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转动惯量矩阵推导
2024-10-10 16:00:03极客资料围观16次
这篇文章介绍了转动惯量矩阵推导，分享给大家做个参考，收藏极客之家收获更多编程知识
质点的角动量
角动量是矢量，可用位矢和动量的矢积表示：
\[\vec{L} = \vec{r} \times \vec{p} \tag{1}
\]
惯性张量
对于通过质心，绕任意轴以角速度\(\omega\)旋转的刚体，对于质心的角动量定义为：
\[H_{cg} = \int(\vec{r} \times (\vec{\omega} \times \vec{r})) dm
\]
r和w可以写成向量：
\[\vec{r} = x\vec{i} + y\vec{j} + z\vec{z}
\]
\[\vec{\omega} = \omega_x\vec{i} + \omega_y\vec{j} + \omega_z\vec{z}
\]
向量叉乘可以写成矩阵和向量相乘的形式：
\[\vec{r} \times \vec{q} = \begin{bmatrix}
r_y q_z - r_z q_y \\
r_z q_x - r_x q_z \\
r_x q_y -r_y q_x
\end{bmatrix}
=
\begin{bmatrix}
0 & -r_z & r_y \\
r_z & 0 & -r_x \\
-r_y & r_x & 0
\end{bmatrix}
\begin{bmatrix}
q_x \\
q_y \\
q_z
\end{bmatrix}
\]
因此展开角动量公式里的叉乘：
\[H_{cg} = \int(\vec{r} \times (\vec{\omega} \times \vec{r})) dm
=
\int(
\begin{bmatrix}
0 & -z & y \\
z & 0 & -x \\
-y & x & 0
\end{bmatrix}
\begin{bmatrix}
0 & -\omega_z & \omega_y \\
\omega_z & 0 & -\omega_x \\
-\omega_y & \omega_x & 0
\end{bmatrix}
\begin{bmatrix}
x \\
y \\
z
\end{bmatrix}
) dm \\
=
\int(
\begin{bmatrix}
-z\omega_z-y\omega_y & y\omega_x & z\omega_x \\
x\omega_y & -z\omega_z-x\omega_x & z\omega_y \\
x\omega_z & y\omega_z & -y\omega_y-x\omega_x
\end{bmatrix}
\begin{bmatrix}
x \\
y \\
z
\end{bmatrix}
) dm \\
=
\int(
\begin{bmatrix}
(y^2+z^2)\omega_x-xz\omega_z - xy\omega_y \\
(x^2+z^2)\omega_y -yz\omega_z-xy\omega_x \\
(x^2+y^2)\omega_z - yz\omega_y - xz\omega_x
\end{bmatrix}
) dm \\
\]
令：
\[I_{xx} = \int(y^2+z^2)dm
\]
\[I_{yy} = \int(x^2+z^2)dm
\]
\[I_{zz} = \int(y^2+x^2)dm
\]
\[I_{xy} = I_{yx} = \int(xy)dm
\]
\[I_{xz} = I_{zx} = \int(xz)dm
\]
\[I_{yz} = I_{zy} = \int(yz)dm
\]
上式可改写为：
\[H_{cg} =
\begin{bmatrix}
I_{xx}\omega_x-I_{xz}\omega_z - I_{xy}\omega_y \\
I_{yy}\omega_y -I_{yz}\omega_z-I_{xy}\omega_x \\
I_{zz}\omega_z -I_{yz}\omega_y - I_{xz}\omega_x
\end{bmatrix} \\
= \begin{bmatrix}
I_{xx} & -I_{xy} & -I_{xz} \\
-I_{xy} & I_{yy} & -I_{yz} \\
-I_{xz} & -I_{yz} & I_{zz} \\
\end{bmatrix}
\begin{bmatrix}
\omega_x \\
\omega_y \\
\omega_z
\end{bmatrix}
\]
令矩阵I：
\[I = \begin{bmatrix}
I_{xx} & -I_{xy} & -I_{xz} \\
-I_{xy} & I_{yy} & -I_{yz} \\
-I_{xz} & -I_{yz} & I_{zz} \\
\end{bmatrix}
\]
最终得到：
\[H_{cg} = I\vec{\omega}
\]
I就是转动惯量。
上式两边对于时间求导，在极短的时间内可以认为惯性矩阵I是常量：
\[\frac{d H_{cg}}{dt} = I \frac{d \vec{\omega}}{dt} = I \vec{\alpha}
\]
根据角动量定理(总外力矩等于刚体角动量的时间变化率)，左侧就是外力矩，因此：
\[\vec{M} = I \vec{\alpha} \Rightarrow I^{-1} \vec{M} = \vec{\alpha} \tag{6}
\]
这是旋转的运动学公式，总外力矩克服转动惯量，给予物体于角加速度。
和平移运动公式\(\vec{F}=m\vec{a}\)具有一样结构和地位。
计算转动惯量
\[I_{xx} = \int(y^2+z^2)dm
\]
\[I_{yy} = \int(x^2+z^2)dm
\]
\[I_{zz} = \int(y^2+x^2)dm
\]
\[I_{xy} = I_{yx} = \int(xy)dm
\]
\[I_{xz} = I_{zx} = \int(xz)dm
\]
\[I_{yz} = I_{zy} = \int(yz)dm
\]
\[I = \begin{bmatrix}
I_{xx} & -I_{xy} & -I_{xz} \\
-I_{xy} & I_{yy} & -I_{yz} \\
-I_{xz} & -I_{yz} & I_{zz} \\
\end{bmatrix}
\]
根据它的定义，坐标系恒定情况下，当物体姿态发生变化后，各个质量微原的位置发生了变化，因此每个量都需要重新计算，这带来了很大计算量。
然而实际不需要那么麻烦。
将I写成另一种形式：
\[I=\sum m_i(r_i^T r_i 1 - r_i r_i^T)
\]
其中 1代表单位矩阵。
如图在参考姿态下：
\[I_{ref}=\sum m_i(r_i^T r_i 1 - r_i r_i^T)
\]
当物体旋转后，原来的微原位于\(Rr_i\)处，因此
\[I=\sum m_i((Rr_i)^T (Rr_i) 1 - (Rr_i) (Rr_i)^T) \\
=\sum m_i(r_i^T R^T Rr_i 1 - Rr_i r_i^T R^T) \\
=\sum m_i(r_i^T r_i 1 - Rr_i r_i^T R^T) \\
=\sum m_i(R r_i^T r_i 1 R^T - Rr_i r_i^T R^T) \\
=\sum m_i R(r_i^T r_i 1 - r_i r_i^T) R^T \\
=R I_{ref} R^T
\]
最后：
\[I = R I_{ref} R^T
\]
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