ROS2与Gazebo11入门教程-流体（Fluids）仿真

说明：

• 介绍流体（Fluids）仿真.

简介

• 该软件包允许在Gazebo中对流体进行仿真。使用Fluidix库在GPU上计算流体粒子的相互作用（如果nvidia GPU不可用，则仿真会在CPU模式下运行）。

前提条件：

• 英伟达（Nvidia）显卡

• 完成了Gazebo基本教程的学习，尤其是完成了仿真世界插件，系统插件和传输库示例。

• 为更深入地了解流体粒子仿真，请查看一些Fluidix示例。

安装相关软件

• 安装CUDA（推荐安装6.0）：

sudo apt-get install nvidia-cuda-dev nvidia-cuda-toolkit

• 安装Fluidix

• 使用在线形式来获得对Fluidix的链接，命令为：

mkdir /tmp/fluidix

unzip ~/Downloads/Fluidix*.zip -d /tmp/fluidix

cd /tmp/fluidix

sudo ./install.sh

• 使用fluid_sph分支从源代码安装Gazebo，命令为：

[...]

cd ~; git clone https://github.com/osrf/gazebo

cd ~/gazebo

git checkout fluid_sph

[...]

该软件包的工作原理

• 流体仿真作为一个单独的物理引擎运行，该引擎通过接口（include/FluidEngine.hh）与Gazebo的刚体物理引擎进行交互。

• 交互内容包括：碰撞检测刚性物体上施加的力/扭矩*流体粒子的可视化。

• 流体仿真的核心部分被写入到cuda文件src/FluidEngine.cu中，且是构建于SPH基本示例之上的。

• 该软件包包含两个插件，一个是用于更新流体及其交互的仿真世界插件（http://FluidWorldPlugin.cc）。而另一个是用于可视化流体粒子的GUI系统插件（http://FluidVisPlugin.cc）。

运行插件

• 设置gazebo插件和模型路径：

echo "export GAZEBO_PLUGIN_PATH=/<path_to_gazebo_source>/gazebo/build/plugins:${GAZEBO_PLUGIN_PATH}" >> ~/.bashrc

echo "export GAZEBO_MODEL_PATH=/<path_to_gazebo_source>/gazebo/media/models:${GAZEBO_MODEL_PATH}" >> ~/.bashrc

source ~/.bashrc

• 将插件添加到仿真世界文件中，或使用该软件包中的示例之一：

gedit ~/fluid.world

• 将以下内容复制到打开的文本编辑器中，保存该文件然后退出：

<?xml version="1.0"?>

<sdf version="1.5">

<world name="fluid_world">



<!-- A global light source -->

<include>

<uri>model://sun</uri>

</include>



<!-- A box (plane + fluid is not supported) -->

<model name="box">

<static>true</static>

<pose>0 0 0 0 0 0</pose>

<link name="link">

<collision name="collision">

<geometry>

<box>

<size>20 20 0.1</size>

</box>

</geometry>

</collision>

<visual name="visual">

<geometry>

<box>

<size>20 20 0.1</size>

</box>

</geometry>

</visual>

</link>

</model>



<plugin name="FluidWorldPlugin" filename="libFluidWorldPlugin.so">

<world_position>0 0 1.01</world_position>

<world_size>1.5 1 10</world_size>

<fluid_position>-0.5 0.0 0.8</fluid_position>

<fluid_volume>0.4 0.95 0.5</fluid_volume>

<particle_nr>0</particle_nr>

</plugin>



</world>

</sdf>

• 其中：

<world_position>和<world_size>用于设置流体仿真世界的中心位置及其大小

<fluid_position>和<fluid_volume>用于设置流体的中心位置及待被流体粒子填充的体积

<particle_nr>如果设置为0，给定的体积将会被流体粒子填充满，否则将会产生给定数量的粒子。

• 用该系统插件运行gazebo客户端，命令为：

gazebo ~/fluid.world -g /tmp/gz_fluid/build/libFluidVisPlugin.so

碰撞网格（Collisions meshes）

• 为了使流体仿真能够检测到碰撞，Gazebo需要使用.stl文件作为碰撞网格。

可能的问题：

• 在CMakeLists.txt文件中，CUDA编译器可能需要特定于显卡的标志：

SET(CUDA_NVCC_FLAGS "-arch;sm_30 -use_fast_math -lm -ldl -lrt -Xcompiler \"-fPIC\"")

Fluidix软件包的CMake包含路径

• 对于默认安装，Fluidix头文件位于/opt/fluidix/include目录中，如果路径不同，请确保在src/CMakeLists.txt文件中对该路径进行相应更改。

部分代码说明：

• 仿真世界插件http://FluidWorldPlugin.cc：

• 在构造函数中，会对流体引擎进行初始化

• 在FluidWorldPlugin :: Load函数中，会加载sdf参数，创建流体仿真世界，添加流体，在流体环境中重新创建环境中的物体（在可能的时候）

• 在FluidWorldPlugin :: Init函数中，会对物体和流体粒子位置的发布者节点进行初始化

• 仿真世界的每个更新事件都会调用FluidWorldPlugin :: OnUpdate函数，在该函数中流体引擎会在一个时间戳上进行更新，并向渲染插件发送一条包含所有流体粒子新位置的消息，并会计算出施加在刚性物体上的力和扭矩。

• 系统插件http://FluidVisPlugin.cc，用于渲染流体：

• 在FluidVisPlugin :: Load函数中，会加载渲染类型（sphere或默认的point）参数（如果已给定）。当选择球体时，如果加载了许多流体粒子，则渲染速度会变慢。

• 在FluidVisPlugin :: Init函数中，会加载流体粒子位置的订阅者节点。

• 在FluidVisPlugin :: RenderAsPointsUpdate或FluidVisPlugin :: RenderAsSpheresUpdate函数中（取决于渲染类型），如果有具有流体粒子位置的新消息可用，则会更新渲染。

• 流体仿真引擎FluidEngine.cu与Fluidix的SPH示例相类似。

未完成的部分和待办事项（TODOs）

• 如果有人有兴趣进一步为该软件包做出贡献，以下诸多功能仍然需要进一步的工作：

• 实现一个较新的SPH：可以是PCISPH或IISPH，以实现更快速的仿真和不压缩流体。可以通过在src/FluidEngine.cu文件中改进算法完成此事项。

• 当前，流体仿真中的标准形状仅实现了方盒（box）形状，请参见src/FluidEngine.cu文件中的FluidEngine :: AddMovableBox，其实现方式与这个示例类似。采用相同的想法，也可以实现圆柱体、球体、平面等其他碰撞类型。实现这些标准形状后，与方盒类型相似，也需要在FluidWorldPlugin :: CreateFluidCollision方法中添加这些标准形状。

• 力和扭矩的交互是通过流体粒子表面碰撞完成的，并没有考虑来自流体的压力。更好的算法会大大提高流体仿真的真实性。

参考:

• 资料来源