flix

# Вектор, кватернион

В алгоритме управления квадрокоптером широко применяются геометрические (и алгебраические) объекты, такие как **векторы** и **кватернионы**. Они позволяют упростить математические вычисления и улучшить читаемость кода. В этой главе мы рассмотрим именно те геометрические объекты, которые используются в алгоритме управления квадрокоптером Flix, причем акцент будет сделан на практических аспектах их использования.

## Система координат

### Оси координат

Для работы с объектами в трехмерном пространстве необходимо определить *систему координат*. Как известно, система координат задается тремя взаимно перпендикулярными осями, которые обозначаются как *X*, *Y* и *Z*. Порядок обозначения этих осей зависит от того, какую систему координат мы выбрали — *левую* или *правую*:

|Левая система координат|Правая система координат|
|-----------------------|------------------------|
|<img src="img/left-axes.svg" alt="Левая система координат" width="200">|<img src="img/right-axes.svg" alt="Правая система координат" width="200">|

В Flix для всех математических расчетов используется **правая система координат**, что является стандартом в робототехнике и авиации.

Также необходимо выбрать направление осей — в Flix они выбраны в соответствии со стандартом [REP-103](https://www.ros.org/reps/rep-0103.html). Для величин, заданных в подвижной системе координат, связанной с корпусом дрона, применяется порядок <abbr title="Forward Left Up">FLU</abbr>:

* ось X — направлена **вперед**;
* ось Y — направлена **влево**;
* ось Z — направлена **вверх**.

Для величин, заданных в *мировой* системе координат (относительно фиксированной точки в пространстве) — <abbr title="East North Up">ENU</abbr>:

* ось X — направлена на **восток** (условный);
* ось Y — направлена на **север** (условный);
* ось Z — направлена **вверх**.

> [!NOTE]
> Для системы ENU важно только взаимное направление осей. Если доступен магнитометр, то используются реальные восток и север, но если нет — то произвольно выбранные.

Углы и угловые скорости определяются в соответствии с правилами математики: значения увеличиваются против часовой стрелки, если смотреть в сторону начала координат. Общий вид системы координат:

<img src="img/axes-rotation.svg" alt="Система координат" width="200">

> [!TIP]
> Оси координат <i>X</i>, <i>Y</i> и <i>Z</i> часто обозначаются красными, зелеными и синими цветами соответственно. Запомнить это можно с помощью сокращения <abbr title="Red Green Blue">RGB</abbr>.

## Вектор

<div class="firmware">
	<strong>Файл прошивки:</strong>
	<a href="https://github.com/okalachev/flix/blob/master/flix/vector.h"><code>vector.h</code></a>.<br>
</div>

**Вектор** — простой геометрический объект, который содержит три значения, соответствующие координатам *X*, *Y* и *Z*. Эти значения называются *компонентами вектора*. Вектор может описывать точку в пространстве, направление или ось вращения, скорость, ускорение, угловые скорости и другие физические величины. В Flix векторы задаются объектами `Vector` из библиотеки `vector.h`:

```cpp
Vector v(1, 2, 3);
v.x = 5;
v.y = 10;
v.z = 15;
```

> [!TIP]
> Не следует путать геометрический вектор — <code>vector</code> и динамический массив в стандартной библиотеке C++ — <code>std::vector</code>.

В прошивке в виде векторов представлены, например:

* `acc` собственное ускорение с акселерометра.
* `gyro` — угловые скорости с гироскопа.
* `rates` — рассчитанная угловая скорость дрона.
* `accBias`, `accScale`, `gyroBias` — параметры калибровки IMU.

### Операции с векторами

**Длина вектора** рассчитывается при помощи теоремы Пифагора; в прошивке используется метод `norm()`:

```cpp
Vector v(3, 4, 5);
float length = v.norm(); // 7.071
```

Любой вектор можно привести к **единичному вектору** (сохранить направление, но сделать длину равной 1) при помощи метода `normalize()`:

```cpp
Vector v(3, 4, 5);
v.normalize(); // 0.424, 0.566, 0.707
```

**Сложение и вычитание** векторов реализуется через простое покомпонентное сложение и вычитание. Геометрически сумма векторов представляет собой вектор, который соединяет начало первого вектора с концом второго. Разность векторов представляет собой вектор, который соединяет конец первого вектора с концом второго. Это удобно для расчета относительных позиций, суммарных скоростей и решения других задач. В коде эти операции интуитивно понятны:

```cpp
Vector a(1, 2, 3);
Vector b(4, 5, 6);
Vector sum = a + b; // 5, 7, 9
Vector diff = a - b; // -3, -3, -3
```

Операция **умножения на число** `n` увеличивает (или уменьшает) длину вектора в `n` раз (сохраняя направление):

```cpp
Vector a(1, 2, 3);
Vector b = a * 2; // 2, 4, 6
```

В некоторых случаях полезна операция **покомпонентного умножения** (или деления) векторов. Например, для применения коэффициентов калибровки к данным с IMU. В разных библиотеках эта операция обозначается по разному, но в библиотеке `vector.h` используется простые знаки `*` и `/`:

```cpp
acc = acc / accScale;
```

**Угол между векторами** можно найти при помощи статического метода `Vector::angleBetween()`:

```cpp
Vector a(1, 0, 0);
Vector b(0, 1, 0);
float angle = Vector::angleBetween(a, b); // 1.57 (90 градусов)
```

#### Скалярное произведение

Скалярное произведение векторов *(dot product)* — это произведение длин двух векторов на косинус угла между ними. В математике оно обозначается знаком `·` или слитным написанием векторов. Интуитивно, результат скалярного произведения показывает, насколько два вектора *сонаправлены*.

В Flix используется статический метод `Vector::dot()`:

```cpp
Vector a(1, 2, 3);
Vector b(4, 5, 6);
float dotProduct = Vector::dot(a, b); // 32
```

Операция скалярного произведения может помочь, например, при расчете проекции одного вектора на другой.

#### Векторное произведение

Векторное произведение *(cross product)* позволяет найти вектор, перпендикулярный двум другим векторам. В математике оно обозначается знаком `×`, а в прошивке используется статический метод `Vector::cross()`:

```cpp
Vector a(1, 2, 3);
Vector b(4, 5, 6);
Vector crossProduct = Vector::cross(a, b); // -3, 6, -3
```

## Кватернион

### Ориентация в трехмерном пространстве

В отличие от позиции и скорости, у ориентации в трехмерном пространстве нет универсального для всех случаев способа представления. В зависимости от задачи ориентация может быть представлена в виде *углов Эйлера*, *матрицы поворота*, *вектора вращения* или *кватерниона*. Рассмотрим используемые в полетной прошивке способы представления ориентации.

### Углы Эйлера

**Углы Эйлера** — *крен*, *тангаж* и *рыскание* — это наиболее «естественный» для человека способ представления ориентации. Они описывают последовательные вращения объекта вокруг трех осей координат.

В прошивке углы Эйлера сохраняются в обычный объект `Vector` (хоть и, строго говоря, не являются вектором):

* Угол по крену *(roll)* — `vector.x`.
* Угол по тангажу *(pitch)* — `vector.y`.
* Угол по рысканию *(yaw)* — `vector.z`.

Особенности углов Эйлера:

1. Углы Эйлера зависят от порядка применения вращений, то есть существует 6 типов углов Эйлера. Порядок вращений, принятый в Flix (и в роботехнике в целом) — рыскание, тангаж, крен (ZYX).
2. Для некоторых ориентаций углы Эйлера «вырождаются». Так, если объект «смотрит» строго вниз, то угол по рысканию и угол по крену становятся неразличимыми. Эта ситуация называется *gimbal lock* — потеря одной степени свободы.

Ввиду этих особенности для углов Эйлера не существует общих формул для самых базовых задач с ориентациями, таких как применение одного вращения (ориентации) к другому, расчет разницы между ориентациями и подобных. Поэтому в основном углы Эйлера применяются в пользовательском интерфейсе, но редко используются в математических расчетах.

> [!IMPORTANT]
> Для углов Эйлера не существует общих формул для самых базовых операций с ориентациями.

### Axis-angle

Помимо углов Эйлера, любую ориентацию в трехмерном пространстве можно представить в виде вращения вокруг некоторой оси на некоторый угол. В геометрии это доказывается, как **теорема вращения Эйлера**. В таком представлении ориентация задается двумя величинами:

* **Ось вращения** *(axis)* — единичный вектор, определяющий ось вращения.
* **Угол поворота** *(angle* или *θ)* — угол, на который нужно повернуть объект вокруг этой оси.

В Flix ось вращения задается объектом `Vector`, а угол поворота — числом типа `float` в радианах:

```cpp
// Вращение на 45 градусов вокруг оси (1, 2, 3)
Vector axis(1, 2, 3);
float angle = radians(45);
```

Этот способ более удобен для расчетов, чем углы Эйлера, но все еще не является оптимальным.

### Вектор вращения

Если умножить вектор *axis* на угол поворота *θ*, то получится **вектор вращения** *(rotation vector)*. Этот вектор играет важную роль в алгоритмах управления ориентацией летательного аппарата.

Вектор вращения обладает замечательным свойством: если угловые скорости объекта (в собственной системе координат) в каждый момент времени совпадают с компонентами этого вектора, то за единичное время объект придет к заданной этим вектором ориентации. Это свойство позволяет использовать вектор вращения для управления ориентацией объекта посредством управления угловыми скоростями.

> [!IMPORTANT]
> Чтобы за единичное время прийти к заданной ориентации, собственные угловые скорости объекта должны быть равны компонентам вектора вращения.

Вектора вращения в Flix представляются в виде объектов `Vector`:

```cpp
// Вращение на 45 градусов вокруг оси (1, 2, 3)
Vector rotation = radians(45) * Vector(1, 2, 3);
```

### Кватернион

<div class="firmware">
	<strong>Файл прошивки:</strong>
	<a href="https://github.com/okalachev/flix/blob/master/flix/quaternion.h"><code>quaternion.h</code></a>.<br>
</div>

Вектор вращения удобен, но еще удобнее использовать **кватернион**. В Flix кватернионы задаются объектами `Quaternion` из библиотеки `quaternion.h`. Кватернион состоит из четырех значений: *w*, *x*, *y*, *z* и рассчитывается из вектора оси вращения *(axis)* и угла поворота *(θ)* по формуле:

\\[ q = \left( \begin{array}{c} w \\\\ x \\\\ y \\\\ z \end{array} \right) = \left( \begin{array}{c} \cos\left(\frac{\theta}{2}\right) \\\\ axis\_x \cdot \sin\left(\frac{\theta}{2}\right) \\\\ axis\_y \cdot \sin\left(\frac{\theta}{2}\right) \\\\ axis\_z \cdot \sin\left(\frac{\theta}{2}\right) \end{array} \right) \\]

На практике оказывается, что **именно такое представление наиболее удобно для математических расчетов**.

Проиллюстрируем кватернион и описанные выше способы представления ориентации на интерактивной визуализации. Изменяйте угол поворота *θ* с помощью ползунка (ось вращения константна) и изучите, как меняется ориентация объекта, вектор вращения и кватернион:

<div id="rotation-diagram" class="diagram">
	<p>
		<label class="angle" for="angle-range"></label>
		<input type="range" name="angle" id="angle-range" min="0" max="360" value="0" step="1">
	</p>
	<p class="axis"></p>
	<p class="rotation-vector"></p>
	<p class="quaternion"></p>
	<p class="euler"></p>
</div>

<script type="importmap">
{
	"imports": {
		"three": "https://cdn.jsdelivr.net/npm/three@0.176.0/build/three.module.js",
		"three/addons/": "https://cdn.jsdelivr.net/npm/three@0.176.0/examples/jsm/"
	}
}
</script>
<script type="module" src="js/rotation.js"></script>

> [!IMPORTANT]
> В контексте управляющих алгоритмов кватернион — это оптимизированный для расчетов аналог вектора вращения.

Кватернион это наиболее часто используемый способ представления ориентации в алгоритмах. Кроме этого, у кватерниона есть большое значение в теории чисел и алгебре, как у расширения понятия комплексного числа, но рассмотрение этого аспекта выходит за рамки описания работы с вращениями с практической точки зрения.

В прошивке в виде кватернионов представлены, например:

* `attitude` — текущая ориентация квадрокоптера.
* `attitudeTarget` — целевая ориентация квадрокоптера.

### Операции с кватернионами

Кватернион создается напрямую из четырех его компонент:

```cpp
// Кватернион, представляющий нулевую (исходную) ориентацию
Quaternion q(1, 0, 0, 0);
```

Кватернион можно создать из оси вращения и угла поворота, вектора вращения или углов Эйлера:

```cpp
Quaternion q1 = Quaternion::fromAxisAngle(axis, angle);
Quaternion q2 = Quaternion::fromRotationVector(rotation);
Quaternion q3 = Quaternion::fromEuler(Vector(roll, pitch, yaw));
```

И наоборот:

```cpp
q1.toAxisAngle(axis, angle);
Vector rotation = q2.toRotationVector();
Vector euler = q3.toEuler();
```

Возможно рассчитать вращение между двумя обычными векторами:

```cpp
Quaternion q = Quaternion::fromBetweenVectors(v1, v2); // в виде кватерниона
Vector rotation = Vector::rotationVectorBetween(v1, v2); // в виде вектора вращения
```

Шорткаты для работы с углом Эйлера по рысканью (удобно для алгоритмов управления полетом):

```cpp
float yaw = q.getYaw();
q.setYaw(yaw);
```

#### Применения вращений

Чтобы применить вращение, выраженное в кватернионе, к другому кватерниону, в математике используется операция **умножения кватернионов**. При использовании этой операции, необходимо учитывать, что она не является коммутативной, то есть порядок операндов имеет значение. Формула умножения кватернионов выглядит так:

\\[ q_1 \times q_2 = \left( \begin{array}{c} w_1 \\\\ x_1 \\\\ y_1 \\\\ z_1 \end{array} \right) \times \left( \begin{array}{c} w_2 \\\\ x_2 \\\\ y_2 \\\\ z_2 \end{array} \right) = \left( \begin{array}{c} w_1 w_2 - x_1 x_2 - y_1 y_2 - z_1 z_2 \\\\ w_1 x_2 + x_1 w_2 + y_1 z_2 - z_1 y_2 \\\\ w_1 y_2 - x_1 z_2 + y_1 w_2 + z_1 x_2 \\\\ w_1 z_2 + x_1 y_2 - y_1 x_2 + z_1 w_2 \end{array} \right) \\]

В библиотеке `quaternion.h` для этой операции используется статический метод `Quaternion::rotate()`:

```cpp
// Композиция вращений q1 и q2
Quaternion result = Quaternion::rotate(q1, q2);
```

Также полезной является операция применения вращения к вектору, которая делается похожим образом:

```cpp
// Вращение вектора v кватернионом q
Vector result = Quaternion::rotateVector(v, q);
```

Для расчета разницы между двумя ориентациями используется метод `Quaternion::between()`:

```cpp
// Расчет вращения от q1 к q2
Quaternion q = Quaternion::between(q1, q2);
```

## Дополнительные материалы

* [Интерактивный учебник по кватернионам](https://eater.net/quaternions).
* [Визуализация вращения вектора с помощью кватернионов](https://quaternions.online).