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空間圓弧路徑引數化

2020-10-31 07:28:36 區塊鏈

文章目錄

  • 一、問題描述
  • 二、推導步驟
  • 三、MATLAB代碼

一、問題描述

??給定空間不共線的三個點 A , B , C A,B,C A,B,C,推導空間有向圓弧路徑 A B C ABC ABC關于路徑標量 s ( s ∈ [ 0 , 1 ] ) s(s\in[0,1]) s(s[0,1])的引數方程,

二、推導步驟

??假設點 O O O為圓弧 A B C ABC ABC的圓心,如圖,建立區域坐標系 { X ′ O Y ′ } \{X'OY'\} {XOY},連結 A B AB AB B C BC BC,過點 O O O作平面 n n n垂直平分于線段 A B AB AB于點 D D D,過點 O O O作平面 m m m垂直平分于線段 B C BC BC于點 E E E,平面 n n n、平面 m m m、平面 A B C ABC ABC三個平面交點即為圓弧 A B C ABC ABC的圓心 O ( x 0 , y 0 , z 0 ) O(x_0,y_0,z_0) O(x0?,y0?,z0?)
??設點坐標 A ( x 1 , y 1 , z 1 ) , B ( x 2 , y 2 , z 2 ) , C ( x 3 , y 3 , z 3 ) , D ( x 4 , y 4 , z 4 ) A(x_1,y_1,z_1),B(x_2,y_2,z_2),C(x_3,y_3,z_3),D(x_4,y_4,z_4) A(x1?,y1?,z1?),B(x2?,y2?,z2?),C(x3?,y3?,z3?),D(x4?,y4?,z4?), E ( x 5 , y 5 , z 5 ) E(x_5,y_5,z_5) E(x5?,y5?,z5?)
??聯立平面 n n n、平面 m m m、平面 A B C ABC ABC的方程:
{ A B ? ? D O ? = 0 B C ? ? E O ? = 0 ( A B ? × B C ? ) ? C O ? = 0 (1) \begin{cases} \vec{AB}\cdot\vec{DO}=0\\ \vec{BC}\cdot\vec{EO}=0\\ (\vec{AB}\times\vec{BC})\cdot\vec{CO}=0\\ \tag 1 \end{cases} ??????AB ?DO =0BC ?EO =0(AB ×BC )?CO =0?(1)
??便可求得圓心 O ( x 0 , y 0 , z 0 ) O(x_0,y_0,z_0) O(x0?,y0?,z0?)
??進而計算半徑:
R = ∣ ∣ O A ? ∣ ∣ (2) R =||\vec{OA }||\tag 2 R=OA (2)
??設坐標系 { X ′ O Y ′ } \{X'OY'\} {XOY}到坐標系 { X Y Z } \{XYZ\} {XYZ}的旋轉變換矩陣為:
[ r 11 r 12 r 13 r 21 r 22 r 23 r 31 r 32 r 33 ] = [ u ? v ? w ? ] (3) \left[ \begin{matrix} r_{11} & r_{12} & r_{13} \\ r_{21} & r_{22} & r_{23} \\ r_{31} & r_{32} & r_{33} \\ \end{matrix} \right] =\left[ \begin{matrix} \vec{u} &\vec {v} & \vec{w }\\ \end{matrix} \right] \tag 3 ???r11?r21?r31??r12?r22?r32??r13?r23?r33?????=[u ?v ?w ?](3)
??根據旋轉變換矩陣定義,容易得到:
u ? = O A ? / R (4) \vec{u} =\vec{OA}/R\tag 4 u =OA /R(4)
?? w w w為平面 A B C ABC ABC的單位法向量:
w ? = ( A B ? × B C ? ) / ∣ ∣ A B ? × B C ? ∣ ∣ (5) \vec{w}=(\vec{AB}\times\vec{BC}) / ||\vec{AB}\times\vec{BC}||\tag 5 w =(AB ×BC )/AB ×BC (5)
??根據右手法則:
v ? = w ? × u ? (6) \vec{v}=\vec{w}\times\vec{u}\tag 6 v =w ×u (6)
??圓弧圓心角:
θ = a t a n 2 ( O C ? ? v ? , O C ? ? u ? ) (7) \theta=atan2(\vec{OC}\cdot\vec{v},\vec{OC}\cdot\vec{u})\tag 7 θ=atan2(OC ?v ,OC ?u )(7)
??若 θ < 0 \theta<0 θ<0,則 θ = θ + 2 π \theta=\theta+2\pi θ=θ+2π
??圓弧 A B C ABC ABC在區域坐標系 { X ′ O Y ′ } \{X'OY'\} {XOY}的引數方程:
{ x t e m p = R c o s ( s θ ) y t e m p = R s i n ( s θ ) z t e m p = 0 (8) \begin{cases} x_{temp}=Rcos(s\theta)\\ y_{temp}=Rsin(s\theta)\\ z_{temp}=0\\ \tag 8 \end{cases} ??????xtemp?=Rcos(sθ)ytemp?=Rsin(sθ)ztemp?=0?(8)
??其中, s ∈ [ 0 , 1 ] s\in[0,1] s[0,1]
??利用齊次變換矩陣,將圓弧 A B C ABC ABC從區域坐標系 { X ′ O Y ′ } \{X'OY'\} {XOY}變換至坐標系 { X Y Z } \{XYZ\} {XYZ}
[ x y z 1 ] = [ r 11 r 12 r 13 x 0 r 21 r 22 r 23 y 0 r 31 r 32 r 33 z 0 0 0 0 1 ] [ x t e m p y t e m p z t e m p 1 ] (9) \left[ \begin{matrix} x \\ y \\ z \\ 1\\ \end{matrix} \right] = \left[ \begin{matrix} r_{11} & r_{12} & r_{13} & x_0 \\ r_{21} & r_{22} & r_{23} & y_0 \\ r_{31} & r_{32} & r_{33} & z_0\\ 0 & 0 & 0 & 1\\ \end{matrix} \right] \left[ \begin{matrix} x_{temp}\\ y_{temp}\\ z_{temp}\\ 1\\ \end{matrix} \right] \tag 9 ?????xyz1??????=?????r11?r21?r31?0?r12?r22?r32?0?r13?r23?r33?0?x0?y0?z0?1???????????xtemp?ytemp?ztemp?1??????(9)
??進一步寫成:
{ x ( s ) = r 11 x t e m p ( s ) + r 12 y t e m p ( s ) + x 0 y ( s ) = r 21 x t e m p ( s ) + r 22 y t e m p ( s ) + y 0 z ( s ) = r 31 x t e m p ( s ) + r 32 y t e m p ( s ) + z 0 (10) \begin{cases} x(s)=r_{11}x_{temp}(s)+r_{12}y_{temp}(s)+x_0\\ y(s)=r_{21}x_{temp}(s)+r_{22}y_{temp}(s)+y_0\\ z(s)=r_{31}x_{temp}(s)+r_{32}y_{temp}(s)+z_0\\ \tag {10} \end{cases} ??????x(s)=r11?xtemp?(s)+r12?ytemp?(s)+x0?y(s)=r21?xtemp?(s)+r22?ytemp?(s)+y0?z(s)=r31?xtemp?(s)+r32?ytemp?(s)+z0??(10)

三、MATLAB代碼

%{
Function: solve_spatial_arc_params
Description: 求三點空間圓弧路徑引數
Input: 空間三個點startPos, midPos, endPos
Output: 空間圓弧圓心arcCenter, 半徑radius, 圓心角arcCentralAngle, 
        旋轉變換矩陣rotateMatrix, 求解狀態status(1表示成功,0表示失敗)
Author: Marc Pony(marc_pony@163.com)
%}
function [arcCenter, radius, arcCentralAngle, rotateMatrix, status] = solve_spatial_arc_params(startPos, midPos, endPos)
x1 = startPos(1);
y1 = startPos(2);
z1 = startPos(3);
x2 = midPos(1);
y2 = midPos(2);
z2 = midPos(3);
x3 = endPos(1);
y3 = endPos(2);
z3 = endPos(3);

arcCenter = zeros(3, 1);
radius = 0.0;
arcCentralAngle = 0.0;
rotateMatrix = zeros(3, 3);
status = 1;

if abs((y1 - y2) * (z2 - z3) - (y2 - y3) * (z1 - z2)) < 1.0e-8 ...
   && abs((x2 - x3) * (z1 - z2) - (x1 - x2) * (z2 - z3)) < 1.0e-8 ...
   && abs((x1 - x2) * (y2 - y3) - (x2 - x3) * (y1 - y2)) < 1.0e-8
    status = 0;
    return;
else
    x4 = 0.5 * (x1 + x2);
    y4 = 0.5 * (y1 + y2);
    z4 = 0.5 * (z1 + z2);
    
    x5 = 0.5 * (x2 + x3);
    y5 = 0.5 * (y2 + y3);
    z5 = 0.5 * (z2 + z3);
    
    a11 = x2 - x1;
    a12 = y2 - y1;
    a13 = z2 - z1;
    b1 = x4 * a11 + y4 * a12 + z4 * a13;
    
    a21 = x3 - x2;
    a22 = y3 - y2;
    a23 = z3 - z2;
    b2 = x5 * a21 + y5 * a22 + z5 * a23;
    
    a31 = (y1 - y2) * (z2 - z3) - (y2 - y3) * (z1 - z2);
    a32 = (x2 - x3) * (z1 - z2) - (x1 - x2) * (z2 - z3);
    a33 = (x1 - x2) * (y2 - y3) - (x2 - x3) * (y1 - y2);
    b3 = x3 * a31 + y3 * a32 + z3 * a33;
    
    temp = a11 * (a22 * a33 - a23 * a32) + a12 * (a23 * a31 - a21 * a33) + a13 * (a21 * a32 - a22 * a31);
    x0 = ((a12 * a23 - a13 * a22) * b3 + (a13 * a32 - a12 * a33) * b2 + (a22 * a33 - a23 * a32) * b1) / temp;
    y0 = -((a11 * a23 - a13 * a21) * b3 + (a13 * a31 - a11 * a33) * b2 + (a21 * a33 - a23 * a31) * b1) / temp;
    z0 = ((a11 * a22 - a12 * a21) * b3 + (a12 * a31 - a11 * a32) * b2 + (a21 * a32 - a22 * a31) * b1) / temp;
    radius = sqrt((x0 - x1)^2 + (y0 - y1)^2 + (z0 - z1)^2);
    
    r11 = (x1 - x0) / radius;
    r21 = (y1 - y0) / radius;
    r31 = (z1 - z0) / radius;
    
    temp1 = (y1 - y2) * (z2 - z3) - (y2 - y3) * (z1 - z2);
    temp2 = (x2 - x3) * (z1 - z2) - (x1 - x2) * (z2 - z3);
    temp3 = (x1 - x2) * (y2 - y3) - (x2 - x3) * (y1 - y2);
    vectorZLength = sqrt(temp1 * temp1 + temp2 * temp2 + temp3 * temp3);
    r13 = temp1 / vectorZLength;
    r23 = temp2 / vectorZLength;
    r33 = temp3 / vectorZLength;
    
    r12 = r23 * r31 - r21 * r33;
    r22 = r11 * r33 - r13 * r31;
    r32 = r13 * r21 - r11 * r23;
    
    arcCentralAngle = atan2((x3 - x0) * r12 + (y3 - y0) * r22 + (z3 - z0) * r32, ...
                      (x3 - x0) * r11 + (y3 - y0) * r21 + (z3 - z0) * r31);
    if  arcCentralAngle < 0.0
        arcCentralAngle = arcCentralAngle + 2.0 * pi;
    end
    arcCenter = [x0; y0; z0];
    rotateMatrix = [r11, r12, r13; r21, r22, r23; r31, r32, r33];
end
end
clc
clear
close all

startPos = [12, 7, 20]'; %圓弧起點
midPos = [0, 12, 10]';   %圓弧中間點
endPos = [8, 0, 10]';    %圓弧終點

[arcCenter, radius, arcCentralAngle, rotateMatrix, status] = solve_spatial_arc_params(startPos, midPos, endPos);

count = 1000;
s = linspace(0, 1, count)';
xs = radius * cos(s * arcCentralAngle);
ys = radius * sin(s * arcCentralAngle);
x = zeros(count, 1);
y = zeros(count, 1);
z = zeros(count, 1);
for i = 1 : count
    x(i) = rotateMatrix(1, 1) * xs(i) + rotateMatrix(1, 2) * ys(i) + arcCenter(1);
    y(i) = rotateMatrix(2, 1) * xs(i) + rotateMatrix(2, 2) * ys(i) + arcCenter(2);
    z(i) = rotateMatrix(3, 1) * xs(i) + rotateMatrix(3, 2) * ys(i) + arcCenter(3);
end

figure('color', 'w')
plot3([startPos(1), midPos(1), endPos(1)], [startPos(2), midPos(2), endPos(2)], [startPos(3), midPos(3), endPos(3)], 'o')
hold on
plot3(x, y, z, 'r')
xlabel('x')
ylabel('y')
zlabel('z')
axis equal

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