【Chrono Engine学习总结】4-vehicle-4.1-vehicle的基本概念

由于Chrono的官方教程在一些细节方面解释的并不清楚，自己做了一些尝试，做学习总结。

1、基本介绍

Vehicle Overview
Vehicle Mannel
Vehicle的官方demo

1.1 Vehicle的构型

• 一个车辆由许多子系统构成：悬挂、转向、轮子/履带、刹车/油门、动力传统系统(driverline)。
• Chrono提供了一些典型的车辆模型，例如：悍马车、小型轿车等 vehicle models，只需要直接代码选定即可；
• 如果不用官方的车型，就需要自己定义各种子系统。chono提供一些典型的子系统构型，例如悬挂包括：双横臂、前麦花臣支柱等 悬挂类型，转向包括：转向垂臂( Pitman arm)等转向类型。
• 如果连官方的子系统都不想用，就需要自己定义一些弹簧/轴的连接，就复杂一些，一般采用JSON文件的方式，这样比较清晰明了。

1.2 Vehicle部分仿真的逻辑

https://api.projectchrono.org/vehicle_overview.html#vehicle_simulation_loop

每一步仿真时，依次执行：获取系统输出、同步各个系统(synchronize system)、系统动力学仿真前进一步(advance system)。

• 在各个系统同步时，可能不仅包括vehicle的模块，还包括可视化等多个模块，同时vehicle部分需要同步：驾驶控制器、地型交互、车体、可视化等模块，如有。
• 在同步之后，进行advance操作，前进一步。

正因为如此，在仿真代码中，每次loop最后会有这么两段：

// Update modules (process inputs from other modules
driver->Synchronize(time);
terrain.Synchronize(time);
hmmwv.Synchronize(time, driver_inputs, terrain);
vis->Synchronize(time, driver_inputs);
// Advance simulation for one timestep for all modules
driver->Advance(step_size);
terrain.Advance(step_size);
hmmwv.Advance(step_size);
vis->Advance(step_size);

1.3 vehicle的可视化

Vehicle的可视化与之前的整体仿真环境的可视化有些相同，但不完全相同。相同之处是，是选用irrlicht、还是OpenGL、还是离线POV-Ray可视化。我这里采用irrlicht。

除此之外，由于vehicle包括很多子模块，例如地盘、悬挂、轮胎等，在仿真时可以选择是否进行显示。一般显示方式为三种：不显示(VisualizationType::None)、显示基础结构(PRIMITIVES)、显示完整表面mesh(MESH)。例如，地盘、悬挂、转向、轮胎、外壳，全部显示MESH和只显示基础结构分别是这样的：

2. 车辆控制系统

2.1 控制系统基础概念

车辆控制系统在chrono里面称作“driver”，ChDriver。

对于车辆的控制，主要控制量只有两个：油门throttle（和刹车brake）、转向（steering 左/右）。

控制系统包括：交互控制ChIteractiveDriver、闭环控制ChClosedLoopDriver、AI Driver等多种方式，每个模块的控制代码写法不同。这里暂不展开介绍。

2.2 交互控制系统

这里采用较为简单的交互控制。交互控制通过可视化模块获取来自键盘的输入控制量，通过WSAD分别控制：加油门、刹车、左转向、右转向。需要注意，在开启交互控制前，需要按键j启动键盘控制，否则无效（注意是否关闭了中文输入法）。

交互系统部分的代码是这样的：

DriverInputs driver_inputs = driver->GetInputs();

之后，在调用driver->Advance函数时，即对车辆的控制量进行更新。

需要注意的是，在交互控制中，每次按键改变的是上述控制量的增量，即按一下油门，油门会增大一些。因此，并不是直接控制的速度，所以在操作时，需要练习手感。

在程序运行时，右上角会显示控制量和车辆状态：

可以看出，此时的油门是+88（油门控制量默认是0-100），刹车是0（通过按键S将油门在减为0后，刹车会上来），此时车速是8.51m/s，以及一些其他参数。

3、官方例子

这次以官方例子进行介绍：

#include "chrono/core/ChStream.h"
#include "chrono/utils/ChUtilsInputOutput.h"
#include "chrono/utils/ChFilters.h"
#include "chrono_vehicle/ChConfigVehicle.h"
#include "chrono_vehicle/ChVehicleModelData.h"
#include "chrono_vehicle/terrain/RigidTerrain.h"
#include "chrono_vehicle/output/ChVehicleOutputASCII.h"
#include "chrono_models/vehicle/hmmwv/HMMWV.h"
#include "chrono_thirdparty/filesystem/path.h"
#include "chrono_vehicle/driver/ChInteractiveDriverIRR.h"
#include "chrono_vehicle/wheeled_vehicle/ChWheeledVehicleVisualSystemIrrlicht.h"
#include 

using namespace chrono;
using namespace chrono::irrlicht;
using namespace chrono::vehicle;
using namespace chrono::vehicle::hmmwv;

// Simulation step sizes
double step_size = 1e-3;
double tire_step_size = step_size;
double t_end = 1000;

// Time interval between two render frames
double render_step_size = 1.0 / 50;  // FPS = 50

int main(int argc, char* argv[]) {
    chrono::SetChronoDataPath("E:/codeGit/chrono/chrono/build/data/");              // change the default data loading path.
    chrono::vehicle::SetDataPath("E:/codeGit/chrono/chrono/build/data/vehicle/");              // change the vehicle data path

    ChContactMethod contact_method = ChContactMethod::SMC;	// 设定碰撞类型
    // Create the HMMWV vehicle, set parameters, and initialize
    // 创建一个HMMWV车，注意如果有vehicle模块，则不需要重新定义一个物理系统，这个vehicle自带一个系统，可以直接给别的模块调用。
    HMMWV_Full hmmwv;
    hmmwv.SetCollisionSystemType(ChCollisionSystem::Type::BULLET);
    hmmwv.SetContactMethod(contact_method);
    hmmwv.SetChassisCollisionType(CollisionType::NONE);
    hmmwv.SetChassisFixed(false);
    hmmwv.SetInitPosition(ChCoordsys<>({ 0, 0, 0.5 }, { 1, 0, 0, 0 }));
    hmmwv.SetEngineType(EngineModelType::SHAFTS);
    hmmwv.SetTransmissionType(TransmissionModelType::SHAFTS);
    hmmwv.SetDriveType(DrivelineTypeWV::AWD);
    hmmwv.UseTierodBodies(true);
    hmmwv.SetSteeringType(SteeringTypeWV::PITMAN_ARM);
    hmmwv.SetBrakeType(BrakeType::SHAFTS);
    hmmwv.SetTireType(TireModelType::PAC02);
    hmmwv.SetTireStepSize(tire_step_size);
    hmmwv.Initialize();

    // Visualization type for vehicle parts (PRIMITIVES, MESH, or NONE)
    // 设置车辆各个模块的可视化程度。
    VisualizationType chassis_vis_type = VisualizationType::PRIMITIVES;
    VisualizationType suspension_vis_type = VisualizationType::PRIMITIVES;
    VisualizationType steering_vis_type = VisualizationType::PRIMITIVES;
    VisualizationType wheel_vis_type = VisualizationType::PRIMITIVES;
    VisualizationType tire_vis_type = VisualizationType::PRIMITIVES;
    hmmwv.SetChassisVisualizationType(chassis_vis_type);
    hmmwv.SetSuspensionVisualizationType(suspension_vis_type);
    hmmwv.SetSteeringVisualizationType(steering_vis_type);
    hmmwv.SetWheelVisualizationType(wheel_vis_type);
    hmmwv.SetTireVisualizationType(tire_vis_type);

    // Create the terrain 创建地形，并设置地形的一些物理参数。
    RigidTerrain terrain(hmmwv.GetSystem());
    ChContactMaterialData minfo;
    minfo.mu = 0.9f;
    minfo.cr = 0.01f;
    minfo.Y = 2e7f;
    auto patch_mat = minfo.CreateMaterial(contact_method);
    // Rigid terrain
    double terrainHeight = 0;      // terrain height (FLAT terrain only)
    double terrainLength = 200.0;  // size in X direction
    double terrainWidth = 200.0;   // size in Y direction
    std::shared_ptr<RigidTerrain::Patch> patch;
    patch = terrain.AddPatch(patch_mat, CSYSNORM, terrainLength, terrainWidth);
    patch->SetTexture(vehicle::GetDataFile("terrain/textures/dirt.jpg"), 200, 200);
    patch->SetColor(ChColor(0.8f, 0.8f, 0.5f));
    terrain.Initialize();
	
		// 创建基于irrlicht的可视化，以及交互控制系统。定义每次控制量、可hi话等内容。
    // ------------------------------------------------------------------------------
    // Create the vehicle run-time visualization interface and the interactive driver
    // ------------------------------------------------------------------------------
    // Set the time response for steering and throttle keyboard inputs.
    double steering_time = 1.0;  // time to go from 0 to +1 (or from 0 to -1)
    double throttle_time = 1.0;  // time to go from 0 to +1
    double braking_time = 0.3;   // time to go from 0 to +1

    std::shared_ptr<ChVehicleVisualSystem> vis;
    std::shared_ptr<ChDriver> driver;
    // Create the vehicle Irrlicht interface
    auto vis_irr = chrono_types::make_shared<ChWheeledVehicleVisualSystemIrrlicht>();       //~ ChWheeled这个类继承了可视化的基类
    vis_irr->SetWindowTitle("HMMWV Demo");
    vis_irr->SetChaseCamera({ 0.0, 0.0, 1.75 }, 6.0, 0.5);		// 将可视化的“相机位置”和车底盘上一点绑定。
    vis_irr->Initialize();
    vis_irr->AddLightDirectional();
    vis_irr->AddSkyBox();
    vis_irr->AddLogo();
    vis_irr->AttachVehicle(&hmmwv.GetVehicle());			// 将可视化与vehicle绑定

    // Create the interactive Irrlicht driver system  自定义每次按键的增量
    auto driver_irr = chrono_types::make_shared<ChInteractiveDriverIRR>(*vis_irr);
    driver_irr->SetSteeringDelta(render_step_size / steering_time);
    driver_irr->SetThrottleDelta(render_step_size / throttle_time);
    driver_irr->SetBrakingDelta(render_step_size / braking_time);
    driver_irr->Initialize();
    vis = vis_irr;
    driver = driver_irr;

    // ---------------
    // Simulation loop
    // ---------------
    // Number of simulation steps between miscellaneous events
    int render_steps = (int)std::ceil(render_step_size / step_size);
    // Initialize simulation frame counters
    int step_number = 0;
    int render_frame = 0;

    hmmwv.GetVehicle().EnableRealtime(true);
    while (vis->Run()) {
        double time = hmmwv.GetSystem()->GetChTime();
        // End simulation
        if (time >= t_end)
            break;
            
        // Render scene and output post-processing data
        if (step_number % render_steps == 0) {
            vis->BeginScene();
            vis->Render();
            vis->EndScene();
            render_frame++;
        }

        // Driver inputs
        DriverInputs driver_inputs = driver->GetInputs();

        // Update modules (process inputs from other modules)
        driver->Synchronize(time);
        terrain.Synchronize(time);
        hmmwv.Synchronize(time, driver_inputs, terrain);
        vis->Synchronize(time, driver_inputs);

        // Advance simulation for one timestep for all modules
        driver->Advance(step_size);
        terrain.Advance(step_size);
        hmmwv.Advance(step_size);
        vis->Advance(step_size);            //~ 更新vis的trackpoint等。

        // Increment frame number
        step_number++;
        std::cout << "Step: " << step_number << std::endl;
    }
    return 0;
	 }
}

运行这个例子，就可以用WASD控制悍马车在自定义的一个地形上开动了。