OpenGL - 运动轨迹-欧拉角（姿态角）-万向锁

坐标系

要了解飞机姿态，需要首先知道什么是地面坐标系和机体坐标系。

■地面坐标系（earth-surface inertial reference frame）Sg--------Oxgygzg


①在地面上选一点Og
②使xg轴在水平面内并指向某一方向
③zg轴垂直于地面并指向地心
④yg轴在水平面内垂直于xg轴，其指向按右手定则确定

■机体坐标系(Aircraft-body coordinate frame)Sb-------oxyz



①原点O取在飞机质心处，坐标系与飞机固连
②x轴在飞机对称平面内并平行于飞机的设计轴线指向机头
③y轴垂直于飞机对称平面指向机身右方
④z轴在飞机对称平面内，与x轴垂直并指向机身下方
■欧拉角/姿态角（Euler Angle）
 

机体坐标系与地面坐标系的关系是三个Euler角，反应了飞机相对地面的姿态。

俯仰角θ（pitch）：

机体坐标系X轴与水平面的夹角。当X轴的正半轴位于过坐标原点的水平面之上（抬头）时，俯仰角为正，否则为负。

偏航角ψ（yaw）：

机体坐标系xb轴在水平面上投影与地面坐标系xg轴（在水平面上，指向目标为正）之间的夹角，由xg轴逆时针转至机体xb的投影线时，偏航角为正，即机头右偏航为正，反之为负。

滚转角Φ（roll）：

机体坐标系zb轴与通过机体xb轴的铅垂面间的夹角，机体向右滚为正，反之为负。

万向死结锁

欧拉角存在一个缺陷就是 万向锁 ，网上有个形象的解释：

假如我们有一个望远镜和一个用来放望远镜的三脚架，（我们将）三脚架放在地面上，使支撑望远镜的三脚架的顶部是平行于地平面（参考平面）的，以便使得竖向的旋转轴（记为x轴）是完全地垂直于地平面的。现在，我们就可以将望远镜饶x轴旋转360度，从而观察（以望远镜为中心的）水平包围圈的所有方向。通常将正北朝向方位角度记为0度方位角。第二个坐标轴，即平行于地平面的横向的坐标轴（记为y轴）使得望远镜可以饶着它上下旋转，通常将地平面朝向的仰角记为0 度，这样，望远镜可以向上仰+90度指向天顶，或者向下-90度指向脚底。

现在，天空中（包括地面上）的每个点只需要唯一的一对x和y度数就可以确定。比如x=90度,y=45度指向的点是位于正东方向的半天空上。

让我们看看万向节死锁是怎么发生的吧。一次，我们探测到有一个飞行器贴地飞行，位于望远镜的正东方向（x=90度，y=10度），朝着我们直飞过来，我们跟踪它。飞行器飞行方向是保持x轴角度90度不变，而y向的角度在慢慢增大。随着飞行器的临近，y轴角增长的越来越快且当y向的角度达到90度时（即将超越），突然它急转弯朝南飞去。这时，我们发现我们不能将望远镜朝向南方，因为此时y向已经是90度，造成我们失去跟踪目标。这就是万向节死锁！

在这里有必要解释一下:为什么说不能将望远镜朝向南方呢?让我们看看坐标变化，从开始的（x=90度，y=10度）到（x=90度，y=90度），这个过程没有问题，望远镜慢慢转动跟踪飞行器。当飞行器到达（x=90度，y=90度）后，坐标突然变成（x=180度，y=90度）（因为朝南），x由90突变成180度,所以望远镜需要饶垂直轴向x轴旋转180-90=90度以便追上飞行器,但此时，望远镜已经是平行于x轴，我们知道饶平行于自身的中轴线的旋转改变不了朝向，就像拧螺丝一样，螺丝头的指向不变。所以望远镜的指向还是天顶。而后由于飞行器飞远，坐标变成（x=180度，y<90度）时，y向角减小，望远镜只能又转回到正东指向（刚刚还在那啊，怎么没了？），望'器'兴叹。这说明用x, y旋转角（又称欧拉角）来定向物体有时并不能按照你想象的那样工作，像上面的例子中从（x=90 度，y=10度）到（x=90度，y=90度），坐标值的变化和飞行器空间的位置变化一一对应，但是从（x=90度，y=90度）到（x=180度，y=90度），再到（x=180度，y<90度）这个变化，飞行器位置是连续的变化，但坐标值的变化却不是连续的（从90突变到 180），其原因在于（x=90度，y=90度）和（x=180度，y=90度）甚至和（x=任意度，y=90度）这些不同的坐标值对应空间同一个位置，这种多个坐标值对应同一个位置的不一致性是造成死锁的根源.

上面是2维坐标系中的例子，同样，对于3维的也一样。比如有一个平行于x轴的向量，我们先将它饶y旋转直到它平行于z轴，这时，我们会发现任何饶z的旋转都改变不了向量的方向，即万向节死锁。

遇到这种情况可以用 四元数 代替情景使用