SO(3) 与 so(3) 的对应关系及案例

1. 定义与对应关系

SO(3)(特殊正交群)是三维旋转矩阵的集合:

SO(3) = { R ∈ ℝ³ˣ³ | RᵀR = I, det(R) = 1 }

so(3) 是 SO(3) 在单位元处的切空间,由所有 3×3 反对称矩阵组成:

so(3) = { φ∧ ∈ ℝ³ˣ³ | φ∧ᵀ = −φ∧ }

其中 φ = (φ₁, φ₂, φ₃)ᵀ 是一个三维向量,φ∧ 是其反对称矩阵:

φ∧ = 0 −φ₃ φ₂

φ₃ 0 −φ₁

−φ₂ φ₁ 0

核心映射关系:

  • 指数映射(so(3) → SO(3)):exp(φ∧) = R(即罗德里格斯公式)
  • 对数映射(SO(3) → so(3)):log(R) = φ∧
  • hat 映射(向量 → 反对称矩阵):φ∧ = hat(φ)
  • vee 映射(反对称矩阵 → 向量):φ = vee(φ∧)

2. 怎么从so(3) 变回 SO(3):绕 Z 轴旋转 90°

设旋转向量 φ = (0, 0, π/2)ᵀ,即绕 Z 轴旋转 90°。 (Ps:个人认为 φ就是惯导里面讲的等效旋转矢量)

步骤一:构造 so(3) 反对称矩阵

φ∧ = 0 −π/2 0

π/2 0 0

0 0 0

步骤二:指数映射得到旋转矩阵

利用罗德里格斯公式:R = I + (sinθ/θ)·φ∧ + ((1−cosθ)/θ²)·(φ∧)²

其中 θ = π/2,sinθ = 1,cosθ = 0:

R = 0 −1 0

1 0 0

0 0 1

这正是绕 Z 轴旋转 90° 的标准旋转矩阵。

步骤三:对数映射(反向验证)

Tr(R)是R的迹:1;

从 R 可以提取转角 θ = arccos((Tr(R)−1)/2) = arccos(0) = π/2,转轴为 (0,0,1),恢复出 φ = (0, 0, π/2)。

怎么从 SO(3) 变回 so(3)?------对数映射

给定一个旋转矩阵 RR,要找回它的旋转向量,先求转角

θ = arccos((Tr(R)−1)/2)

然后反对称矩阵部分由下式给出:

从反对称矩阵中读出 (ux,uy,uz),就得到了单位转轴,再乘上 θ 就是 so(3) 的向量形式。

相关推荐
熊猫_豆豆6 天前
家庭扫地机器人路径规划Python版本
机器人·扫地机器人·slam·路径规划
事已至此_先吃饭吧10 天前
调试 ORB_SLAM2 非ROS版本
slam
全息数据14 天前
里程计运动模型及标定【激光slam(一)】
slam·激光slam·定位与建图
zh路西法14 天前
【3D SLAM源码解读系列】(四) GTSAM与iSAM2——从回环约束到位姿图优化
c++·slam·gtsam·pgo·isam2
乱七八糟的屋子23 天前
TooN 超详细入门实战教程|C++轻量极致精简矩阵库(机器人/SLAM专用)
矩阵·机器人·数值计算·slam·c++矩阵库·轻量线性代数·机器人数学
kobesdu1 个月前
激光雷达运动畸变是怎么来的,FAST-LIO又如何用IMU反向传播消除它?
ros·slam·fastlio
酸梅果茶1 个月前
【7】lightning_lm项目-LIO 前端 -IVox 局部地图
前端·slam
a1117761 个月前
机器人导航入门指南(从 0 到 1)
笔记·学习·slam
酸梅果茶1 个月前
【6】lightning_lm项目-LIO 前端 -点云预处理模块
前端·slam
酸梅果茶1 个月前
【2】lightning_lm项目-阶段1-基础理解
slam