如何在三维空间中生成任意方向的矩形内部点位坐标

**场景:**控制库卡六轴机械臂等在空间中运动,需要根据配置的3个点位(左上,左下,右上)进行计算,算出这3个点在空间中构成的矩形,计算出在这个矩形中(即不包括边界点位),等距离间隔的所有点位坐标。局部坐标系转换成全局坐标系可以处理空间中任意方向的矩形。无需考虑平面定义xoy,zoy,xoz。

理论依据

基于向量的线性组合和坐标变换原理。假设入参是三个点 P₁(x₁,y₁,z₁), P₂(x₂,y₂,z₂), P₃(x₃,y₃,z₃),首先判断这三个点是否可以形成一个矩形。向量 P₁P₂ 和 P₁P₃需垂直,即点积为0。然后计算出第四个点P₄ = P₁ + (P₂ - P₁) + (P₃ - P₁) = (x₂ + x₃ - x₁, y₂ + y₃ - y₁, z₂ + z₃ - z₁)。最后建立全局坐标系,生成所有点位。

C#版代码实现:

public class Point

{

public double X { get; set; }

public double Y { get; set; }

public double Z { get; set; }

public Point(double x, double y, double z)

{

X = x;

Y = y;

Z = z;

}

public override string ToString()

{

return $"({X}, {Y}, {Z})";

}

}

public class GetCoordinates3D

{

public static List<Point> getPoints(Point p1, Point p2, Point p3, double dist )

{

/* u,v计算向量*/

Vector3D u = new Vector3D(p2.X - p1.X, p2.Y - p1.Y, p2.Z - p1.Z);

Vector3D v = new Vector3D(p3.X - p1.X, p3.Y - p1.Y, p3.Z - p1.Z);

if (Math.Abs(Vector3D.Dot(u, v)) > 0.0001)

{

throw new ArgumentException("无法构成矩形,请重新输入三个点位参数");

}

double length = u.Magnitude();//长度

double width = v.Magnitude();//宽

// 计算点范围

List<double> xSteps = new List<double>();

List<double> ySteps = new List<double>();

for (double x = dist; x < length; x += dist)

{

xSteps.Add(x);

}

for (double y = dist; y < width; y += dist)

{

ySteps.Add(y);

}

List<Point> points = new List<Point>();//点位集合定义

// 单位向量

Vector3D uUnit = u.Normalize();

Vector3D vUnit = v.Normalize();

foreach (double x in xSteps)

{

foreach (double y in ySteps)

{

// 转换到全局坐标系

Point point = new Point(

p1.X + x * uUnit.X + y * vUnit.X,

p1.Y + x * uUnit.Y + y * vUnit.Y,

p1.Z + x * uUnit.Z + y * vUnit.Z

);

points.Add(point);

}

}

return points;

}

}

public class Vector3D

{

public double X { get; set; }

public double Y { get; set; }

public double Z { get; set; }

public Vector3D(double x, double y, double z)

{

X = x;

Y = y;

Z = z;

}

public double Magnitude()

{

return Math.Sqrt(X * X + Y * Y + Z * Z);

}

public Vector3D Normalize()

{

double mag = Magnitude();

if (mag == 0)

return new Vector3D(0, 0, 0);

return new Vector3D(X / mag, Y / mag, Z / mag);

}

public static double Dot(Vector3D a, Vector3D b)

{

return (a.X * b.X + a.Y * b.Y + a.Z * b.Z);

}

}

class Program

{

static void Main(string[] args)

{

try

{

/*测试参数XYZ,点位间距10*/

Point p1 = new Point(0, 0, 0);

Point p2 = new Point(100, 0, 0);

Point p3 = new Point(0, 50, 0);

List<Point> points = GetCoordinates3D.getPoints(p1, p2, p3, 10);

Console.WriteLine($"生成 {points.Count} 点位");

Console.WriteLine("以下是点坐标:");

for (int i = 0; i < points.Count; i++)

{

Console.WriteLine($"点{i + 1}: {points[i]}");

}

}

catch (Exception ex)

{

Console.WriteLine($"错误: {ex.Message}");

}

}

}

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