四元数 欧拉角 旋转矩阵

一、基础定义

表示 自由度 描述 优缺点
旋转矩阵 R 3×3 → 3自由度 刚体旋转线性映射 ✅ 直接乘点云/向量方便 ❌ 冗余、累积误差易破坏正交性
四元数 q = w,x,y,z 4 → 3自由度 单位四元数表示旋转 ✅ 紧凑、无奇异点、插值方便 ❌ 不直观,公式理解稍复杂
欧拉角 (roll, pitch, yaw) 3 绕固定轴顺序旋转 ✅ 直观角度表示 ❌ 万向节锁、插值不方便

二、旋转矩阵 ↔ 欧拉角

假设 ZYX 顺序(yaw-pitch-roll):

cpp 复制代码
% 欧拉角 -> 旋转矩阵
phi = pi/6; theta = pi/4; psi = pi/3;
R = eul2rotm([psi,theta,phi]); % 默认 ZYX 顺序
disp(R)
    0.3536   -0.5732    0.7392
    0.6124    0.7392    0.2803
   -0.7071    0.3536    0.6124
cpp 复制代码
% 旋转矩阵 -> 欧拉角
eul = rotm2eul(R);
disp(rad2deg(eul)) % 转为角度显示

三、旋转矩阵 ↔ 四元数

  • 四元数 q = w, x, y, z

  • 旋转矩阵到四元数公式:

cpp 复制代码
% 旋转矩阵 -> 四元数
q = rotm2quat(R); % 返回 [w x y z]
disp(q)

% 四元数 -> 旋转矩阵
R2 = quat2rotm(q);
disp(R2)

四、欧拉角 ↔ 四元数

  • 欧拉角 → 旋转矩阵 → 四元数

    cpp 复制代码
    % 欧拉角 -> 四元数
    q = eul2quat([psi,theta,phi]);
  • 四元数 → 旋转矩阵 → 欧拉角

    cpp 复制代码
    % 四元数 -> 欧拉角
    eul = quat2eul(q);
    disp(rad2deg(eul))

五、总结

1、示意图

转换 MATLAB 函数
欧拉角 → 旋转矩阵 eul2rotm()
旋转矩阵 → 欧拉角 rotm2eul()
旋转矩阵 → 四元数 rotm2quat()
四元数 → 旋转矩阵 quat2rotm()
欧拉角 → 四元数 eul2quat()
四元数 → 欧拉角 quat2eul()

2、问题

  • 问:为什么四元数比欧拉角好?

    ✅ 因为四元数无万向节锁,可连续插值(SLERP),适合优化和控制。

  • 问:为什么旋转矩阵要保持正交?

    ✅ 保持向量长度和正交性,否则会产生缩放或扭曲。

  • 问:三者的转换注意什么?

    ✅ 顺序(ZYX vs XYZ)和单位四元数规范化。

  • 问:ICP / Kabsch 用哪种表示?

    ✅ R(旋转矩阵)为主,用四元数优化也可,但旋转矩阵更直观。

旋转矩阵适合计算,四元数适合插值,欧拉角适合展示。

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