Robotics Workbench
Tool 08 · browser local

四元数 /
欧拉角可视化

从默认共原点的纯旋转,到开启平移后分离的 OW 与 OB:看见旋转轴、平移箭头,以及同一向量在两个坐标系中的分量变化。所有计算都在浏览器本地完成,适合调试 IMU、里程计和导航消息。

computeBROWSER LOCAL
conventionZYX / RIGHT-HAND
version0.2

姿态输入

01 / INPUT
欧拉角单位
欧拉角 · ZYX
四元数 · w + xi + yj + zk
输入四元数后点击“以四元数为准”;工具会自动归一化。
平移 · tWB
开启:① Z → ② Y′ → ③ X″ → ④ 平移;前三段 OB = OW。
自由向量 v 只受 R 影响;点 p 与坐标系位姿同时受 R + t 影响。

已使用示例欧拉角计算。

坐标系变换

02 / FRAME MAP
观察方式q_WB:B 系坐标 → W 系坐标

B 系中的分量保持不变;机体系转动后,向量在世界中的方向随之改变。

把旋转和平移联系起来:勾选后,前三段只改变 B 的轴向且 OB = OW;姿态完成后才在第四段沿 tWB 移动 OB。关闭平移则只播放三段纯旋转。自由向量 v 只受 R 影响,点 p 与位姿则受 R + t 共同影响。

四元数播放方式将输入 q 转为一组等价 ZYX 欧拉角,按随动轴分三段播放。
01
先绕初始轴Z · 偏航 Yaw
—
02
再绕当前轴Y′ · 俯仰 Pitch
—
03
最后绕当前轴X″ · 滚转 Roll
—
04
开启时最后追加t · 平移原点
可选
q_WB = qz(yaw) ⊗ qy(pitch) ⊗ qx(roll)开启平移:① Z → ② Y′ → ③ X″ → ④ 平移 · 关闭:纯旋转前三段

固定基准:相机视角默认固定,动画期间 W 与 OW 不动,只有 B 的原点和轴随 t / R 变化;拖动画布是在转动观察相机,不是在转动世界系。

世界系 W(固定)机体系 B(t)(运动)起始 B₀目标机体系 B*同一向量 v平移 tWB / OW → OB拖拽旋转视角 · 滚轮缩放阶段: --
示例向量拖动主画布中的金色端点,自定义 vB / vW
[0.780, 0.380, 0.460]
同一动画周期

ZYX 三段关键姿态快照

播放或拖动越过分段边界时,记录该轮真实的 Z、Y′、X″ 结束姿态。

1/3Z · Yaw 完成等待本轮经过边界
—
2/3Y′ · Pitch 完成等待本轮经过边界
—
3/3X″ · Roll 完成等待本轮经过边界
—
t = 0.000

t = 0 为初始位姿;开启平移时前三阶段只旋转且 OB = OW,第四阶段才移动原点。当前阶段由播放状态动态说明。

源坐标v_B[ — ]
B → WqWBq · p_B · q*
目标坐标v_W[ — ]
p_W = q_WB ⊗ p_B ⊗ q_WB*轴角:—
点 / 位姿p_W = R_WB p_B + t_WB前三段 OB = OW;姿态完成后第四段移动 OB。
右手系Z-up · XY 地面Hamilton 乘法列向量R = [ x_B y_B z_B ]_WT_WB=[R t;0 1]
归一化四元数 q_WB—
等价欧拉角—
Quaternion path lab

q₀ / q₁ / t · SLERP 匀角速度对照

SLERP 沿单位四元数最短弧插值;当 t 匀速变化时,从 q₀ 出发的旋转角也按相同比例增长。它和上面的分段 ZYX 中间路径通常不同。

起点 q₀ · wxyz
终点 q₁ · wxyz
q(t)—
总最短角—
当前角 / 比例—
匀角速度检查—
Reference

约定先写清楚,姿态才可复现

本页定义 q_WB 为机体系 B 到世界系 W 的旋转映射,采用 Z-up、XY 地面。默认纯旋转时 OW 与 OB 重合;开启平移后,t_WB 给出 OB 在 W 中的位置,而矩阵 R 的三列仍是 B 的三根单位轴在 W 中的坐标。

01 / ORDER

随动轴 ZYX

先绕初始 Z 轴 yaw,再绕更新后的 Y′ 轴 pitch,最后绕更新后的 X″ 轴 roll。组合为 R = Rz(yaw) · Ry(pitch) · Rx(roll)。

02 / QUATERNION

w 在最前

页面使用 Hamilton 四元数 q = [w, x, y, z]。q 与 -q 表示同一旋转;输入会先归一化。

03 / B TO W

分量不变,向量转动

固定 v_B 时,v_W = R_WB v_B。金色箭头跟随机体系转动,彩色折线表示它沿 x_B / y_B / z_B 的三个分量。

04 / W TO B

向量不动,只换坐标

固定世界中的几何向量时,v_B = R_WB^T v_W。金色箭头不动,但机体系转动会让三个坐标读数变化。

05 / PATH

一段轴角与三段 ZYX

合成轴角沿相对四元数的一根固定轴走最短路径;等价 ZYX 则依次走 Z、Y′、X″ 三段。二者终点相同,中间路径通常不同。

06 / LIMIT

欧拉角有奇异性

pitch 接近 ±90° 时会出现万向节锁,反算出的 roll / yaw 组合不唯一;此时三段动画只展示其中一组等价分解。

07 / SE(3)

向量与点要分开

自由向量只做 v_W = R_WB v_B;点与坐标系原点则做 p_W = R_WB p_B + t_WB。统一进度只是为了观察方便,不改变这两类对象的数学区别。