Python 3d坐标系平动仿真 python 三维坐标图

目录

• 目的
• 画坐标系方法
• 画坐标系代码
• 坐标系效果图
• 纠正飞机坐标系
• 源代码

目的

在后续的章节中，飞机或其他模型需要参照物才能明白模型是如何运动的，本节介绍建立笛卡尔坐标系的方法。

画坐标系方法

使用VPython的圆柱体（cylinder）画坐标系的轴线，使用圆锥体（cone）画坐标系的箭头，x轴使用红色，y轴使用绿色，z轴使用蓝色。

画坐标系代码

#构建坐标系//
#axis_lenth：坐标轴长度
#axis_rad：坐标轴直径
#cone_rad：坐标箭头直径
#unit:计算单位数值，单位mm，unit=1000为1m
def Coord_Sys(axis_lenth=100,axis_rad=1,cone_rad=1,unit=1):
    meter = unit  # 1m=1000mm
    axis_len = axis_lenth * meter
    axis_radius = axis_rad * meter
    cone_radius = cone_rad * meter
    cone_len = 3*cone_radius
    # x轴线和箭头
    x_axis_line = cylinder(pos=vector(0, 0, 0), axis=vec(axis_len, 0, 0), radius=axis_radius)
    x_axis_line.color = vector(255, 0, 0)
    x_axis_cone = cone(pos=vector(axis_len, 0, 0), axis=vec(cone_len, 0, 0), radius=cone_radius)
    x_axis_cone.color = vector(255, 0, 0)
    # y轴线和箭头
    y_axis_line = cylinder(pos=vector(0, 0, 0), axis=vec(0, axis_len, 0), radius=axis_radius)
    y_axis_line.color = vector(0, 255, 0)
    y_axis_cone = cone(pos=vector(0, axis_len, 0), axis=vec(0, cone_len, 0), radius=cone_radius)
    y_axis_cone.color = vector(0, 255, 0)
    # z轴线和箭头
    z_axis_line = cylinder(pos=vector(0, 0, 0), axis=vec(0, 0, axis_len), radius=axis_radius)
    z_axis_line.color = vector(0, 0, 255)
    z_axis_cone = cone(pos=vector(0, 0, axis_len), axis=vec(0, 0, cone_len), radius=cone_radius)
z_axis_cone.color = vector(0, 0, 255)
def main():
    #画坐标系
    Coord_Sys(1000,10,20,1)
    
if __name__ == '__main__':
    main()

坐标系效果图

在数学和工程建模上，通常笛卡尔坐标系的x轴和y轴在水平面上，z轴为竖轴；但在飞行器飞行力学分析中，机体坐标系、速度坐标系等竖轴为y轴，z轴和x轴在水平面上。

坐标系显示的初始画面如图1，黑底色的场景窗口中心为坐标系原点，红色x轴指向右侧，绿色y轴竖直向上，蓝色z轴指向屏幕外。说明VPython的坐标系定义与飞行器飞行力学中坐标系的定义类似。将以上代码加入上节“VPython三维仿真（NO.3） 导入复杂模型”中的场景初始画面如图2。根据上节内容中飞机的坐标系定义（如图3），飞机竖轴为z轴，y轴指向机尾，x轴指向飞机左侧，因此飞机与坐标系的相对关系如图2的方式。

图1

图2

图3

纠正飞机坐标系

为方便后续仿真程序的完善，需要将飞机的坐标系定义与飞行器飞行力学坐标系定义保持一致，方法有两种：

方法一：在三维设计软件中修改飞机的姿态，使x轴指向机头，飞机竖轴为y轴，修改后如图4。调整后的初始场景如图5、图6，飞机模型与飞行器飞行力学中坐标系定义保持一致了。

图4

图5

图6

方法二：在VPython中使用函数旋转机体，在下一节移动和旋转飞机方法中介绍。

源代码

本节内容最后源代码如下：

# -*- coding: utf-8 -*-
import pandas as pd
from vpython import *
from stl import mesh

#从stl文件中读取数据构建模型
#file：stl文件名
#makeComp：是否构建compound，True输出compound，False输出0
#tail:是否有尾迹
#model_color：模型颜色
def FileToModel(file,makeComp=False,tail=False,model_color=vec(0.5,0.5,0.5)):
    temp_mesh = mesh.Mesh.from_file(file) #STL数据读入temp_mesh
    tris=[]
    num=int(temp_mesh.normals.size/3) #三角面数量
    for a in range(num):
        aa = temp_mesh.vectors[a][0] #三角面顶点1
        bb = temp_mesh.vectors[a][1] #三角面顶点2
        cc = temp_mesh.vectors[a][2] #三角面顶点3
        nn = temp_mesh.normals[a] #三角面方向向量
        #建立三角形三个顶点，normal顶点方向向量，colord顶点颜色
        p=vector(0,0,0)
        a = vertex(pos=vector(aa[0], aa[1], aa[2])+p,normal=vector(nn[0], nn[1], nn[2]),color=model_color)
        b = vertex(pos=vector(bb[0], bb[1], bb[2])+p,normal=vector(nn[0], nn[1], nn[2]),color=model_color)
        c = vertex(pos=vector(cc[0], cc[1], cc[2])+p,normal=vector(nn[0], nn[1], nn[2]),color=model_color)
        t=triangle(v0=a,v1=b,v2=c) #由三个顶点生成三角面
        tris.append(t) #三角面数组
    if makeComp==True:
        tt=compound(tris,make_trail=tail) #将三角面组成组件
        return tt
    return 0

#构建坐标系/
#axis_lenth：坐标轴长度
#axis_rad：坐标轴直径
#cone_rad：坐标箭头直径
#unit:计算单位数值，单位mm，unit=1000为1m
def Coord_Sys(axis_lenth=100,axis_rad=1,cone_rad=1,unit=1):
    meter = unit  # 1m=1000mm
    axis_len = axis_lenth * meter
    axis_radius = axis_rad * meter
    cone_radius = cone_rad * meter
    cone_len = 3*cone_radius
    x_axis_line = cylinder(pos=vector(0, 0, 0), axis=vec(axis_len, 0, 0), radius=axis_radius)
    x_axis_line.color = vector(255, 0, 0)
    x_axis_cone = cone(pos=vector(axis_len, 0, 0), axis=vec(cone_len, 0, 0), radius=cone_radius)
    x_axis_cone.color = vector(255, 0, 0)
    # y轴线和箭头
    y_axis_line = cylinder(pos=vector(0, 0, 0), axis=vec(0, axis_len, 0), radius=axis_radius)
    y_axis_line.color = vector(0, 255, 0)
    y_axis_cone = cone(pos=vector(0, axis_len, 0), axis=vec(0, cone_len, 0), radius=cone_radius)
    y_axis_cone.color = vector(0, 255, 0)
    # z轴线和箭头
    z_axis_line = cylinder(pos=vector(0, 0, 0), axis=vec(0, 0, axis_len), radius=axis_radius)
    z_axis_line.color = vector(0, 0, 255)
    z_axis_cone = cone(pos=vector(0, 0, axis_len), axis=vec(0, 0, cone_len), radius=cone_radius)
    z_axis_cone.color = vector(0, 0, 255)

def main():
    #画坐标系
    Coord_Sys(1300,10,20,1)
    #生成飞机
    target=FileToModel('plane1.stl',tail=False,model_color=vec(1,1,0))
    
if __name__ == '__main__':
    main()