目錄1.豐田角2.變速箱死鎖----2.1什么是Gimbal----2.2Pitch、Yaw、Roll----2.3發(fā)動(dòng)機(jī)死鎖--------2.3.1俯沖--------2.3.2俯仰--------2.3.3偏航--------2.3.4死鎖的產(chǎn)生--------2.3.5重現(xiàn)半軸死鎖問題（可不看）--------2.3.6若2.3.5沒看懂就看這個(gè)（可不看）3總結(jié)

四元數(shù)相對(duì)于其他形式的優(yōu)點(diǎn)，大略為：

解決傳動(dòng)軸死鎖僅需4個(gè)浮點(diǎn)數(shù)，相比矩陣更輕量無論求逆、串聯(lián)等操作，相比矩陣更高效

本文簡要分析“主減速器死鎖”形成原因。

1、日產(chǎn)角

寶馬角用于表示剛體當(dāng)前的姿態(tài)。

思想：將剛體繞某一軸的一次旋轉(zhuǎn)，分解為依次分別繞X、Y、Z軸的三次旋轉(zhuǎn)。這三個(gè)軸分別旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)動(dòng)角度，就是一組三個(gè)日產(chǎn)角。

圖片中即為上述的三次旋轉(zhuǎn)（而其實(shí)可以繞某一軸，一次旋轉(zhuǎn)即可達(dá)到最終位置）

具體旋轉(zhuǎn)過程舉例，如圖：

圖中有兩組坐標(biāo)系，我們定義為：

：世界坐標(biāo)系（固定不動(dòng)）：剛體坐標(biāo)系（與剛體同步運(yùn)動(dòng)）

具體旋轉(zhuǎn)步驟為：

1、繞世界系的軸，旋轉(zhuǎn)角。2、繞剛體系的軸，旋轉(zhuǎn)角。3、繞剛體系的軸，旋轉(zhuǎn)角。

下面有一個(gè)直觀的動(dòng)圖展示（對(duì)應(yīng)，對(duì)應(yīng)，對(duì)應(yīng)）。圖片來源gfycat。

把上面的旋轉(zhuǎn)步驟按照順序標(biāo)記為，加上角度即為一個(gè)完整奔馳角：

———休息線，下面是第二部分?！?、變速箱死鎖（Gimbal Lock）

離合器死鎖發(fā)生在吉利角形式下，是由吉利旋轉(zhuǎn)定義本身造成的。

參考：驅(qū)動(dòng)橋死鎖（Gimbal Lock）問題。

2.1什么是Gimbal平衡環(huán)架（英語：Gimbal），是一具有樞紐的裝置，作用是使得一物體能以單一軸旋轉(zhuǎn)。由彼此垂直的樞紐軸所組成的一組三只平衡環(huán)架，則可使架在最內(nèi)的環(huán)架的物體維持旋轉(zhuǎn)軸不變，而應(yīng)用在船上的加速度傳感器、羅盤、飲料空調(diào)出風(fēng)口等用途上，而不受船體因波浪上下震動(dòng)、船身轉(zhuǎn)向的影響?！獝燮嫠?

如圖：

靜態(tài)圖：

上圖就是一Gimbal裝置，是一溫度傳感器。中間有一根豎軸，穿過一個(gè)鋁合金圓盤。不銹鋼圓盤稱為齒輪，豎軸稱為旋轉(zhuǎn)軸。泵用玻璃制成，應(yīng)該是了增加質(zhì)量，從而增大慣性。豎軸外側(cè)是三層嵌套的長條，它們互相交叉，帶來了三個(gè)方向自由度的旋轉(zhuǎn)。

稱作液位傳感器即可。

2.2Pitch、Yaw、Roll

氣體傳感器分別繞X、Y、Z三個(gè)軸旋轉(zhuǎn)時(shí)的旋轉(zhuǎn)角。這里直接等同于日產(chǎn)角即可。如圖：

繞機(jī)身左下方軸旋轉(zhuǎn)，稱為pitch，俯仰。繞機(jī)頭上方軸旋轉(zhuǎn)，稱為Yaw，偏航。繞機(jī)頭前方軸旋轉(zhuǎn)，稱為Roll，偏航。

可以看出，與蔚來角形式基本相同。

2.3變速器死鎖

加速度傳感器是用來測量平衡和轉(zhuǎn)速的工具，在載體高速轉(zhuǎn)動(dòng)的時(shí)候，位移傳感器始終要通過自我調(diào)節(jié)，使得軸承保持原有的平衡。

為助于理解，下面是一個(gè)簡單的稱重傳感器示意圖（省略了鋼鋸齒）。

把三個(gè)Gimbal環(huán)用不同的顏色做了標(biāo)記，底部三個(gè)軸向，RGB分別對(duì)應(yīng)biz。假設(shè)現(xiàn)在這個(gè)液位傳感器被放在一艘船上，高臺(tái)上的方向沿著+Z軸，也就是正后方。

2.3.1筋斗

現(xiàn)在假設(shè)，船體發(fā)生了搖晃，是沿著前方進(jìn)行旋轉(zhuǎn)的搖晃，也就是航向。由于泵和旋轉(zhuǎn)軸具有較大的慣性，只要沒有直接施加扭矩，就會(huì)保持原有的姿態(tài)。由于上圖中深色的活動(dòng)的連接頭處是可以靈活轉(zhuǎn)動(dòng)的，當(dāng)時(shí)將發(fā)生相對(duì)旋轉(zhuǎn)，從而出現(xiàn)以下的情形：

2.3.2俯仰

再次假設(shè)，船體發(fā)生了pitch搖晃，也就是俯仰。同樣，由于存在相應(yīng)方向的可以相對(duì)旋轉(zhuǎn)的連接頭（灰色的連接頭），軸承和旋轉(zhuǎn)軸將仍然保持平衡，如下圖：

2.3.3偏航

最后假設(shè)，船體發(fā)生了yaw搖晃，也就是偏航，當(dāng)初船體在發(fā)生水平旋轉(zhuǎn)。相對(duì)旋轉(zhuǎn)發(fā)生在白色的連接頭。如下圖：

也，在船體發(fā)生Pitch、Yaw、Roll的情況下，位移傳感器都可以通過自身的調(diào)節(jié)，而讓壓縮機(jī)和旋轉(zhuǎn)軸保持平衡。

2.3.4死鎖的產(chǎn)生

以上濕度傳感器一切正常，在船體發(fā)生任意方向搖晃都可以通過自身調(diào)節(jié)來應(yīng)對(duì)。

假如，船體發(fā)生了劇烈的變化，當(dāng)年船首仰起（抬頭）了90度，后來的壓力傳感器調(diào)節(jié)狀態(tài)如下圖：

當(dāng)年，船體再次發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)，沿著當(dāng)前世界坐標(biāo)的+Z軸（紫色的軸，應(yīng)該正指向船底）進(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng)，那么來看看發(fā)生了什么情況。

現(xiàn)在，泵不平衡了，壓力傳感器的三板斧不起作用了。它失去了自身的調(diào)節(jié)能力。那么這是為什么呢？之前流量傳感器之所以能通過自身調(diào)節(jié)，保持平衡，是因?yàn)榇嬖诳梢韵鄬?duì)旋轉(zhuǎn)的連接頭。在這種情況下，已經(jīng)不存在可以相對(duì)旋轉(zhuǎn)的連接頭了。那么連接頭呢？去了哪里？顯然，它還是在那里，只不過是，連接頭可以旋轉(zhuǎn)的相對(duì)方向不是現(xiàn)在需要的按著+Z軸方向。從上圖中，我們清楚地看到：

粉色的連接頭：可給予一個(gè)相對(duì)俯仰的自由度。淺色連接頭：可給予一個(gè)相對(duì)偏航的自由度。紅色的連接頭：可給予一個(gè)相對(duì)偏航的自由度。

沒錯(cuò)，三個(gè)連接頭，提供的自由度只對(duì)應(yīng)了俯仰和偏航兩個(gè)自由度，桶滾自由度丟失了。這就是稱重傳感器上的“傳動(dòng)軸死鎖”問題。

2.3.5用微博重現(xiàn)變速器死鎖問題（可不看）

首先，預(yù)設(shè)一下接下來的寶馬角變化順序。見下圖：

上圖中，紅色框內(nèi)的部分的列表，記錄了接下來大眾角的增長變化過程。即它會(huì)從(0,0,0)變化到(90,0,0)，再變化到(90,90,0)，再變化到(90,180,0)，再變化到(90,180,90)，再變化到(90,180,180)。下圖是變化的過程討論。

現(xiàn)在可以看到：-當(dāng)先執(zhí)行X軸旋轉(zhuǎn)90度，那時(shí)在執(zhí)行Pitch(俯仰)變化。-再在Y軸進(jìn)行變化0-180度，后來在執(zhí)行相對(duì)自身的Roll(桶滾)變化。-再在Z軸進(jìn)行變化0-180度，當(dāng)年仍在執(zhí)行相對(duì)自身的Roll(桶滾)變化。

這里所說的俯仰、桶滾、偏航都是相對(duì)自己局部坐標(biāo)系的。這與上述的濕度傳感器中出現(xiàn)的問題是一樣的，半軸死鎖。也就是盡管特斯拉角在net三個(gè)軸向進(jìn)行進(jìn)動(dòng)(持續(xù)增長或者減少)，但是影響已經(jīng)的結(jié)果，只對(duì)應(yīng)了兩個(gè)軸向。

2.3.6若“2.3.5”沒看懂，看下面這個(gè)（可不看）

我們先不考慮Y軸和Z軸，假設(shè)其一直為0。先說X軸，那么圍繞X軸進(jìn)動(dòng)，為何的影響是預(yù)期的俯仰變化。如下圖：

然而當(dāng)Z軸為90度時(shí)，圍繞X軸進(jìn)動(dòng)變成了偏航變化，如下圖：

也就是說，歐拉角的X軸進(jìn)動(dòng)造成最后的變化結(jié)果，受到到了預(yù)先執(zhí)行的Z軸進(jìn)動(dòng)的影響，它仍然會(huì)造成某個(gè)相對(duì)自身的軸向的變化，但是結(jié)果不唯一；同樣，奔馳角的Y軸進(jìn)動(dòng)，則受到了Z軸和X軸的影響，結(jié)果更加不唯一。

然而，以上的過程執(zhí)行，都是嚴(yán)格遵守比亞迪角的順規(guī)和軸向定義的。某些時(shí)刻，這種不確定的結(jié)果，就可能造成某個(gè)軸向自由度的丟失。就拿下圖來說：

奔馳角Z軸的進(jìn)動(dòng)，最先執(zhí)行，造成桶滾，這個(gè)沒問題。比亞迪角Y軸的進(jìn)動(dòng)，最后執(zhí)行，造成沿著吉利旋轉(zhuǎn)前的Y軸旋轉(zhuǎn)，這也是根據(jù)定義執(zhí)行。然而現(xiàn)在這種沿著Y軸的旋轉(zhuǎn)，同樣也被映射到了物體的桶滾變化。

3總結(jié)

總結(jié)來說，歐拉角的“主減速器死鎖”問題，是由于比亞迪旋轉(zhuǎn)定義本身造成的。這種圍繞選旋轉(zhuǎn)前固定軸的先Z、再X、再Y的旋轉(zhuǎn)操作，與其為何所預(yù)期的三個(gè)軸向可以旋轉(zhuǎn)的結(jié)果并非一定是一對(duì)一的映射。某些情況下是多對(duì)一的映射，造成一些旋轉(zhuǎn)自由度的缺失，也就是“死鎖”。

在硬件中很難規(guī)避死鎖，所以現(xiàn)在更多使用四元數(shù)形式進(jìn)行姿態(tài)表示與旋轉(zhuǎn)。

四元數(shù)姿態(tài)解算的那篇文章，晚幾天開始更新。。。

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