仿真物理引擎简介 - 物理引擎是仿真软件的核心组件，直接影响仿真精度，没有物理引擎的仿真软件仅能作为三维显示工具[4] - 物理引擎可分为两类：以游戏为中心的实时近似引擎（计算资源少）和用于科学仿真的高精度引擎（如ADAMS、ANSYS）[4] - 在非纯数值仿真中，物理引擎负责解算机器人状态更新、碰撞检测/处理、模型实时渲染等任务[4] - 物理模拟流程包括积分、碰撞检测（粗/精）、约束处理、运动计算等步骤，例如球体自由落体的完整模拟过程[5] 物理引擎中的常见对象 物理世界 - "世界（World）"是物理规则的载体，管理场景中的物体，可定义重力、边界等属性，支持多世界分组以优化性能[8][10] - 多世界可模拟不同环境（地表/水下/太空），分组功能可隔离不必要碰撞检测的对象（如赛车游戏中的观众群组）[8] 物体和关节 - 物体分为刚体、软体、液体、布料、粒子等类型，关节（铰链/弹簧/骨骼/固定）用于约束物体间运动关系[11] - 物体属性分为几何属性（形状，用于碰撞检测）和物理属性（质量/速度/力，用于运动计算），复杂物体可通过简单形状组合构建[12] 运行机制 - 物理引擎采用基于时间的主循环，典型执行速率为60次/秒，需配合连续碰撞检测（CCD）保证大时间步长下的真实性[13][14][15] 主流物理引擎与仿真软件 引擎特性 - **ODE**：开源刚体动力学库，支持高级关节类型和集成碰撞检测，广泛应用于游戏和仿真工具[17] - **Bullet**：跨平台引擎，支持GPU加速（通过OpenGL/DirectCompute），整合至Maya/Blender等3D工具[19] - **Newton Dynamics**：确定性求解器兼顾稳定性与速度，适用于实时物理模拟，跨平台支持包括移动设备[20] - **VORTEX**：工程级动力学仿真软件，支持复杂多体系统动力学和高效碰撞检测，集成OSG视景引擎[22] 仿真软件对比 | 软件 | 物理引擎 | 应用场景 | |---------|------------------------|-----------------------------------| | Gazebo | ODE/Bullet/Simbody/DART | ROS生态首选，建筑建模能力强但学习曲线陡峭[25] | | Webots | 改进版ODE | 界面友好、传感器丰富，适合移动机器人仿真[25][27] | | V-REP | ODE/Bullet/Vortex/Newton| 机械臂抓取仿真优势明显，与Webots界面相似[25] | 细分领域推荐 - 移动机器人：Webots流体环境支持佳（通过Fluid节点）[27] - 机械臂：Gazebo（高精度）、Webots/V-REP（简易抓取）、Simscape Multibody/Adams（厂商设计）[27] - 机器学习整合：PyBullet（开源）、MuJoCo（商用）[27] - 自动驾驶：Gazebo/Webots/CARLA[27]