – сопряженным кватернионом Q *. Пусть трехгранник Oe 1 e 2 e 3 относительно трехгранника Ob 1 b 2 b 3 вращается с угловой скоростью , а трехгранник Ob 1 b 2 b 3 относительно Oe 1 e 2 e 3 – с угловой скоростью = – . Разложение вектора по базису трехгранника Ob 1 b 2 b 3 имеет вид:
,
а по базису трехгранника Oe 1 e 2 e 3 – вид:
.
соответственно, разложение вектора по базису трехгранника Ob 1 b 2 b 3 имеет вид:
,
а по базису трехгранника Oe 1 e 2 e 3 – вид:
.
Тогда кинематические уравнения (7.52) и (7.53) принимают вид:
(7.54а)
(7.54б)
Все уравнения (7.54) эквиваленты и при решении практических задач можно выбирать любые, предпочтение следует отдавать тем, которые содержат доступные скалярные составляющие векторов и . В качестве примера запишем дифференциальные уравнения для введенных ранее кватернионов:
|
|
· для кватерниона вращения от ОХи Y и Z и к ОХ YZ с угловой скоростью :
; (7.55)
· для кватерниона вращения от ОХ YZ к О ENH с угловой скоростью :
; (7.56)
· для кватерниона вращения от О ENH к Оξηζ с угловой скоростью (для обоих вариантов отсчета угла χ):
; (7.57)
· для кватерниона вращения от О X и Y и Z и к Оξηζ с угловой скоростью :
; (7.58)
· для кватерниона вращения от О XYZ к Оξηζ с угловой скоростью :
, (7.59)
здесь выражения для составляющих скорости получаются из формул (6.4);
· для кватерниона вращения от О xgygzg к О xyz с угловой скоростью , в зависимости от того, на какие оси спроецирован вектор :
- на оси связанного трехгранника О xyz – выражения (6.1)
|
|
, (7.60а)
- на оси нормального трехгранника О xgygzg
; (7.60б)
· для кватерниона вращения от Оξηζк О xyz с угловой скоростью , в зависимости от того, на какие оси спроецирован вектор :
- на оси связанного трехгранника О xyz
, (7.61а)
- на оси опорного трехгранника Оξηζ)
; (7.61б)
· для кватерниона , обратного кватерниону , в зависимости от того, на какие оси спроецирован вектор :
- на оси связанного трехгранника О xyz)
, (7.62а)
- на оси опорного трехгранника Оξηζ
; (7.62б)
Дата добавления: 2021-01-21; просмотров: 123; Мы поможем в написании вашей работы! |
Мы поможем в написании ваших работ!