AirSim中的物理引擎

“物理引擎”是指在一款仿真软件/平台中使用的模拟现实世界物理逻辑（如碰撞、各种有形变/无形变的力学等）的计算单元，例如在开源机器人仿真平台gazebo中，就支持如ODE、Bullets、SimBody等多种物理引擎。

在AirSim中，针对无人机MultiRotor的物理引擎是AirSim自己开发的FastPhysics，而针对车辆Car的物理引擎是Unreal自己的PhysX引擎。

我不知道AirSim团队进行这样设计的初衷是什么，我推测可能是FastPhysics是针对无人机开发的一款比较快速的物理引擎，毕竟可能无人机的物理模型比车辆要更复杂一点。但我不知道为什么他们不顺便把车辆的仿真模式中也用上自己的FastPhysics，我估计是因为Unreal的PhysX对车辆模拟来说已经足够好了，并且使用上也方便一些。

有关PhysX的简要介绍：UE4物理系统浅析
FastPhysics的定义在/AirSim/AirLib/include/physics/FastPhysicsEngine.hpp中

但这样做会产生一个问题，那就是AirSim中的settings中的ClockSpeed参数只对无人机MultiRotor SimMode有效，在车辆Car SimMode下无法有效调节仿真速率，具体问题描述可以参见：微软开源仿真器AirSim ROS接口中的第2节。

在车辆模式应用物理引擎的/AirSim/Unreal/Plugins/AirSim/Source/Vehicles/Car/SimModeCar.cpp文件中，原本是这样写的：

#include "SimModeCar.h"
#include "UObject/ConstructorHelpers.h"#include "AirBlueprintLib.h"
#include "common/AirSimSettings.hpp"
#include "CarPawnSimApi.h"
#include "AirBlueprintLib.h"
#include "common/Common.hpp"
#include "common/EarthUtils.hpp"
#include "vehicles/car/api/CarRpcLibServer.hpp"extern CORE_API uint32 GFrameNumber;void ASimModeCar::BeginPlay()
{Super::BeginPlay();initializePauseState();
}void ASimModeCar::initializePauseState()
{pause_period_ = 0;pause_period_start_ = 0;pause(false);
}bool ASimModeCar::isPaused() const
{return current_clockspeed_ == 0;
}void ASimModeCar::pause(bool is_paused)
{if (is_paused)current_clockspeed_ = 0;elsecurrent_clockspeed_ = getSettings().clock_speed;UAirBlueprintLib::setUnrealClockSpeed(this, current_clockspeed_);
}void ASimModeCar::continueForTime(double seconds)
{pause_period_start_ = ClockFactory::get()->nowNanos();pause_period_ = seconds;pause(false);
}void ASimModeCar::continueForFrames(uint32_t frames)
{targetFrameNumber_ = GFrameNumber + frames;frame_countdown_enabled_ = true;pause(false);
}void ASimModeCar::setupClockSpeed()
{current_clockspeed_ = getSettings().clock_speed;//setup clock in PhysX//在这里我们可以看到，代码直接使用了UAirBlueprintLib的相关方法，也就是使用了Unreal的默认引擎PhysX（目前Unreal新增了Chaos引擎，不知道AirSim以后会不会向Chaos兼容）//值得注意的是，在这里的确是设定了clockspeed，但效果仅仅是使整个仿真在”人的感官“下产生了速度变化，//仿真输出的时间戳没有变化，不像FastPhysicsEngine那样，仿真输出的时间戳也会相应变化。UAirBlueprintLib::setUnrealClockSpeed(this, current_clockspeed_);UAirBlueprintLib::LogMessageString("Clock Speed: ", std::to_string(current_clockspeed_), LogDebugLevel::Informational);
}void ASimModeCar::Tick(float DeltaSeconds)
{Super::Tick(DeltaSeconds);if (pause_period_start_ > 0) {if (ClockFactory::get()->elapsedSince(pause_period_start_) >= pause_period_) {if (!isPaused())pause(true);pause_period_start_ = 0;}}if(frame_countdown_enabled_){if (targetFrameNumber_ <= GFrameNumber){if (! isPaused())pause(true);frame_countdown_enabled_ = false;}}
}//-------------------------------- overrides -----------------------------------------------//
//以下略。

代码中的

UAirBlueprintLib::setUnrealClockSpeed(this, current_clockspeed_);

目的是设置clockspeed，但是对Unreal的PhysX而言，仅仅是使仿真速度在“人的感官”下产生了变化，而仿真输出的信息的时间戳并没有随着ClockSpeed参数的设置而产生更“稀疏”或更“稠密”的变化。

所以我对此文件进行了改写，使车辆模式的仿真也可以使用MultiRotor的FastPhysicsEngine，直接上代码：

#include "SimModeCar.h"
#include "UObject/ConstructorHelpers.h"
#include "Logging/MessageLog.h"
#include "Engine/World.h"
#include "GameFramework/PlayerController.h"
#include <exception>
#include "AirBlueprintLib.h"
#include "common/AirSimSettings.hpp"
#include "CarPawnSimApi.h"
#include "physics/PhysicsBody.hpp"
#include "common/ClockFactory.hpp"
#include "common/EarthUtils.hpp"
#include "common/Common.hpp"
#include <memory>
#include "vehicles/car/api/CarRpcLibServer.hpp"void ASimModeCar::BeginPlay()
{Super::BeginPlay();//let base class setup physics worldinitializeForPlay();
}
void ASimModeCar::initializeForPlay()
{std::vector<msr::airlib::UpdatableObject*> vehicles;for (auto& api : getApiProvider()->getVehicleSimApis())vehicles.push_back(api);//TODO: directly accept getVehicleSimApis() using generic containerstd::unique_ptr<PhysicsEngineBase> physics_engine = createPhysicsEngine();physics_engine_ = physics_engine.get();physics_world_.reset(new msr::airlib::PhysicsWorld(std::move(physics_engine),vehicles, getPhysicsLoopPeriod()));
}
void ASimModeCar::EndPlay(const EEndPlayReason::Type EndPlayReason)
{//remove everything that we created in BeginPlayphysics_world_.reset();//stop physics thread before we dismantle//stopAsyncUpdator();Super::EndPlay(EndPlayReason);
}
void ASimModeCar::startAsyncUpdator()
{physics_world_->startAsyncUpdator();
}void ASimModeCar::stopAsyncUpdator()
{physics_world_->stopAsyncUpdator();
}long long ASimModeCar::getPhysicsLoopPeriod() const //nanoseconds
{return physics_loop_period_;
}
void ASimModeCar::setPhysicsLoopPeriod(long long  period)
{physics_loop_period_ = period;
}
std::unique_ptr<ASimModeCar::PhysicsEngineBase> ASimModeCar::createPhysicsEngine()
{std::unique_ptr<PhysicsEngineBase> physics_engine;std::string physics_engine_name = getSettings().physics_engine_name;//选择使用的物理引擎：if (physics_engine_name == "")physics_engine.reset(); //no physics engineelse if (physics_engine_name == "FastPhysicsEngine") {msr::airlib::Settings fast_phys_settings;if (msr::airlib::Settings::singleton().getChild("FastPhysicsEngine", fast_phys_settings)) {physics_engine.reset(new msr::airlib::FastPhysicsEngine(fast_phys_settings.getBool("EnableGroundLock", true)));}else {physics_engine.reset(new msr::airlib::FastPhysicsEngine());}}else {physics_engine.reset();UAirBlueprintLib::LogMessageString("Unrecognized physics engine name: ",  physics_engine_name, LogDebugLevel::Failure);}return physics_engine;
}bool ASimModeCar::isPaused() const
{return physics_world_->isPaused();
}void ASimModeCar::pause(bool is_paused)
{physics_world_->pause(is_paused);UGameplayStatics::SetGamePaused(this->GetWorld(), is_paused);pause_physx(true);
}
void ASimModeCar::pause_physx(bool is_paused)
{float current_clockspeed_;if (is_paused)current_clockspeed_ = 0;elsecurrent_clockspeed_ = getSettings().clock_speed;UE_LOG(LogTemp,Display,TEXT("*******check point pause:"));UAirBlueprintLib::setUnrealClockSpeed(this, current_clockspeed_);
}
void ASimModeCar::continueForTime(double seconds)
{if(physics_world_->isPaused()){physics_world_->pause(false);UGameplayStatics::SetGamePaused(this->GetWorld(), false);        pause_physx(false);}physics_world_->continueForTime(seconds);while(!physics_world_->isPaused()){continue; }UGameplayStatics::SetGamePaused(this->GetWorld(), true);
}void ASimModeCar::updateDebugReport(msr::airlib::StateReporterWrapper& debug_reporter)
{unused(debug_reporter);//we use custom debug reporting for this class
}void ASimModeCar::Tick(float DeltaSeconds)
{{ //keep this lock as short as possiblephysics_world_->lock();physics_world_->enableStateReport(EnableReport);physics_world_->updateStateReport();for (auto& api : getApiProvider()->getVehicleSimApis())api->updateRenderedState(DeltaSeconds);physics_world_->unlock();}//perform any expensive rendering update outside of lock regionfor (auto& api : getApiProvider()->getVehicleSimApis())api->updateRendering(DeltaSeconds);Super::Tick(DeltaSeconds);
}void ASimModeCar::reset()
{UAirBlueprintLib::RunCommandOnGameThread([this]() {physics_world_->reset();}, true);//no need to call base reset because of our custom implementation
}std::string ASimModeCar::getDebugReport()
{return physics_world_->getDebugReport();
}
void ASimModeCar::setupClockSpeed()
{typedef msr::airlib::ClockFactory ClockFactory;float clock_speed = getSettings().clock_speed;float printout = getSettings().clock_speed;//setup clock in PhysX UAirBlueprintLib::setUnrealClockSpeed(this, clock_speed);UAirBlueprintLib::LogMessageString("Clock Speed: ", std::to_string(clock_speed), LogDebugLevel::Informational);UE_LOG(LogTemp,Display,TEXT("*******check point 3: %f"),printout);//setup clock in ClockFactorystd::string clock_type = getSettings().clock_type;//在此设定了时间步长：if (clock_type == "ScalableClock") {//scalable clock returns interval same as wall clock but multiplied by a scale factorClockFactory::get(std::make_shared<msr::airlib::ScalableClock>(clock_speed == 1 ? 1 : 1 / clock_speed));UE_LOG(LogTemp,Display,TEXT("*******check point 3_1: %f"),clock_speed);}else if (clock_type == "SteppableClock") {//steppable clock returns interval that is a constant number irrespective of wall clock//we can either multiply this fixed interval by scale factor to speed up/down the clock//but that would cause vehicles like quadrotors to become unstable//so alternative we use here is instead to scale control loop frequency. The downside is that//depending on compute power available, we will max out control loop frequency and therefore can no longer//get increase in clock speed//Approach 1: scale clock period, no longer used now due to quadrotor instability//ClockFactory::get(std::make_shared<msr::airlib::SteppableClock>(//static_cast<msr::airlib::TTimeDelta>(getPhysicsLoopPeriod() * 1E-9 * clock_speed)));//Approach 2: scale control loop frequency if clock is speeded upUE_LOG(LogTemp,Display,TEXT("*******check point 3_2: %f"),clock_speed);if (clock_speed >= 1) {ClockFactory::get(std::make_shared<msr::airlib::SteppableClock>(static_cast<msr::airlib::TTimeDelta>(getPhysicsLoopPeriod() * 1E-9))); //no clock_speed multipliersetPhysicsLoopPeriod(getPhysicsLoopPeriod() / static_cast<long long>(clock_speed));}else {//for slowing down, this don't generate instabilityClockFactory::get(std::make_shared<msr::airlib::SteppableClock>(static_cast<msr::airlib::TTimeDelta>(getPhysicsLoopPeriod() * 1E-9 * clock_speed)));}}elsethrow std::invalid_argument(common_utils::Utils::stringf("clock_type %s is not recognized", clock_type.c_str()));
}//-------------------------------- overrides -----------------------------------------------//
//以下略

显然对应的hpp也需要修改，全部改动后的代码在：GimpelZhang/AirSim

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