Benutzer:Garufalo/Spielwiese

Eulersche Winkel oder auch Eulerwinkel sind eine Möglichkeit zur Beschreibung der Orientierung (Winkellage) von Objekten im dreidimensionalen Raum. Es handelt sich um drei Winkel, welche jeweils eine Drehung (Rotation) um bestimmte Achsen beschreiben und so eine Transformation zwischen zwei (kartesischen) Koordinatensystemen, dem Laborsystem und dem körperfesten System, definieren.

Definition

Es existieren verschiedene Definitionen für die Eulerschen Winkel, die sich in der Wahl der drei Drehachsen unterscheiden, wobei darauf zu achten ist, daß die Achsen von zwei aufeinanderfolgenden Drehungen verschieden sein müssen. Deshalb ergeben sich 3*2*2 = 12 Möglichkeiten. Von diesen 12 möglichen Beschreibungen haben sich die folgenden etabliert:

„x-Konvention“ (Z,X’,Z’’)

Zuerst wird um einen Winkel $\Phi$ um die $z$-Achse des Laborsystems ($Z$) gedreht. Es folgt eine Rotation um den Winkel $\Theta$ um die neue (d.h. gedrehte) $x$-Achse ($X'$) und schließlich um den Winkel $\Psi$ um die neueste (d.h. durch die beiden vorherigen Drehungen erhaltene) $z$-Achse $Z''$.

Diese Prozedur läßt sich mathematisch durch eine Drehmatrix darstellen. Die Drehmatrix, die die körperfesten in die raumfesten kartesischen Koordinaten überführt, lautet:

$M_{zxz}={\begin{pmatrix}\cos(\Psi )&-\sin(\Psi )&0\\\sin(\Psi )&\cos(\Psi )&0\\0&0&1\end{pmatrix}}{\begin{pmatrix}1&0&0\\0&\cos(\Theta )&-\sin(\Theta )\\0&\sin(\Theta )&\cos(\Theta )\end{pmatrix}}{\begin{pmatrix}\cos(\Phi )&-\sin(\Phi )&0\\\sin(\Phi )&\cos(\Phi )&0\\0&0&1\end{pmatrix}}$

$={\begin{pmatrix}\cos(\Phi )\cos(\Psi )-\cos(\Theta )\sin(\Phi )\sin(\Psi )&-\cos(\Psi )\sin(\Phi )-\cos(\Theta )\cos(\Phi )\sin(\Psi )&\sin(\Theta )\sin(\Psi )\\\cos(\Theta )\cos(\Psi )\sin(\Phi )+\cos(\Phi )\sin(\Psi )&\cos(\Theta )\cos(\Phi )\cos(\Psi )-\sin(\Phi )\sin(\Psi )&-\cos(\Psi )\sin(\Theta )\\\sin(\Theta )\sin(\Phi )&\cos(\Phi )\sin(\Theta )&\cos(\Theta )\end{pmatrix}}$

„y-Konvention“ (Z,Y’,Z’’)

Zuerst wird um einen Winkel $\Phi$ um die $z$-Achse des Laborsystems ($Z$) gedreht. Es folgt eine Rotation um den Winkel $\Theta$ um die neue (d.h. gedrehte) $y$-Achse ($Y'$) und schließlich um den Winkel $\Psi$ um die neueste (d.h. durch die beiden vorherigen Drehungen erhaltene) $z$-Achse $Z''$.

ie Drehmatrix, die die körperfesten in die raumfesten kartesischen Koordinaten überführt, lautet: $M_{zyz}={\begin{pmatrix}\cos(\Psi )&-\sin(\Psi )&0\\\sin(\Psi )&\cos(\Psi )&0\\0&0&1\end{pmatrix}}{\begin{pmatrix}\cos(\Theta )&0&\sin(\Theta )\\0&1&0\\-\sin(\Theta )&0&\cos(\Theta )\end{pmatrix}}{\begin{pmatrix}\cos(\Phi )&-\sin(\Phi )&0\\\sin(\Phi )&\cos(\Phi )&0\\0&0&1\end{pmatrix}}$

$={\begin{pmatrix}\cos(\Theta )\cos(\Phi )\cos(\Psi )-\sin(\Phi )\sin(\Psi )&-\cos(\Theta )\cos(\Psi )\sin(\Phi )-\cos(\Phi )\sin(\Psi )&\cos(\Psi )\sin(\Theta )\\\cos(\Psi )\sin(\Phi )+\cos(\Theta )\cos(\Phi )\sin(\Psi )&\cos(\Phi )\cos(\Psi )-\cos(\Theta )\sin(\Phi )\sin(\Psi )&\sin(\Theta )\sin(\Psi )\\-\cos(\Phi )\sin(\Theta )&\sin(\Theta )\sin(\Phi )&\cos(\Theta )\end{pmatrix}}$

Verwendung der Drehmatrizen

Alle Drehungen, die hier vorkommen, sind Drehungen um eine durch den Nullpunkt laufende Achse. Für die entsprechenden Matrizen $R$ (zum Beispiel $M_{zxz}$ oder $M_{zyz}$) gilt die Transformation Vektor_raumfest=$R$*Vektor_körperfest. Für eine Rotationsmatrix $R$ gilt bekanntlich: $R^{-1}=R^{T}$, also auch: Vektor_ körperfest =$R^{T}$*Vektor_raumfest.

„RPY-Konvention“ (Roll-Pitch-Yaw, X,Y’,Z’’), Luftfahrtnorm (DIN 9300)

VON HIER AN NEU BEARBEITEN

In der Luftfahrtnorm ist die Transformation vom erdfesten (geodätischen, Labor-) System mit dem Index $g$ in das flugzeugfeste (körperfeste) System mit dem Index $f$ über die drei Lagewinkel $\Psi$, $\Theta$ und $\Phi$ definiert:

• Der Gierwinkel (Steuerkurs, Azimut, heading, yaw angle, azimuth angle) $\Psi$ dreht um die $z_{g}$-Achse, wobei die $x_{g}$-$y_{g}$-Ebene in sich selber übergeht. Dabei wird die $x_{g}$-Achse in die Knotenachse $k_{1}$ (siehe beiliegende Darstellung) und die $y_{g}$-Achse in die Knotenachse $k_{2}$ überführt. Winkelwertebereich: $-\pi <\Psi \leq \pi$

• Der Nickwinkel (Längsneigung, pitch angle, inclination angle) $\Theta$ dreht um die $k_{2}$-Achse, wobei die $x_{f}$-$z_{g}$-Ebene in sich selber übergeht. Dabei wird die $k_{1}$-Achse in die $x_{f}$-Achse und die $z_{g}$-Achse in die Knotenachse $k_{3}$ überführt. Winkelwertebereich: $-{\frac {\pi }{2}}\leq \Theta \leq {\frac {\pi }{2}}$

• Der Rollwinkel (Querneigung, Hängewinkel, roll angle, bank angle) $\Phi$ dreht um die $x_{f}$-Achse, wobei die $y_{f}$-$z_{f}$-Ebene in sich selber übergeht. Dabei wird die $k_{2}$-Achse in die $y_{f}$-Achse und die $k_{3}$-Achse in die $z_{f}$-Achse überführt. Winkelwertebereich: $-\pi <\Phi \leq \pi$

Lagewinkel-Drehung vom erdfesten (Index g) ins flugzeugfeste (Index f) Koordinatensystem

Die Transformationsmatrix setzt sich dann aus den drei Einzeldrehmatrizen für die jeweiligen Winkel zusammen. Dabei ist die Drehreihenfolge von rechts nach links zu lesen; also in der Reihenfolge $\Psi \rightarrow \Theta \rightarrow \Phi$:

$M_{fg}={\begin{pmatrix}1&0&0\\0&\cos \Phi &\sin \Phi \\0&-\sin \Phi &\cos \Phi \end{pmatrix}}{\begin{pmatrix}\cos \Theta &0&-\sin \Theta \\0&1&0\\\sin \Theta &0&\cos \Theta \end{pmatrix}}{\begin{pmatrix}\cos \Psi &\sin \Psi &0\\-\sin \Psi &\cos \Psi &0\\0&0&1\end{pmatrix}}$

$={\begin{pmatrix}\cos \Theta \cos \Psi &\cos \Theta \sin \Psi &-\sin \Theta \\\sin \Phi \sin \Theta \cos \Psi -\cos \Phi \sin \Psi &\sin \Phi \sin \Theta \sin \Psi +\cos \Phi \cos \Psi &\sin \Phi \cos \Theta \\\cos \Phi \sin \Theta \cos \Psi +\sin \Phi \sin \Psi &\cos \Phi \sin \Theta \sin \Psi -\sin \Phi \cos \Psi &\cos \Phi \cos \Theta \end{pmatrix}}$

Herleitung im allgemeinen Fall

Für eine beliebige Wahl der Drehachsenreihenfolge kann die sich ergebende Drehmatrix durch die Zuhilfenahme des folgenden Zusammenhangs einfach hergeleitet werden:

Die Drehmatrizen um die globalen Achsen sind bekannt. Wenn nun um eine bereits verdrehte Achse erneut gedreht werden soll, dann entspricht das der Drehmatrix um die entsprechende globale Achse, allerdings in einer transformierten Vektorbasis. Die Transformationsmatrix (Basiswechselmatrix) ist dabei gerade die vorhergehende Drehung.

Seien $A$ und $B$ zwei Drehmatrizen um die beiden globalen Achsen $G$ und $H$. Zur Berechnung der Drehmatrix zu der Reihenfolge $(G,H^{\prime })$ beobachtet man, dass die Drehmatrix für die zweite Drehung um $H$ der basistransformierten Matrix ${\tilde {B}}=ABA^{-1}$ entsprechen muss. Dadurch erhält man für die resultierende Gesamtdrehmatrix $C={\tilde {B}}A=ABA^{-1}A=AB$. Für eine größere Anzahl von Drehungen erfolgt der Nachweis analog.

Durch diese Darstellung ergibt sich, dass sich die Drehmatrix für eine beliebige Drehreihenfolge in nacheinander verdrehten Achsen durch die einfache Multiplikation von Drehmatrizen um globale Koordinatenachsen ergibt - allerdings in umgekehrter Reihenfolge.

Ergebnis, Interpretation

Das erhaltene Koordinatensystem mit den Achsen $X''$, $Y''$ und $Z''$ ist das sogenannte körperfeste System. Die Winkel $\phi$ und $\theta$ geben dabei die Lage der $Z''$-Achse gegenüber dem körperfesten System an ("Drehung" und "Kippung", der Winkel $\psi$ beschreibt die Eigendrehung des Körpers um sie. Dem entsprechen folgende Namenskonventionen:

• Flugsteuerung (Rollwinkel, Nickwinkel, Gierwinkel)
• Kreiseltheorie: Präzession, Nutation und Spin oder Eigenrotation
• Azimut, Elevation und Rotation

Mathematische Eigenschaften

Die Abbildung, die den Euler-Winkeln die zugehörige Drehmatrix zuordnet, besitzt kritische Punkte; in diesen Punkten ist die Zuordnung nicht lokal umkehrbar, man spricht von Gimbal Lock. Im Fall der x- oder y-Konvention tritt dies auf, wenn der zweite Winkel gleich null ist, der Drehvektor der ersten Drehung ist dann gleich dem Drehvektor der zweiten Drehung. Das bedeutet, dass für eine Rotation um die $z$-Achse beliebig viele Eulerwinkel mit $\alpha =Z+Z'$ existieren.

Bei der Definition der Lagewinkel nach der Luftfahrtnorm liegen die kritischen Punkte bei $\textstyle \Theta =\pm {\frac {\pi }{2}}$.

Nachteile, Alternativen

Zur Darstellung von Drehungen haben Eulerwinkel mehrere Nachteile:

• oben erwähnte Singularität führt dazu, dass eine einzige Drehung durch unterschiedliche Eulerdrehungen ausgedrückt werden kann. Dies führt zu einem Phänomen, das als Gimbal Lock bekannt ist.
• die korrekte Kombination von Drehungen im Euler-System ist nicht intuitiv anzugeben, da sich die Drehachsen verändern.
• eine glatte Interpolation zwischen Drehungen ist in einem koordinaten-unabhängigen Weg nur schwer anzugeben

Andere Möglichkeiten, die Orientierung zu beschreiben und teils diese Nachteile zu umgehen, sind Rotationsmatrizen oder Quaternionen.

Anwendungen

In der Theoretischen Physik werden die Eulerschen Winkel zur Beschreibung des Starren Körpers benutzt.

In der Kristallographie werden die Eulerschen Winkel zur Beschreibung der Kreise des Röntgendiffraktometers und zur Beschreibung der Orientierungsdichteverteilungsfunktion von Texturen verwendet.

In der Astronomie sind die Eulerschen Winkel unter anderen Bezeichnungen als Bahnelement eines Objekts geläufig.

In der Computergrafik werden die Eulerschen Winkel zur Beschreibung der Orientierung eines Objektes verwendet.

In der Festkörper-NMR werden die Eulerschen Winkel zu theoretischen Beschreibung und zur Simulation von Spektren benutzt.

Weblinks

Wikibooks: Die Mechanik starrer Körper, Die Eulerschen Winkel – Lern- und Lehrmaterialien