东北天(ENU)和北东地(NED)

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东北天(ENU)和北东地(NED)

2023-09-05 05:48| 来源: 网络整理| 查看: 265

文章目录 一、坐标系定义1.东北天坐标系(ENU)2.北东地坐标系(NED) 二、在ENU坐标系向量变换到NED坐标系向量三、将载体相对ENU的姿态和位置,变换为载体相对NED的姿态和位置1、外旋和内旋2、各个轴旋转矩阵3、ENU和右前上载体坐标系的姿态3、NED和前右下载体坐标系的姿态3、转换

一、坐标系定义 1.东北天坐标系(ENU)

请添加图片描述 1)x轴指向东, y轴指向北, z轴指向天 2)绕x轴转动,称为pitch角 绕y轴转动,称为roll角 绕z轴转动,成为yaw角 注意:这里和常规定义不太一样,主要是为了配合保证前向角是roll角。如果你不想这么定义,后续的旋转矩阵和旋转顺序进行一个改变。

3)对应的IMU载体坐标系是右前上

4)欧拉角旋转顺序:z-x-y

2.北东地坐标系(NED)

请添加图片描述 1)x轴指向北, y轴指向东, z轴指向地 2)绕x轴转动,称为roll角 绕y轴转动,称为pitch角 绕z轴转动,成为yaw角 3)对应的IMU载体坐标系是前右下

4)欧拉角旋转顺序:z-y-x

二、在ENU坐标系向量变换到NED坐标系向量

从坐标系定义中,可以看出,ENU和NED的坐标变换关系是: X(ENU) = Y(NED) Y(ENU) = X(NED) Z(ENU) = -Z(NED) Yaw(ENU) = -Yaw(NED)+ 90

注意:虽然ENU和NED旋转顺序不同,但是都是根据yaw-pitch-roll顺序进行旋转的。

三、将载体相对ENU的姿态和位置,变换为载体相对NED的姿态和位置 1、外旋和内旋

旋转轴分绕固定坐标系旋转和绕动坐标系旋转,前者称为外旋,后者称为内旋。 - Fixed Angles 外旋 - Euler Angles 内旋

1)外旋(Fixed Angles) 外旋为绕静止坐标系旋转,也就是每次旋转都绕参考的静止坐标系进行三轴旋转。外旋为旋转矩阵按照先后依次左乘。

2)内旋(Euler Angles) 外旋为动坐标系旋转,也就是每次旋转后绕变化后的坐标系进行三轴旋转。内旋为旋转矩阵按照先后依次右乘。

在外旋和内旋中有一个特性很重要,这里先提一下:X-Y-Z的外旋等价于Z-Y-X内旋

2、各个轴旋转矩阵

请添加图片描述

默认情况下的旋转,参考系为n系(ENU,或者NED),载体系为b系,旋转的时候,参考系不动,载体系进行旋转

3、ENU和右前上载体坐标系的姿态

参考系(导航系):(ENU)东北天 载体系(机体系):(XYZ)右前上 旋转顺序:Z-X-Y 姿态顺序:(Yaw-Pitch-Roll)偏航-俯仰-横滚 旋转轴:内旋 要计算内旋的Z-X-Y,我们只需要计算外旋的Y-X-Z即可,也就是计算出ENU_Y-X-Z_Fixed_Angles: 在这里插入图片描述 但是内旋的右乘就是从左到右乘了,从这里也可以看出左乘的Y-X-Z等于右乘的Z-X-Y了。

下面的旋转矩阵是从载体系到参考系的旋转矩阵R_b2n,左上角标有F表示是外旋下的DCM:

注意:内旋是按照旋转顺序右乘,外旋是按照旋转顺序左乘,所以内旋的Z-X-Y等于外旋的Y-X-Z。

在这里插入图片描述 根据外旋内旋规则那么得到内旋的旋转矩阵R_b2n:从载体系到参考系:

在这里插入图片描述

求转置可得到从参考系到载体系的旋转矩阵: 在这里插入图片描述

3、NED和前右下载体坐标系的姿态

参考系(导航系):(NED)北东地 载体系(机体系):(XYZ)前右下 旋转顺序:Z-Y-X 姿态顺序:(Yaw-Pitch-Roll)偏航-俯仰-横滚 旋转轴:内旋 前面我们说了,旋转矩阵和坐标系无关,所以NED下的ZYX和ENU下的ZYX是一样的哦,唯一不同的就是,姿态的命名和正负方向不一样了,绕X轴变成了横滚,绕Y轴变成了俯仰,Z轴还是偏航。

在这里插入图片描述 这个旋转矩阵是从载体系到参考系: 在这里插入图片描述

求转置可得到从参考系到载体系的旋转矩阵: 在这里插入图片描述

注意: 我们说的姿态角是载体相对参考坐标系的旋转欧拉角

3、转换

请添加图片描述

参考: https://zhuanlan.zhihu.com/p/336357646



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