Введение

ориентация или положение объекта или формы в пространстве Понятие направленности В геометрии ориентация, положение, направление или угловое положение объекта, такого как линия, плоскость или жесткое тело, является частью описания того, как он помещен в пространстве, которое он занимает. Более конкретно, это относится к мнимому вращению, которое необходимо для перемещения объекта из эталонного положения в его текущее положение. Для достижения текущего положения может быть недостаточно вращения, в этом случае может потребоваться добавление мнимого перехода, чтобы изменить положение объекта (или линейное положение). Положение и ориентация вместе полностью описывают, как объект помещен в пространстве. Можно предположить, что вышеупомянутое воображаемое вращение и перемещение происходит в любом порядке, поскольку ориентация объекта не меняется при перемещении, а его положение не меняется при вращении. Теорема вращения Эйлера показывает, что в трех измерениях любая ориентация может быть достигнута с помощью одного вращения вокруг фиксированной оси. Это дает один общий способ представления ориентации с использованием представления оси угла. Другие широко используемые методы включают в себя кватернионы вращения, роторы, углы Эйлера или матрицы вращения. Более специализированные применения включают индексы Миллера в кристаллографии, удар и погружение в геологии и степень на картах и знаках. Единица вектора может также использоваться для представления нормальной векторной ориентации объекта или относительного направления между двумя точками. Обычно ориентация дается относительно системы отсчета, обычно указанной картезианской системой координат. Два объекта, имеющие одинаковое направление, называются кодирекционными (как и параллельные линии). Два направления называются противоположными, если они являются аддитивными инверсами друг друга, как в произвольном единичном векторе и его умножении на -1. Два направления являются тупыми, если они образуют тупой угол (больший, чем прямой угол) или, эквивалентно, если их скалярный произведение или скалярная проекция отрицательны.

Три измерения

В общем положении и ориентации в пространстве жесткого тела определяются как положение и ориентация, относительно основной системы отсчета, другой системы отсчета, которая фиксируется относительно тела, и, следовательно, переводит и вращается с ним (местная система отсчета тела, или местная система координат). Для описания ориентации этой локальной рамки необходимо как минимум три независимых значения. Три других значения описывают положение точки на объекте. Все точки тела меняют свое положение во время вращения, за исключением тех, которые лежат на оси вращения. Если жесткое тело имеет ротационную симметрию, не все ориентации различаются, за исключением наблюдения за тем, как ориентация эволюционирует во времени от известной исходной ориентации. Например, ориентация в пространстве прямой, сегмента прямой или вектора может быть указана только двумя значениями, например двумя косинами направления. Другой пример - положение точки на Земле, часто описываемое с помощью ориентации линии, соединяющей ее с центром Земли, измеренной с использованием двух углов долготы и широты. Аналогичным образом, ориентация плоскости может быть описана с помощью двух значений, например, путем указания ориентации прямой нормальной к этой плоскости или с помощью уголков удара и погружения. Подробнее о математических методах представления ориентации жестких тел и плоскостей в трех измерениях приведено в следующих разделах.

Двумерность

В двух измерениях ориентация любого объекта (линии, вектора или плоской фигуры) дается одним значением: углом, через который он вращался. Есть только одна степень свободы и только одна фиксированная точка, вокруг которой происходит вращение.

Многомерность

Когда есть d измерений, для определения ориентации объекта, который не имеет ротационной симметрии, требуется d (d − 1) / 2 независимых значений.

Жесткий корпус в трех измерениях

Разработано несколько методов описания ориентации жесткого тела в трех измерениях. Они обобщены в следующих разделах.

Угол Эйлера

Первая попытка представить ориентацию приписывается Леонарду Эйлеру. Он представил себе три системы отсчета, которые могли вращаться вокруг друг друга, и понял, что, начиная с фиксированной системы отсчета и выполняя три вращения, он мог получить любую другую систему отсчета в пространстве (используя два вращения для фиксации вертикальной оси и еще одно для фиксации других двух осей). Значения этих трех вращений называются углами Эйлера.

Уголки Тайта Брайана

Это три угла, также известные как угол отклонения, угол подъема и проката, угол навигации и угол кардана. Математически они составляют набор из шести возможностей внутри двенадцати возможных наборов углов Эйлера, порядок является лучшим, используемым для описания ориентации транспортного средства, такого как самолет. В аэрокосмической технике их обычно называют углами Эйлера.

Вектор ориентации

Эйлер также понял, что состав двух вращений эквивалентен одному вращению вокруг другой фиксированной оси (теорема вращения Эйлера). Поэтому состав прежних трех углов должен быть равен только одному вращению, чья ось была сложна в расчете до разработки матриц. На основе этого факта он ввел векторный способ описания любого вращения, с вектором на оси вращения и модуле, равным значению угла. Поэтому любая ориентация может быть представлена вектором вращения (также называемым вектором Эйлера), который приводит к ней из системы отсчёта. При использовании для представления ориентации вектор вращения обычно называют вектором ориентации или вектором отношения. Аналогичный метод, называемый представлением угла оси, описывает вращение или ориентацию с использованием единичного вектора, выровненного с осью вращения, и отдельного значения для указания угла (см. рисунок).

Матрица ориентации

С введением матриц теоремы Эйлера были переписаны. Ротации описывались ортогональными матрицами, называемыми матрицами вращения или матрицами направления косинуса. При использовании для представления ориентации матрица вращения обычно называется матрицей ориентации или матрицей отношения. Упомянутый выше вектор Эйлера является собственным вектором матрицы вращения (матрица вращения имеет уникальное реальное собственное значение). Произведение двух матриц вращения - это состав вращений. Поэтому, как и прежде, ориентация может быть дана как вращение от начальной рамы для достижения рамы, которую мы хотим описать. Конфигурационное пространство несимметричного объекта в n-мерном пространстве равняется SO(n) × Rn. Ориентация может быть визуализирована путем присоединения основы тангентных векторов к объекту. Направление, в котором каждый вектор указывает, определяет его ориентацию.

Ориентационный квартернион

Другой способ описать вращения - использование кватернионов вращения, также называемых версорами. Они эквивалентны матрицам вращения и векторам вращения. Что касается векторов вращения, их можно более легко преобразовать в матрицы и из них. Когда они используются для представления ориентации, то их обычно называют ориентационными или атрибутивными.

Индексы Миллера

Отношение плоскости решетки - это ориентация нормальной линии к плоскости и описывается индексами Миллера плоскости. В трёх пространствах семейство плоскостей (серия параллельных плоскостей) может быть обозначено его индексами Миллера (hkl), поэтому семейство плоскостей имеет отношение, общее для всех его составляющих плоскостей.

Удар и погружение

Многие признаки, наблюдаемые в геологии, являются плоскостями или линиями, и их ориентация обычно называется их отношением. Эти отношения определяются двумя углами. Для прямой эти углы называются трендом и опусканием. Тенденция - это направление линии компасом, а погружение - это угол вниз, который она делает с горизонтальной плоскостью. Для плоскости два угла называются его ударным (угол) и его углом (угол). Линия удара - это пересечение горизонтальной плоскости с наблюдаемой плоской чертой (и, следовательно, горизонтальной линией), а угол удара - это подшипник этой линии (то есть относительно географического севера или от магнитного севера). Упадок - это угол между горизонтальной плоскостью и наблюдаемой плоской чертой, как это наблюдается в третьей вертикальной плоскости, перпендикулярной линии удара.

Жесткий корпус

Отношение жесткого тела - это его ориентация, описанная, например, ориентацией фиксированной в теле рамки относительно фиксированной системы отсчета. Положение описывается координатами положения и состоит по меньшей мере из трех координат. Одна схема ориентации жесткого тела основана на вращении осей тела; последовательные вращения три раза вокруг осей фиксированной системы отсчета тела, тем самым устанавливая углы Эйлера тела. Другой основан на катке, шагу и повороте, хотя эти термины также относятся к постепенным отклонениям от номинального положения