四足機(jī)器人步態(tài)仿真（一）PyBullet 物理仿真初體驗(yàn)

一、PyBullet 簡(jiǎn)介

1.1 PyBullet是什么？

PyBullet 是一個(gè)用于機(jī)器人學(xué)、游戲開發(fā)和圖形研究的開源物理仿真庫。它是基于 Bullet Physics SDK，這是一個(gè)成熟的、廣泛使用的開源物理引擎。

PyBullet 提供了 Python 接口，使得開發(fā)者能夠利用 Bullet 強(qiáng)大的物理仿真能力，同時(shí)享受 Python 的易用性。

1.2 PyBullet的發(fā)展歷程

Bullet Physics SDK 最初由 Erwin Coumans 在 2003 年開發(fā)，它從一個(gè)小型的開源項(xiàng)目發(fā)展為一個(gè)強(qiáng)大的、被廣泛認(rèn)可的物理引擎，被用于電影特效、游戲和機(jī)器人仿真。

PyBullet 作為 Bullet 的 Python 接口，隨著 Python 在科學(xué)計(jì)算和機(jī)器學(xué)習(xí)領(lǐng)域的流行。

1.3PyBullet有哪些功能及特點(diǎn)

• 多體動(dòng)力學(xué)仿真: PyBullet 能夠精確模擬多體系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)行為，包括剛體和軟體動(dòng)力學(xué)。

• 機(jī)器人學(xué)支持: 它支持加載 URDF（統(tǒng)一機(jī)器人描述格式）文件，這是一種在機(jī)器人學(xué)中廣泛使用的標(biāo)準(zhǔn)格式。

• 逆向動(dòng)力學(xué)和運(yùn)動(dòng)規(guī)劃: PyBullet 提供了逆向動(dòng)力學(xué)求解器和運(yùn)動(dòng)規(guī)劃算法，這對(duì)于機(jī)器人的路徑規(guī)劃至關(guān)重要。

• 渲染和可視化: 它包括一個(gè)簡(jiǎn)單的直接渲染器，也可以通過 VR 接口進(jìn)行更高級(jí)的渲染。

• 強(qiáng)化學(xué)習(xí)環(huán)境: PyBullet 與 OpenAI Gym 兼容，為強(qiáng)化學(xué)習(xí)提供了標(biāo)準(zhǔn)化的環(huán)境和接口。

• 跨平臺(tái): 它可以在 Windows、Linux 和 macOS 上運(yùn)行。

1.4PyBullet有哪些優(yōu)缺點(diǎn)

優(yōu)點(diǎn):

• 開源: 作為一個(gè)開源工具，PyBullet 有一個(gè)龐大的社區(qū)，不斷有新的改進(jìn)和功能添加。

• 性能: 對(duì)于復(fù)雜的仿真任務(wù)，PyBullet 提供了良好的性能和實(shí)時(shí)仿真能力。

• 易于學(xué)習(xí): Python 接口簡(jiǎn)化了與物理引擎的交互，使得非專家也能輕松上手。

• 多功能性: 可以用于研究、教育和商業(yè)項(xiàng)目，覆蓋了從基本物理仿真到高級(jí)機(jī)器人學(xué)習(xí)的各種需求。

缺點(diǎn):

• 文檔: 盡管社區(qū)支持廣泛，但某些特定功能的文檔可能不夠詳盡，新用戶可能需要一段時(shí)間來熟悉。

• 資源消耗: 對(duì)于非常大型或復(fù)雜的仿真，PyBullet 可能需要較多的計(jì)算資源。

• 渲染限制: 內(nèi)置的直接渲染器功能有限，對(duì)于需要高級(jí)圖形的應(yīng)用，可能需要額外的渲染工具。

• 為什么使用它進(jìn)行機(jī)器人仿真

1.5 為什么使用PyBullet進(jìn)行機(jī)器人仿真

PyBullet 提供了高質(zhì)量的物理仿真，包括對(duì)剛體動(dòng)力學(xué)、軟體、碰撞檢測(cè)和摩擦等物理現(xiàn)象的精確模擬。并且內(nèi)置有逆向動(dòng)力學(xué)求解器和運(yùn)動(dòng)規(guī)劃算法。

最重要的是：PyBullet 兼容 OpenAI Gym 接口，提供了一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)化的環(huán)境用于開發(fā)和測(cè)試強(qiáng)化學(xué)習(xí)算法。

二、PyBullet 物理仿真初體驗(yàn)

安裝 PyBullet

開始使用pybullet非常簡(jiǎn)單。如果你的Python環(huán)境已經(jīng)配置好了，只需打開終端或命令提示符，輸入以下命令：

pip install pybullet

如果你安裝失敗，很大概率上pip沒有換源

第一次仿真

接下來我們將仿真一個(gè)物理世界，并在世界中放置兩個(gè)球體，模擬兩個(gè)球體碰撞

import pybullet as p
import pybullet_data
import time
# 啟動(dòng)仿真引擎的GUI
p.connect(p.GUI)
# 設(shè)置重力加速度
p.setGravity(0, 0, -9.81)
# 加載URDF模型路徑
p.setAdditionalSearchPath(pybullet_data.getDataPath())
# 加載平面模型作為地面
planeId = p.loadURDF("plane.urdf")
# 加載第一個(gè)球體模型，并設(shè)置初始位置
ball1StartPos = [0, 0, 1]
ball1StartOrientation = p.getQuaternionFromEuler([0, 0, 0])
ball1Id = p.loadURDF("sphere2.urdf", ball1StartPos, ball1StartOrientation)
# 加載第二個(gè)球體模型，并設(shè)置初始位置稍微偏離第一個(gè)球體
ball2StartPos = [0.1, 0, 1]  # 稍微偏離第一個(gè)球體的位置
ball2StartOrientation = p.getQuaternionFromEuler([0, 0, 0])
ball2Id = p.loadURDF("sphere2.urdf", ball2StartPos, ball2StartOrientation)
# 設(shè)置模擬循環(huán)和時(shí)間步長(zhǎng)
timeStep = 1./240.
p.setTimeStep(timeStep)
# 模擬循環(huán)，持續(xù)一定時(shí)間
for i in range(1000):
    p.stepSimulation()
    time.sleep(timeStep)
# 斷開與仿真引擎的連接
p.disconnect()

運(yùn)行程序，我們可以看到兩個(gè)球碰撞的過程，但好像還不夠直觀，下面我們修改diam，給兩個(gè)球體設(shè)置初始速度，使它們向?qū)Ψ揭苿?dòng)之后碰撞。

import pybullet as p
import pybullet_data
import time

# 啟動(dòng)仿真引擎的GUI
p.connect(p.GUI)

# 設(shè)置重力加速度
p.setGravity(0, 0, -9.81)

# 加載URDF模型路徑
p.setAdditionalSearchPath(pybullet_data.getDataPath())

# 加載平面模型作為地面
planeId = p.loadURDF("plane.urdf")

# 設(shè)置兩個(gè)球體的初始位置
ball1StartPos = [-1, 0, 0.5]
ball2StartPos = [1, 0, 0.5]

# 加載第一個(gè)球體模型
ball1Id = p.loadURDF("sphere2.urdf", ball1StartPos)

# 加載第二個(gè)球體模型
ball2Id = p.loadURDF("sphere2.urdf", ball2StartPos)

# 設(shè)置初始速度，使兩個(gè)球體朝對(duì)方運(yùn)動(dòng)
p.resetBaseVelocity(ball1Id, linearVelocity=[5, 0, 0])
p.resetBaseVelocity(ball2Id, linearVelocity=[-5, 0, 0])

# 設(shè)置模擬循環(huán)和時(shí)間步長(zhǎng)
timeStep = 1./240.
p.setTimeStep(timeStep)

# 模擬循環(huán)，持續(xù)一定時(shí)間
for i in range(500):
    p.stepSimulation()
    time.sleep(timeStep)

# 斷開與仿真引擎的連接
p.disconnect()

運(yùn)行程序，我們成功仿真了兩個(gè)球體相向運(yùn)動(dòng)并碰撞的過程。

二、PyBullet 函數(shù)功能及用法

在上述示例中，我們使用了 PyBullet 來創(chuàng)建一個(gè)簡(jiǎn)單的物理仿真，其中兩個(gè)球體相向而行并發(fā)生碰撞。這里將一一介紹代碼中使用到的 PyBullet 函數(shù)及其功能：

p.commect：

這個(gè)函數(shù)用于連接到 PyBullet 仿真引擎。p.GUI 參數(shù)告訴 PyBullet 使用帶有圖形用戶界面的模式。還有其他模式比如 p.DIRECT，它運(yùn)行仿真但不會(huì)打開GUI窗口，常用于后臺(tái)運(yùn)行或測(cè)試。

p.connect(p.GUI)

p.setGravity：

設(shè)置整個(gè)仿真環(huán)境的重力。參數(shù)是三個(gè)浮點(diǎn)數(shù)，分別表示 x、y 和 z 軸方向的重力加速度。在這個(gè)例子中，我們只在 z 軸（向下）設(shè)置了重力加速度為 -9.81 m/s2，模擬地球表面的重力條件。

p.setGravity(0, 0, -9.81)

p.setAdditionalSearchPath：

PyBullet 可以加載多種格式的模型文件，包括 URDF（統(tǒng)一機(jī)器人描述格式）。p.setAdditionalSearchPath 函數(shù)用于設(shè)置額外的搜索路徑，這樣 PyBullet 在加載模型文件時(shí)會(huì)在這個(gè)路徑下查找。pybullet_data.getDataPath() 返回 PyBullet 默認(rèn)數(shù)據(jù)文件夾的路徑。

p.setAdditionalSearchPath(pybullet_data.getDataPath())

p.loadURDF：

加載URDF模型到仿真環(huán)境中。URDF是一種常用于描述復(fù)雜機(jī)器人模型的XML格式。參數(shù)包括 URDF 文件的路徑、起始位置和起始朝向。起始位置是一個(gè)三元組，表示模型在世界坐標(biāo)系中的 x、y、z 坐標(biāo)。起始朝向通常是一個(gè)四元數(shù)，表示模型的初始方向。

ball1Id = p.loadURDF("sphere2.urdf", ball1StartPos)

p.changeDynamics：

用于更改仿真中特定剛體的動(dòng)力學(xué)屬性?？梢栽O(shè)置多種屬性，如質(zhì)量、摩擦系數(shù)和彈性系數(shù)等。在這個(gè)例子中，我們用它來設(shè)置球體的彈性系數(shù)。

p.changeDynamics(ball1Id, -1, restitution=restitution)

`ball1Id` 是通過 `p.loadURDF` 加載模型時(shí)返回的唯一ID，`-1` 表示改變整個(gè)剛體（而不是特定的鏈接），`restitution` 是彈性系數(shù)參數(shù)。

p.resetBaseVelocity：

用于設(shè)置剛體的線速度和角速度。在本例中，我們使用這個(gè)函數(shù)來給球體設(shè)置初始速度，使其相向而行。

p.resetBaseVelocity(ball1Id, linearVelocity=[5, 0, 0])

這里 `ball1Id` 是球體的唯一ID，`linearVelocity` 是線速度的三元組，分別對(duì)應(yīng) x、y、z 軸方向的速度分量。

p.setTimeStep：

設(shè)置仿真的時(shí)間步長(zhǎng)，即每次仿真迭代過程中模擬的真實(shí)時(shí)間長(zhǎng)度。時(shí)間步長(zhǎng)越小，仿真越精確，但計(jì)算量越大。

p.setTimeStep(timeStep)

``timeStep` 為每個(gè)仿真步長(zhǎng)的時(shí)間，這里設(shè)置為 1/240 秒，意味著每秒仿真240幀。

p.stepSimulation：

進(jìn)行一步物理仿真迭代。在循環(huán)中調(diào)用，以連續(xù)模擬物理環(huán)境的變化。

for i in range(500):
    p.stepSimulation()

在循環(huán)中調(diào)用 `p.stepSimulation()` 使得仿真逐步前進(jìn)，每次調(diào)用對(duì)應(yīng)一個(gè)時(shí)間步長(zhǎng)。

time.sleep：

這不是 PyBullet 的函數(shù)，而是 Python 標(biāo)準(zhǔn)庫中的函數(shù)，用于暫停程序執(zhí)行指定的時(shí)間（以秒為單位）。在這個(gè)例子中，它用于將仿真速度放慢到接近實(shí)時(shí)速度，使得我們可以觀察到仿真過程。

time.sleep(timeStep)

這里的 `timeStep` 設(shè)置為與仿真時(shí)間步長(zhǎng)相同，以便每次迭代暫停時(shí)間與物理時(shí)間步長(zhǎng)一致。

p.disconnect：

斷開當(dāng)前的 PyBullet 會(huì)話，關(guān)閉 GUI 窗口。這是在仿真結(jié)束時(shí)進(jìn)行清理所必須的。

p.disconnect()

所以在一個(gè)基礎(chǔ)的仿真過程中，我們先設(shè)置環(huán)境（重力、搜索路徑等），然后加載模型（球體和平面），接著設(shè)置球體的動(dòng)力學(xué)屬性和初始速度，然后在循環(huán)中逐步執(zhí)行仿真，最后斷開連接以結(jié)束仿真。