Habitat-Sim 物理引擎教程：刚体对象管理与控制详解-优快云博客

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Habitat-Sim 物理引擎教程：刚体对象管理与控制详解

habitat-sim A flexible, high-performance 3D simulator for Embodied AI research. 项目地址: https://gitcode.com/gh_mirrors/ha/habitat-sim

概述

本教程将深入介绍 Habitat-Sim 模拟器中的刚体对象管理系统，展示如何创建、配置和控制刚体对象，以及如何实现复杂的物理交互效果。Habitat-Sim 是一个高效的3D模拟器，专为机器人学习、计算机视觉和人工智能研究设计，内置了强大的物理引擎支持。

环境准备

首先需要配置模拟环境，包括场景加载和传感器设置：

def make_configuration():
    # 基础模拟器配置
    backend_cfg = habitat_sim.SimulatorConfiguration()
    backend_cfg.scene_id = "data/scene_datasets/habitat-test-scenes/apartment_1.glb"
    
    # 传感器配置（RGB和深度）
    camera_resolution = [544, 720]
    sensor_specs = []
    
    # 第一人称RGB相机
    rgba_camera_1stperson_spec = habitat_sim.CameraSensorSpec()
    rgba_camera_1stperson_spec.uuid = "rgba_camera_1stperson"
    rgba_camera_1stperson_spec.sensor_type = habitat_sim.SensorType.COLOR
    rgba_camera_1stperson_spec.resolution = camera_resolution
    
    # 组合配置
    agent_cfg = habitat_sim.agent.AgentConfiguration()
    agent_cfg.sensor_specifications = sensor_specs
    
    return habitat_sim.Configuration(backend_cfg, [agent_cfg])

刚体对象基础操作

对象创建与基本控制

Habitat-Sim 提供了完整的刚体对象管理接口：

# 获取刚体对象管理器
rigid_obj_mgr = sim.get_rigid_object_manager()

# 加载对象模板
sphere_template_id = obj_templates_mgr.load_configs("data/test_assets/objects/sphere")[0]

# 添加对象到场景
sphere_obj = rigid_obj_mgr.add_object_by_template_id(sphere_template_id)
sphere_obj.translation = [2.50, 0.0, 0.2]  # 设置位置

用户自定义属性

可以为对象添加自定义属性，用于存储额外信息：

user_attributes_dict = {
    "description": "这是一个测试球体对象",
    "value": 17,
    "is_active": False,
    "rotation": mn.Quaternion.rotation(mn.Deg(90.0), [-1.0, 0.0, 0.0])
}

for k, v in user_attributes_dict.items():
    sphere_obj.user_attributes.set(k, v)

物理控制进阶

动力学控制

Habitat-Sim 支持对刚体施加力和扭矩：

# 创建多个盒子对象
boxes = []
for pos in box_positions:
    box = rigid_obj_mgr.add_object_by_template_handle(cheezit_template_handle)
    box.translation = pos
    boxes.append(box)

# 施加反重力
anti_grav_force = -1.0 * sim.get_gravity() * boxes[0].mass
for box in boxes:
    box.apply_force(anti_grav_force, [0.0, 0.0, 0.0])
    box.apply_torque([0.0, 0.01, 0.0])

运动类型控制

对象可以设置为动力学(KINEMATIC)或动态(DYNAMIC)运动类型：

# 设置为运动学对象（不受物理影响）
chefcan_obj.motion_type = habitat_sim.physics.MotionType.KINEMATIC

# 手动更新运动学对象状态
clamp_obj.translation += [0.0, 0.0, 0.01]
clamp_obj.rotation = mn.Quaternion.rotation(mn.Rad(0.05), [-1.0, 0.0, 0.0])

速度控制

Habitat-Sim 提供了灵活的速度控制接口：

# 获取速度控制器
vel_control = clamp_obj.velocity_control

# 设置线速度和角速度
vel_control.linear_velocity = [0.0, 0.0, -1.0]
vel_control.angular_velocity = [4.0, 0.0, 0.0]

# 启用控制
vel_control.controlling_lin_vel = True
vel_control.controlling_ang_vel = True

机器人控制实例

机器人实体控制

将机器人作为刚体对象进行控制：

# 加载机器人模板
locobot_template_id = obj_templates_mgr.load_configs("data/objects/locobot_merged")[0]

# 添加机器人对象并关联到Agent
locobot = rigid_obj_mgr.add_object_by_template_id(
    locobot_template_id, sim.agents[0].scene_node
)

# 设置速度控制
vel_control = locobot.velocity_control
vel_control.linear_velocity = [0.0, 0.0, -1.0]
vel_control.angular_velocity = [0.0, 2.0, 0.0]

导航网格集成

将物理控制与导航网格结合：

# 手动集成刚体状态
target_rigid_state = vel_control.integrate_transform(time_step, previous_rigid_state)

# 将状态对齐到导航网格
end_pos = sim.step_filter(
    previous_rigid_state.translation, target_rigid_state.translation
)
locobot.translation = end_pos