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剛体の
運動方程式④
オイラー角と
角速度の変換
回転の座標変換行列
Z軸周り
𝑹 𝑍(𝜓) =
cos 𝜓 sin 𝜓 0
− sin 𝜓 cos 𝜓 0
0 0 1
Y軸周り
𝑹 𝑌(𝜃) =
cos 𝜓 0 − sin 𝜓
0 1 0
sin 𝜓 0 cos 𝜓
X軸周り
𝑹 𝑋(𝜙) =
1 0 0
0 cos 𝜙 sin 𝜙
0 − sin 𝜙 cos 𝜙
回転の座標変換行列
Z軸周り
𝑥1
𝑦1
𝑧1
= 𝑹 𝑍 (𝜓)
𝑥0
𝑦0
𝑧0
Y軸周り
X軸周り
𝑥2
𝑦2
𝑧2
= 𝑹 𝑌(𝜃)
𝑥1
𝑦1
𝑧1
𝑥3
𝑦3
𝑧3
= 𝑹 𝑋(𝜙)
𝑥2
𝑦2
𝑧2
𝑥3
𝑦3
𝑧3
= 𝑹 𝑋 (𝜙)𝑹 𝑌 (𝜃)𝑹 𝑍 (𝜓)
𝑥0
𝑦0
𝑧0
回転の座標変換行列
= 𝑬(𝜙, 𝜃, 𝜓)
𝑥0
𝑦0
𝑧0
𝑬 𝜙, 𝜃, 𝜓 = 𝑹 𝑋 (𝜙)𝑹 𝑌 (𝜃)𝑹 𝑍 (𝜓)
回転の座標変換行列
𝑬 𝜙, 𝜃, 𝜓 =
cos 𝜃 cos 𝜓 cos 𝜃 sin 𝜓 − sin 𝜃
sin 𝜙 sin 𝜃 cos 𝜓 − cos 𝜙 sin 𝜓 sin 𝜙 sin 𝜃 sin 𝜓 + cos 𝜙 cos 𝜓 sin 𝜙 cos 𝜃
cos 𝜙 sin 𝜃 cos 𝜓 + sin 𝜙 sin 𝜓 cos 𝜙 sin 𝜃 sin 𝜓 − sin 𝜙 cos 𝜓 cos 𝜙 cos 𝜃
地球座標から航空機の座標へ
𝑌0
𝑍0
𝑋0
𝑋1
𝑌2
𝑋2
𝑍2
𝑍1
𝑋3
𝑍3
𝑌3
𝑬 𝜙, 𝜃, 𝜓 は地球座標系𝑋0 𝑌0 𝑍0系
から𝑋3 𝑌3 𝑍3系への座標変換行列
座標の回転のイメージ
地球座標から飛行機の座標へ
𝑬 𝜙, 𝜃, 𝜓 は地球座標系𝑋0 𝑌0 𝑍0系
から𝑋3 𝑌3 𝑍3系への座標変換行列
逆は?
𝑌0
𝑍0
𝑋0
𝑋1
𝑌2
𝑋2
𝑍2
𝑍1
𝑋3
𝑍3
𝑌3
座標の回転のイメージ
地球座標から飛行機の座標へ
𝑬 𝜙, 𝜃, 𝜓 は地球座標系𝑋0 𝑌0 𝑍0系
から機体座標系𝑋3 𝑌3 𝑍3系への座
標変換行列
逆行列𝑬−𝟏
𝜙, 𝜃, 𝜓 は機体座標系
𝑋3 𝑌3 𝑍3系から地球座標系𝑋0 𝑌0 𝑍0
系への座標変換行列
地球座標系→機体座標系
機体座標系→地球座標系
𝑌0
𝑍0
𝑋0
𝑋1
𝑌2
𝑋2
𝑍2
𝑍1
𝑋3
𝑍3
𝑌3
座標の回転のイメージ
地球座標から飛行機の座標へ
回転の座標変換行列の逆行列は
転置行列と等しい
𝑬−𝟏
𝜙, 𝜃, 𝜓 = 𝑬 𝑻
𝜙, 𝜃, 𝜓
𝑌0
𝑍0
𝑋0
𝑋1
𝑌2
𝑋2
𝑍2
𝑍1
𝑋3
𝑍3
𝑌3
座標の回転のイメージ
転置行列について
1 2 3
4 5 6
7 8 9
𝑇
=
1 4 7
2 5 8
3 6 9
𝑎 𝑏 𝑐
𝑑 𝑒 𝑓
𝑔 ℎ 𝑖
𝑇
=
𝑎 𝑑 𝑔
𝑏 𝑒 ℎ
𝑐 𝑓 𝑖
転置の記号
機体の速度ベクトルの地球座標への変換
𝑥
𝑦
𝑧
= 𝑬−𝟏 𝜙, 𝜃, 𝜓
𝑢
𝑣
𝑤
航空機の
機体座標
での速度
航空機の
地球座標
での速度
機体の速度ベクトルの地球座標への変換
𝑥
𝑦
𝑧
= 𝑬−𝟏 𝜙, 𝜃, 𝜓
𝑢
𝑣
𝑤
航空機の
機体座標
での速度
航空機の
地球座標
での速度
航空機の速度が機体
に対してどっち向い
ているか
航空機の速度が地球
に対してどっち向い
ているか
オイラー角:航空機の姿勢
地球座標系を𝜓→𝜃→𝜙回して航空機の機体座標に
一致するとき(𝜙,𝜃,𝜓)は航空機の姿勢を表す。
これをオイラー角と呼ぶ
オイラー角:航空機の姿勢
地球座標系を𝜓→𝜃→𝜙回して航空機の機体座標に
一致するとき(𝜙,𝜃,𝜓)は航空機の姿勢を表す。
これをオイラー角と呼ぶ
同じ姿勢を表すオイラー角は一つではないことに注意
機体角速度のオイラー角角速度への変換
𝜙
𝜃
𝜓
= 𝑬−𝟏 𝜙, 𝜃, 𝜓
𝑝
𝑞
𝑟
以降、角速度の座標変換と言います。
角速度の座標変換
𝜙
𝜃
𝜓
= 𝑬−𝟏 𝜙, 𝜃, 𝜓
𝑝
𝑞
𝑟
座標変換行列では角速度の変換はできない
何故、角速度の座標変換に座標変換行列
が使えないのか?
機体の角速度(𝑝, 𝑞, 𝑟)は機体座標に定義されてい
るが、オイラー角は(𝝓, 𝜽, 𝝍)一つの座標系に対
して定義されているものでは無いから。
剛体の運動方程式③の座標変換行列の説明を参照してください
角速度の座標変換
𝑥0
𝑦0
𝑧0
𝜓
角速度の座標変換
𝑥0
𝑦0
𝑧0
𝑧0
𝑥0
𝑦0
𝑥1
𝑦1
𝜓
𝜓
2次元平面への射影
角速度の座標変換
𝑥1
𝑦1
𝑧1
𝜃
𝜓
回転後の座標系
角速度の座標変換
𝑥1
𝑦1
𝑧1
𝜃
𝜓
𝑦1
𝑧1
𝑥1
𝑧2
𝑥2
𝜃
𝜃
𝜓
2次元平面への射影
角速度の座標変換
𝑥2
𝑦2
𝑧2
𝜃
𝜓 cos 𝜃
𝑧1
𝑧1
𝑥1
𝑧2
𝑥2
𝜃
𝜃
𝜓
𝜓 sin 𝜃
𝑧1
𝑧1
𝑥1
𝑧2
𝑥2
𝜃
𝜃
𝜓
𝜓 cos 𝜃
𝜓 sin 𝜃
回転後の座標系
角速度の座標変換
𝑥2
𝑦2
𝑧2
𝜃
𝜓 cos 𝜃
𝜓 sin 𝜃
𝜙
角速度の座標変換
𝑥2
𝑦2
𝑧2
𝜃
𝜓 cos 𝜃
𝜓 sin 𝜃
𝜙
𝑥2
𝑦2
𝑧2
𝑦3
𝑧3
𝜙
𝜙
𝜃
𝜓 cos 𝜃
2次元平面への射影
角速度の座標変換
𝑥3
𝑦3
𝑧3
𝜃 cos 𝜙
𝜓 cos 𝜃 cos 𝜙
𝜓 sin 𝜃
𝜙
𝑥2
𝑦2
𝑧2
𝑦3
𝑧3
𝜙
𝜙
𝜃
𝜓 cos 𝜃𝜃 sin 𝜙
𝜃 sin 𝜙
𝜓 cos 𝜃 cos 𝜙
𝜓 cos 𝜃 sin 𝜙
𝜓 cos 𝜃 sin 𝜙
回転後の座標系
角速度の座標変換
𝑥3
𝑦3
𝑧3
𝜃 cos 𝜙
𝜓 cos 𝜃 cos 𝜙
𝜓 sin 𝜃
𝜙
𝜃 sin 𝜙
𝜓 cos 𝜃 sin 𝜙
𝑥3
𝑦3
𝑧3
𝑥3 𝑦3 𝑧3は機体座標系
𝑝
𝑞
𝑟
角速度の座標変換
𝑥3
𝑦3
𝑧3
𝜃 cos 𝜙
𝜓 cos 𝜃 cos 𝜙
𝜓 sin 𝜃
𝜙
𝜃 sin 𝜙
𝜓 cos 𝜃 sin 𝜙
𝑥3
𝑦3
𝑧3
𝑥3 𝑦3 𝑧3は機体座標系
𝑝
𝑞
𝑟
𝑝 = 𝜙 − 𝜓 sin 𝜃
𝑞 = 𝜃 cos 𝜙 + 𝜓 cos 𝜃 sin 𝜙
𝑟 = 𝜓 cos 𝜃 cos 𝜙 − 𝜃 sin 𝜙
角速度の座標変換
𝑥3
𝑦3
𝑧3
𝜃 cos 𝜙
𝜓 cos 𝜃 cos 𝜙
𝜓 sin 𝜃
𝜙
𝜃 sin 𝜙
𝜓 cos 𝜃 sin 𝜙
𝑥3
𝑦3
𝑧3
𝑝
𝑞
𝑟
𝑝 = 𝜙 − 𝜓 sin 𝜃
𝑞 = 𝜃 cos 𝜙 + 𝜓 cos 𝜃 sin 𝜙
𝑟 = 𝜓 cos 𝜃 cos 𝜙 − 𝜃 sin 𝜙
𝑝
𝑞
𝑟
=
1 0 −sin 𝜃
0 cos 𝜙 sin 𝜙 cos 𝜃
0 − sin 𝜙 cos 𝜙 cos 𝜃
𝜙
𝜃
𝜓
角速度の座標変換
𝑥3
𝑦3
𝑧3
𝜃 cos 𝜙
𝜓 cos 𝜃 cos 𝜙
𝜓 sin 𝜃
𝜙
𝜃 sin 𝜙
𝜓 cos 𝜃 sin 𝜙
𝑥3
𝑦3
𝑧3
𝑝
𝑞
𝑟
𝑝
𝑞
𝑟
=
1 0 −sin 𝜃
0 cos 𝜙 sin 𝜙 cos 𝜃
0 − sin 𝜙 cos 𝜙 cos 𝜃
𝜙
𝜃
𝜓
𝜙
𝜃
𝜓
=
1 sin 𝜙 tan 𝜃 cos 𝜙 tan 𝜃
0 cos 𝜙 − sin 𝜙
0 sin 𝜙 cos 𝜃 cos 𝜙 cos 𝜃
𝑝
𝑞
𝑟
角速度のオイラー角角速度への変換
𝑝
𝑞
𝑟
=
1 0 −sin 𝜃
0 cos 𝜙 sin 𝜙 cos 𝜃
0 − sin 𝜙 cos 𝜙 cos 𝜃
𝜙
𝜃
𝜓
𝜙
𝜃
𝜓
=
1 sin 𝜙 tan 𝜃 cos 𝜙 tan 𝜃
0 cos 𝜙 − sin 𝜙
0 sin 𝜙 cos 𝜃 cos 𝜙 cos 𝜃
𝑝
𝑞
𝑟
地球座標系→機体座標系
機体座標系→地球座標系
剛体の運動方程式と座標変換のまとめ
1 機体に固定された機体座標系で定義
2 未知数は 機体速度 𝑢, 𝑣, 𝑤
機体角速度 𝑝, 𝑞, 𝑟
3 地球座標系での速度と角速度を求めるには座標変換が必要
4 地球座標系での速度と角速度を積分することにより地球上
での位置と姿勢が判明する
課題1
𝑬−1
を求めなさい
課題2
オイラー角が(
𝜋
3
,
𝜋
3
,
𝜋
6
)(単位はrad)の時
機体座標系において
機体の速度が(10,20,30)m/s
角速度が(4,5,6)rad/s
のとき地球座標系における航空機の速度と角
速度を求めなさい
課題3
一例であるが機体座標系における航空機の速度
が(10,20,30)m/sで地球座標系におい
ては(20,10,30)m/sだったとする.
座標変換行列は一つに定めることができないこ
とをこの例を用いて示しなさい。
(実際に2つ以上の座標変換行列が考えられるこ
とを具体的に示せばよい。)

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