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Koordinaten und Winkel in der Robotik

Nach dieser Lektion: Ich kann sagen, wo ein Punkt liegt und in welche Richtung er zeigt, und ich kann ihn um einen Winkel drehen.

Lektion, 55 Min.2 BefehleJupyterLab-Lab für Data Science: pandas, Matplotlib und scikit-learn im Browser

Wie ein Zahlenpaar die Lage eines Punktes festlegt

Ein Koordinatensystem beschreibt die Lage eines Punktes mit zwei Zahlen: wie weit er nach rechts und wie weit er nach oben liegt. Ein Winkel sagt zusätzlich, in welche Richtung etwas zeigt.

Ein Roboterarm braucht beides, um zu wissen, wo seine Hand ist. Alles in diesem Kit ist eine Simulation: Es gibt keinen echten Roboter, nur Rechnungen im Lab.

Am Ende dieser Lektion

Notiz

Ich kann sagen, wo ein Punkt liegt und in welche Richtung er zeigt, und ich kann ihn um einen Winkel drehen.

Schlüsselwörter

BegriffWas er bedeutetBeispiel
Koordinatenzwei Zahlen, die einen Punkt in der Ebene festlegen(3, 4)
Ursprungder Punkt (0, 0), von dem aus gemessen wird
Winkelwie weit etwas von der x-Achse weggedreht ist, in Grad
Drehungein Punkt wandert auf einem Kreis um den Ursprung
Bogenmaßdie zweite Art, Winkel zu messen: 180 Grad sind etwa 3,14

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Zwei Zahlen legen einen Punkt fest

Die erste Zahl heißt x und sagt, wie weit der Punkt nach rechts liegt. Die zweite heißt y und sagt, wie weit er nach oben liegt. Negative Zahlen gehen nach links und nach unten.

Der Ursprung ist der Punkt (0, 0). Den Abstand eines Punktes vom Ursprung liefert der Satz des Pythagoras: Wurzel aus x mal x plus y mal y.

Beispiel: Punkte auf dem Werktisch in Zentimetern

Punkt (x, y)Wo liegt er?Abstand vom Ursprung
(3, 4)3 nach rechts, 4 nach oben5
(0, 6)genau über dem Ursprung6
(-5, 0)5 nach links5
(6, 8)6 nach rechts, 8 nach oben10

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Der Abstand des Punktes (6, 8)

Befehl
docker exec jupyter python3 -c "import numpy as np; print(np.hypot(6, 8))"

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Eine Drehung bewegt einen Punkt auf einem Kreis

Bei einer Drehung um den Winkel w wandert ein Punkt auf einem Kreis um den Ursprung. Sein Abstand zum Ursprung bleibt gleich, nur die Richtung ändert sich.

Die neuen Koordinaten folgen aus zwei Zeilen: x neu ist x mal cos(w) minus y mal sin(w). y neu ist x mal sin(w) plus y mal cos(w).

Beispiel: der Punkt (3, 4) wird gedreht

DrehungNeuer PunktAbstand vom Ursprung
0 Grad(3, 4)5
90 Grad(-4, 3)5
180 Grad(-3, -4)5
270 Grad(4, -3)5

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Der Punkt (3, 4) um 90 Grad gedreht

Befehl
docker exec jupyter python3 -c "import numpy as np; w = np.radians(90); print(np.round(3 * np.cos(w) - 4 * np.sin(w), 6), np.round(3 * np.sin(w) + 4 * np.cos(w), 6))"

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Python rechnet Winkel im Bogenmaß

Die Funktionen cos und sin erwarten den Winkel im Bogenmaß. Dort sind 180 Grad etwa 3,14 und 90 Grad etwa 1,57.

Sie müssen das nicht im Kopf umrechnen. math.radians(90) macht aus Grad das Bogenmaß. Das ist die einzige Stelle in diesem Kit, an der das Bogenmaß vorkommt. Im Text steht der Winkel immer in Grad.

Einen Punkt in Python drehen

Code: python
import math

# Ein Lagerregal-Punkt wird um den Ursprung gedreht.
x = 6
y = 2
winkel = 90  # in Grad
w = math.radians(winkel)
x_neu = x * math.cos(w) - y * math.sin(w)
y_neu = x * math.sin(w) + y * math.cos(w)
print(round(x_neu, 3), round(y_neu, 3))
# Ändern Sie winkel auf 180 und starten Sie erneut.

Ein häufiger Fehler

Warnung

Viele geben den Winkel in Grad direkt an cos und sin. Dann kommt eine falsche Zahl heraus, denn Python erwartet das Bogenmaß. Rechnen Sie den Winkel immer erst mit math.radians um.

Über dieses Lab und seinen Quellcode: JupyterLab-Lab für Data Science: pandas, Matplotlib und scikit-learn im Browser

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