四足機器人步態仿真（一）PyBullet 物理仿真初體驗
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一、PyBullet 簡介
1.1 PyBullet是什么？
PyBullet 是一個用于機器人學、游戲開發和圖形研究的開源物理仿真庫。它是基于 Bullet Physics SDK，這是一個成熟的、廣泛使用的開源物理引擎。
本文引用地址：http://www.104case.com/article/202502/467342.htmPyBullet 提供了 Python 接口，使得開發者能夠利用 Bullet 強大的物理仿真能力，同時享受 Python 的易用性。
1.2 PyBullet的發展歷程
Bullet Physics SDK 最初由 Erwin Coumans 在 2003 年開發，它從一個小型的開源項目發展為一個強大的、被廣泛認可的物理引擎，被用于電影特效、游戲和機器人仿真。
PyBullet 作為 Bullet 的 Python 接口，隨著 Python 在科學計算和機器學習領域的流行。
1.3PyBullet有哪些功能及特點
多體動力學仿真: PyBullet 能夠精確模擬多體系統的動態行為，包括剛體和軟體動力學。
機器人學支持: 它支持加載 URDF（統一機器人描述格式）文件，這是一種在機器人學中廣泛使用的標準格式。
逆向動力學和運動規劃: PyBullet 提供了逆向動力學求解器和運動規劃算法，這對于機器人的路徑規劃至關重要。
渲染和可視化: 它包括一個簡單的直接渲染器，也可以通過 VR 接口進行更高級的渲染。
強化學習環境: PyBullet 與 OpenAI Gym 兼容，為強化學習提供了標準化的環境和接口。
跨平臺: 它可以在 Windows、Linux 和 macOS 上運行。
1.4PyBullet有哪些優缺點
優點:
開源: 作為一個開源工具，PyBullet 有一個龐大的社區，不斷有新的改進和功能添加。
性能: 對于復雜的仿真任務，PyBullet 提供了良好的性能和實時仿真能力。
易于學習: Python 接口簡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、教育和商業項目，覆蓋了從基本物理仿真到高級機器人學習的各種需求。
缺點:
文檔: 盡管社區支持廣泛，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間來熟悉。
資源消耗: 對于非常大型或復雜的仿真，PyBullet 可能需要較多的計算資源。
渲染限制: 內置的直接渲染器功能有限，對于需要高級圖形的應用，可能需要額外的渲染工具。
為什么使用它進行機器人仿真
1.5 為什么使用PyBullet進行機器人仿真
PyBullet 提供了高質量的物理仿真，包括對剛體動力學、軟體、碰撞檢測和摩擦等物理現象的精確模擬。并且內置有逆向動力學求解器和運動規劃算法。
最重要的是：PyBullet 兼容 OpenAI Gym 接口，提供了一個標準化的環境用于開發和測試強化學習算法。
二、PyBullet 物理仿真初體驗
安裝 PyBullet
開始使用pybullet非常簡單。如果你的Python環境已經配置好了，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物理世界，并在世界中放置兩個球體，模擬兩個球體碰撞
import pybullet as p
import pybullet_data
import time
# 啟動仿真引擎的GUI
p.connect(p.GUI)
# 設置重力加速度
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")
# 加載第一個球體模型，并設置初始位置
ball1StartPos = [0, 0, 1]
ball1StartOrientation = p.getQuaternionFromEuler([0, 0, 0])
ball1Id = p.loadURDF("sphere2.urdf", ball1StartPos, ball1StartOrientation)
# 加載第二個球體模型，并設置初始位置稍微偏離第一個球體
ball2StartPos = [0.1, 0, 1] # 稍微偏離第一個球體的位置
ball2StartOrientation = p.getQuaternionFromEuler([0, 0, 0])
ball2Id = p.loadURDF("sphere2.urdf", ball2StartPos, ball2StartOrientation)
# 設置模擬循環和時間步長
timeStep = 1./240.
p.setTimeStep(timeStep)
# 模擬循環，持續一定時間
for i in range(1000):
p.stepSimulation()
time.sleep(timeStep)
# 斷開與仿真引擎的連接
p.disconnect()
運行程序，我們可以看到兩個球碰撞的過程，但好像還不夠直觀，下面我們修改diam，給兩個球體設置初始速度，使它們向對方移動之后碰撞。
import pybullet as p
import pybullet_data
import time
# 啟動仿真引擎的GUI
p.connect(p.GUI)
# 設置重力加速度
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")
# 設置兩個球體的初始位置
ball1StartPos = [-1, 0, 0.5]
ball2StartPos = [1, 0, 0.5]
# 加載第一個球體模型
ball1Id = p.loadURDF("sphere2.urdf", ball1StartPos)
# 加載第二個球體模型
ball2Id = p.loadURDF("sphere2.urdf", ball2StartPos)
# 設置初始速度，使兩個球體朝對方運動
p.resetBaseVelocity(ball1Id, linearVelocity=[5, 0, 0])
p.resetBaseVelocity(ball2Id, linearVelocity=[-5, 0, 0])
# 設置模擬循環和時間步長
timeStep = 1./240.
p.setTimeStep(timeStep)
# 模擬循環，持續一定時間
for i in range(500):
p.stepSimulation()
time.sleep(timeStep)
# 斷開與仿真引擎的連接
p.disconnect()
運行程序，我們成功仿真了兩個球體相向運動并碰撞的過程。
二、PyBullet 函數功能及用法
在上述示例中，我們使用了 PyBullet 來創建一個簡單的物理仿真，其中兩個球體相向而行并發生碰撞。這里將一一介紹代碼中使用到的 PyBullet 函數及其功能：
p.commect：
這個函數用于連接到 PyBullet 仿真引擎。p.GUI 參數告訴 PyBullet 使用帶有圖形用戶界面的模式。還有其他模式比如 p.DIRECT，它運行仿真但不會打開GUI窗口，常用于后臺運行或測試。
p.connect(p.GUI)
p.setGravity：
設置整個仿真環境的重力。參數是三個浮點數，分別表示 x、y 和 z 軸方向的重力加速度。在這個例子中，我們只在 z 軸（向下）設置了重力加速度為 -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（統一機器人描述格式）。p.setAdditionalSearchPath 函數用于設置額外的搜索路徑，這樣 PyBullet 在加載模型文件時會在這個路徑下查找。pybullet_data.getDataPath() 返回 PyBullet 默認數據文件夾的路徑。
p.setAdditionalSearchPath(pybullet_data.getDataPath())
p.loadURDF：
加載URDF模型到仿真環境中。URDF是一種常用于描述復雜機器人模型的XML格式。參數包括 URDF 文件的路徑、起始位置和起始朝向。起始位置是一個三元組，表示模型在世界坐標系中的 x、y、z 坐標。起始朝向通常是一個四元數，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力學屬性。可以設置多種屬性，如質量、摩擦系數和彈性系數等。在這個例子中，我們用它來設置球體的彈性系數。
p.changeDynamics(ball1Id, -1, restitution=restitution)
`ball1Id` 是通過 `p.loadURDF` 加載模型時返回的唯一ID，`-1` 表示改變整個剛體（而不是特定的鏈接），`restitution` 是彈性系數參數。
p.resetBaseVelocity：
用于設置剛體的線速度和角速度。在本例中，我們使用這個函數來給球體設置初始速度，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，分別對應 x、y、z 軸方向的速度分量。
p.setTimeStep：
設置仿真的時間步長，即每次仿真迭代過程中模擬的真實時間長度。時間步長越小，仿真越精確，但計算量越大。
p.setTimeStep(timeStep)
``timeStep` 為每個仿真步長的時間，這里設置為 1/240 秒，意味著每秒仿真240幀。
p.stepSimulation：
進行一步物理仿真迭代。在循環中調用，以連續模擬物理環境的變化。
for i in range(500):
p.stepSimulation()
在循環中調用 `p.stepSimulation()` 使得仿真逐步前進，每次調用對應一個時間步長。
time.sleep：
這不是 PyBullet 的函數，而是 Python 標準庫中的函數，用于暫停程序執行指定的時間（以秒為單位）。在這個例子中，它用于將仿真速度放慢到接近實時速度，使得我們可以觀察到仿真過程。
time.sleep(timeStep)
這里的 `timeStep` 設置為與仿真時間步長相同，以便每次迭代暫停時間與物理時間步長一致。
p.disconnect：
斷開當前的 PyBullet 會話，關閉 GUI 窗口。這是在仿真結束時進行清理所必須的。
p.disconnect()
所以在一個基礎的仿真過程中，我們先設置環境（重力、搜索路徑等），然后加載模型（球體和平面），接著設置球體的動力學屬性和初始速度，然后在循環中逐步執行仿真，最后斷開連接以結束仿真。
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