MuJoCo物理引擎仿真开发指南

最新推荐文章于 2025-06-04 09:10:54 发布

诸肖翔Loveable

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MuJoCo物理引擎仿真开发指南

mujoco Multi-Joint dynamics with Contact. A general purpose physics simulator. 项目地址: https://gitcode.com/gh_mirrors/mu/mujoco

前言

MuJoCo（Multi-Joint dynamics with Contact）是一款高性能的物理引擎，专门用于机器人、生物力学和动画领域的仿真。本文将深入解析MuJoCo仿真系统的核心概念和编程接口，帮助开发者快速掌握其使用方法。

仿真初始化

模型与数据结构

MuJoCo仿真系统基于两个核心数据结构：mjModel和mjData。这两个结构体分别承担不同的职责：

mjModel：包含模型的静态描述，如几何形状、关节属性、质量参数等
mjData：存储仿真过程中的动态数据，如状态变量、控制信号和中间计算结果

开发者应始终使用MuJoCo提供的API函数来创建和销毁这些结构体，而非直接分配内存。这种设计有以下优势：

提高性能（避免运行时内存分配）
防止内存碎片
便于GPU移植
简化重置操作

模型加载方式

MuJoCo提供多种模型加载方式：

// 从XML文件加载模型
mjModel* m = mj_loadXML("model.xml", NULL, errstr, errstr_sz);

// 从虚拟文件系统加载模型
mjModel* m = mj_loadXML("model.xml", vfs, errstr, errstr_sz);

// 加载预编译的MJB模型
mjModel* m = mj_loadModel("model.mjb", NULL);

// 从现有模型创建深拷贝
mjModel* m = mj_copyModel(NULL, existingModel);

数据初始化

创建模型后，需要初始化对应的仿真数据：

// 创建与模型匹配的mjData
mjData* d = mj_makeData(m);

// 从现有数据创建深拷贝
mjData* d = mj_copyData(NULL, m, existingData);

资源释放

使用完毕后应正确释放资源：

mj_deleteModel(m);
mj_deleteData(d);

仿真循环设计

基本仿真流程

最简单的仿真循环只需调用mj_step函数：

// 仿真10秒
while (d->time < 10) {
    mj_step(m, d);
}

控制器实现

MuJoCo支持通过回调函数实现控制器：

// 简单的阻尼控制器
void dampingController(const mjModel* m, mjData* d) {
    if (m->nu == m->nv) {
        mju_scl(d->ctrl, d->qvel, -0.1, m->nv);
    }
}

// 注册控制器
mjcb_control = dampingController;

高级控制模式

对于需要访问中间计算结果的控制器，可以将仿真步分解：

while (d->time < 10) {
    mj_step1(m, d);  // 计算状态相关量
    // 在此设置控制信号
    mj_step2(m, d);  // 完成仿真步
}

状态与控制系统

状态向量定义

MuJoCo的状态向量包含以下分量：

x = (time, qpos, qvel, act)

其中：

time：当前仿真时间
qpos：关节位置（包含四元数）
qvel：关节速度
act：执行器激活状态

控制输入

控制输入包含三类：

u = (ctrl, qfrc_applied, xfrc_applied)

ctrl：执行器控制信号
qfrc_applied：关节空间施加的力
xfrc_applied：笛卡尔空间施加的力

状态操作示例

复制仿真状态的示例代码：

// 复制基本状态
dst->time = src->time;
mju_copy(dst->qpos, src->qpos, m->nq);
mju_copy(dst->qvel, src->qvel, m->nv);
mju_copy(dst->act, src->act, m->na);

// 复制运动捕捉数据和用户数据
mju_copy(dst->mocap_pos, src->mocap_pos, 3*m->nmocap);
mju_copy(dst->mocap_quat, src->mocap_quat, 4*m->nmocap);
mju_copy(dst->userdata, src->userdata, m->nuserdata);

// 复制预热加速度
mju_copy(dst->qacc_warmstart, src->qacc_warmstart, m->nv);