ANGLES D'EULER ET ROTATION |
CONTENU: Mis à jour janvier 2005, revu sept 2011, avril 2013 |
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Ce
paragraphe est consacré au repérage d'un solide ( ou d'un repère R mobile xyz )
en mouvement par rapport à un référentiel Ra considéré comme fixe, dont les
axes sont notés X Y Z. Souvent ce dernier est galiléen, mais ce n'est pas une
nécessité.
Nous
savons par les mathématiques que trois rotations sont nécessaires pour passer
de Ra à R. Le choix des angles n'est naturellement pas unique et dépend de la
nature du problème à étudier. Bien que les angles d'Euler ne soient pas les
plus commodes, ils font partie d'un repérage classique en mécanique du solide.
Ils sont tout de même couramment utilisés en mécanique classiqe, goniométrie et
repérages spatiaux…
NB
: vous trouverez ailleurs sur ce site, une présentation des angles de roulis - lacet - tangage. En anglais vous rencontrerez en aéronautique q Pitch ( tangage ) - F Roll ( Roulis ) - Y Yaw ( Lacet ), mais je ne préconise
pas ce rapprochement, sauf cas particulier.
AVERTISSEMENT : Les calculs qui vont suivre,
font partie de la branche des mathématiques qui traite du calcul matriciel, des
transformations des composantes, des matrices de passage, des matrices
unitaires de leurs inverses ou transposées …
Ne
voulant pas réécrire toutes les mathématiques ( ce qui serait prétentieux ) je
vous oriente plutôt vers quelques sites qui traitent de la question générale
des SEQUENCES DE ROTATIONS ,
sites malheureusement en anglais ( en 2013 )
Site
1 : Stellar
software
Site
2 : Document Word en
anglais excellent niveau, sérieux et général
Site
3 : Document
pdf de très grande qualité, faisant les rappels nécessaires sur les
rotations et le joint avec les quaternions, notion qui est présente sur mon site
Site
4 : Traitant
du calcul inverse des angles d'Euler, connaissant la matrice de passage,
avec étude précise des cas limites. Rubrique très utile pour ceux qui se
lancerait dans une programmation informatique.
I DEFINITION GEOMETRIQUE ET
INCONVENIENTS :
Le
croquis ci-dessous devrait éclairer l'exposé succinct de ces angles.
BUT:
"Passer" de Ra à R, par 3 rotations, à l'aide de 2 repères
intermédiaires.
MOYEN : Le
plan Oxy coupe en général le plan OXY suivant une droite, sur laquelle on
choisit arbitrairement un demi axe unitaire noté Ou. Ceci permet de définir un
premier angle y:
Y angle de PRECESSION mesuré positivement autour de
OZ.
INCONVENIENT
: Il existe une configuration ( celle ou la nutation q vaut 0 ou 180 ° )où les 2 plans
sont confondus, rendant difficile le suivi de y, sauf à le suivre par continuité. Ce problème a une incidence certaine
dans les résolutions informatisées.
Les
2 autres angles ne présentent alors pas de difficulté:
q angle de NUTATION est l'angle
orienté des unitaires X et u, mesuré >0 autour de Ou.
j angle de ROTATION PROPRE est
l'angle orienté des unitaires u et x, mesuré >0 autour de Oz.
La
chaîne des rotations logiques est la suivante :
1
- Ra = XYZ est transformé en uvZ par la rotation d'angle y autour de Z.
2
- uvZ est transformé en uwz par la rotation d'angle q autour de u.
3
- uwz est transformé en R = xyz par la rotation d'angle j autour de z.
Rappel
: La matrice de passage P du repère x y x à X Y Z est construite avec les
colonnes composantes des vecteurs X Y Z sur x y z respectivement.
Si
vous l'avez oublié un vecteur V de composante V1 V2 V3 dans le repère fixe et
v1 v2 v3 dans le repère mobile, vérifie :
Le
lecteur peu à l'aise dans les changements d'axe pourra établir la matrice de
passage P(Ra-->R)=(Pij) que voici:
Colonne
1: |
P11
= cosj cosy - sinj cosq siny P21
= cosj siny + sinj cosq cosy P31
= sinj sinq |
Colonne
2: |
P12
= -sinj cosy - cosj cosq siny P22
= -sinj siny + cosj cosq cosy P32 = cosj sinq |
Colonne
3: |
P13
= sinq siny P23
= -sinq cosy P33
= cosq |
Soit
la matrice de passage ( Fixe vers mobile ) ou Matrice des cosinus directeurs, ou
encore DCM en anglais ( Direction Cosine Matrix )
REMARQUE :
Vous
rencontrerez plus loin la théorie des quaternions qui est, de très loin, la meilleure
manière d'appréhender les rotations d'un solide, surtout quand elles peuvent
être quelconques ( Satellites en perte de contrôle ou en mode survie, avion en
voltige etc...). Attention les quaternions sont d'un abord difficile.
Bref,
la fin d'un calcul avec les quaternions donne la matrice instantanée P (
exprimée à l'aide des composantes du quaternion d'attitude , disons que l'on
connaît les valeurs des Pij ), avec laquelle il faut reconstituer
l'attitude, c'est à dire les angles d'évolution du solide en mouvement.
Pour nous ici, il faut retrouver les angles d'Euler. Il s'agit donc de résoudre
le système d'équations qui suit, avec comme inconnues y q f .
[1]
P11 = cosj cosy - sinj cosq siny
[2]
P21 = cosj siny + sinj cosq cosy
[3]
P31 = sinj sinq
[4]
P12 = -sinj
cosy - cosj cosq siny
[5]
P22 = -sinj
siny + cosj cosq cosy
[6] P32 = cosj sinq
[7] P13 = sinq siny
[8] P23 = -sinq cosy
[9]
P33 = cosq
Si
l'on considère qu'un angle est parfaitement défini par son sinus et son
cosinus, on peut considérer qu'il y a 6 inconnues, siny, cosy, sinj, cosj, sinq, cosq, et donc que
6 équations sont nécessaires sur les 9.
Comme
dans chaque paquet de 3 équations, les 2 premières entraînent la troisième, il
y a 3 équations surabondantes.
Le
lecteur validera ses compétences en mécanique classique pour établir les
composantes du vecteur rotation instantanée de R par rapport à Ra :
EN
AXES FIXES DE Ra:
EN
AXES MOBILES DE R :
V EXEMPLE CONCRET POUR LES
AMATEURS DE MATLAB: Le mouvement dit de 'Lagrange et
Poisson'
En
tant qu'enseignant, je trouve, bien que ce soit un cas d'école, cet exemple
excellent pour illustrer de nombreuses techniques :
1.
Le
théorème du moment cinétique en axes mobiles
2.
L'usage
de l'informatique et surtout de Matlab qui permet de parfaitement simuler à peu
de frais le mouvement
3.
La
mise en œuvre des quaternions
4.
L'exploitation
des quaternions pour reconstituer l'attitude
1°) DEFINITION :
Le mouvement de
Lagrange et Poisson est celui d'un solide (S) , mobile autour d'un point fixe O
, origine d'un repère inertiel OXYZ ( Z vertical ascendant ), avec les qualités
suivantes :
Pour la pesanteur |
|
Pour les inerties |
|
W |
La rotation axiale initiale autour de z |
p, q, r |
les composantes de la rotation absolue de S exprimée sur x y z |
Constantes pour la suite des calculs |
L'articulation en
O qui maintient O fixe est sphérique parfaite, Le seul couple actif sur le
solide S est celui Co de la pesanteur, porté par l'axe Ou.
2°) EQUATIONS DU MOUVEMENT
Le quaternion Q =
( q0 q1 q2 q3 ) qui sera introduit,
est associé à la rotation qui transforme le repère absolu fixe XYZ en celui,
mobile xyz lié au solide S. L'usage des quaternions nous libère, à priori de
toute définition plus ou moins bien définie des angles. Si des angles
deviennent nécessaires, alors dans cet exercice, ce seront typiquement ceux
d'Euler y, q, j.
Le théorème du
moment cinétique, appliqué au point fixe O, en projection sur les axes
satellite, conduit aux équations classiques :
Le couple est
alors exprimé en termes de quaternions ( voir le cours ), la matrice de passage est P=(Pij)
La résolution
numérique consiste à former un système différentiel du premier ordre, avec une
variable vecteur colonne à 7 composantes ( 3 pour la rotation ( p q r ) et 4
pour le quaternion Q = ( q0 q1 q2 q3 )
. Naturellement vous constatez que r(t) est constant et reste égale à W. La
rotation axiale se conserve.
Système classique
de la forme :
Pour
l'initialisation, il faut voir le cours sur les quaternions.
b) Résultats
: les graphiques qui suivent
illustrent une simulation Matlab.
Figure
1 : Cas classique avec un lancement du "gyro" très particulier : |
Figure 2 : Seul changement par rapport à fig1, on donne un peu de vitesse de nutation et donc on assiste à une courbe en festons serrés entre 2 cercles, prouvant que q oscille entre 2 valeurs. |
Figure
3 : Par rapport à fig2, on a diminué la rotation propre dans un rapport de 5. La trajectoire présente alors des points de rebroussement. |
Figure 4 : Diminution de la vitesse angulaire et apparition de festons plus "larges" qu'en figure 2 |
Figure 5 : Comme en figure 3 mais sur un temps plus long. |
Figure 6 : Augmentation de la masse et diminution de la rotation propre è Plus grande amplitude des variations de la nutation q. |
Figure 7 : L'axe est supposé quasiment vertical au départ q voisin de è On assiste alors à une descente de l'axe et une remontée vers la quasi verticale, ce qui donne en projection sur le plan, une sorte de "cardïoide". |
Schéma du diagramme fonctionnel sous Matlab/Simulink Ensemble des fichiers récupérables Lagrange.zip |
2°) AUTRES EQUATIONS DU MOUVEMENT :
a) MISE EN
EQUATIONS CLASSIQUE :
Classiquement, en
mécanique générale, avec un paramétrage par les angles classiques d'EULER, on
écrit d'autres équations, par le théorème du moment cinétique, appliqué à S, en
O fixe, en projection sur les axes uvz, axes qui restent principaux pour S et
privilégiés pour le calcul du couple du à la pesanteur.
Le lecteur
passionné de mécanique confirmera les calculs qui donnent le système :
On retrouve la
conservation de la rotation axiale, mais les 2 premières équations ne
permettent pas une résolution "à la main". Cependant, un cas
particulier intéressant et étonnant est celui de l'existence d'un mouvement où
q=90° reste constant, à la seule condition que la précession prenne une valeur
bien précise.
b) MISE EN
EVIDENCE D'UN COMPORTEMENT GYROSCOPIQUE:
Recherchons la
possibilité d'un mouvement stationnaire où q reste constant. De toute
évidence la vitesse de précession vérifie l'équation :
L'équation (1)
montre la fixité de l'axe en position verticale, ce qui est normal puisque la
pesanteur devient inactive.
L'équation (2)
donne une autre solution avec la vitesse de précession dy/dt en
fonction de q et W.
Le cas
intéressant est celui où le solide S est un gyroscope animé d'une grande
vitesse angulaire W,.On peut alors montrer que :
Ce cas est
illustré par la figure (1) avec les conditions initiales bien choisies. C'est,
ce que l'on appelle le PARADOXE GYROSCOPIQUE: A savoir que le solide S est
complètement en porte à faux où le poids agit avec un couple maximum et cependant
l'axe Oz du solide reste dans le plan horizontal, "sans tomber".
APPLICATION
PRATIQUE :
La conséquence de
ce résultat, est que pour un "gyro" dit de pointage ( devant
mémoriser une direction absolue ), tout décentrage de G par raport au point de suspension
O, crée une précession et donc une dérive de l'axe "gyro". C'est un
point critique des techniques inertielles. On y remédie en pratique en
augmentant au maximum la vitesse angulaire axiale W , ce qui
fait diminuer la dérive.
Guiziou
Robert , avril 2013