剛體與連續體力學

尤拉角(Euler angles)

/ OY-ler /

尤拉角(Euler angles)是三個用來確定剛體方位的角度——相當於用三個座標來給定位置的轉動版本。它們回答的問題是:給定一個參考方位,物體究竟被轉成了什麼樣子?任何方位,無論多麼扭曲,都可以透過繞精心選定的軸連續作三次轉動而達到,這三個角度就是每一步你所轉的量。

在物理常用的 z-x-z 慣例中(Goldstein),你先繞空間 z 軸轉 phi,再繞新的 x 軸(即「節線」line of nodes)轉 theta,最後繞新的 z 軸轉 psi。這三個角度都有與旋轉陀螺相連的名字:phi 是進動角、theta 是章動(傾角)、psi 是自轉角。它們的變化率組合起來給出角速度;對一個對稱陀螺,在本體座標中沿對稱軸有 omega_3 = psi_dot + phi_dot cos(theta),其他分量則由 phi_dot、theta_dot、psi_dot 組成。

尤拉角是古典力學、太空船姿態、機器人學與電腦繪圖中描述方位的標準座標。它唯一嚴重的缺陷是一種稱為萬向鎖(gimbal lock)的座標奇異性:當 theta = 0 時,phi 與 psi 的轉動繞著同一軸而變得無法區分,於是參數化就退化了。這正是為什麼導航與繪圖系統常改用四元數(quaternions),因為四元數沒有這種奇異性。

飛機的方位常以偏航(yaw)、俯仰(pitch)、滾轉(roll)來表示——這是日常版的類尤拉角。當戰鬥機把機頭直直朝上(俯仰 = 90 度)時,偏航軸與滾轉軸重合,儀器便撞上萬向鎖,這正是阿波羅導航員必須設法迴避的同一種退化。

三個角度可確定任何方位,但此參數化會在萬向鎖處退化。

並不存在唯一「那一種」尤拉角慣例——實際使用的排序至少有十幾種(z-x-z、z-y-z、x-y-z 的「Tait-Bryan」等等)。務必註明所用慣例,否則兩份資料的公式會在無聲無息中彼此矛盾。

又称
phi, theta, psi尤拉角歐拉角