Gazebo使用笔记（6） —— 摩擦力特性与碰撞位掩码

罗伯特祥

分类：建模仿真

发布时间 2022.01.10阅读数 5322 评论数 0

1. 平移摩擦

Gazebo的物理引擎（如ODE，Bullet，Simbody，DART）都有不同的摩擦模型，摩擦力参数列表可参见传送门。

假设使用的默认物理引擎ODE

摩擦力的工作原理

ODE中由两部分组成，mu和mu2，ODE将自动计算第一、第二摩擦方向：

mu是第一摩擦方向的库伦摩擦系数
mu2是垂直于第一摩擦方向的第二摩擦方向摩擦系数

两个对象发生碰撞，Gazebo将从两个对象中选择最小的mu和mu2。

mu和mu2的范围为任何非负数，where，0表示无摩擦接触，较大值表示具有无限摩擦的表面。

各种材料的摩擦特性可从工程工具箱获取

SDF中指定摩擦

栗子1：

<model name="box">
  <pose>0 0 0.5 0 0 0</pose>
  <link name="link">
    <collision name="collision">
      <geometry>
        <box>
          <size>1 1 1</size>
        </box>
      </geometry>
      <surface>
 <!--###########################-->
        <friction>
          <ode>
            <mu>0.01</mu>
            <mu2>0.01</mu2>
          </ode>
        </friction>
<!--###########################-->
      </surface>
    </collision>
    <visual name="visual">
      <geometry>
        <box>
          <size>1 1 1</size>
        </box>
      </geometry>
    </visual>
  </link>
</model>

栗子2：

<sdf version="1.4">
  <world name="default">
    <scene>
      <ambient>1.000000 1.000000 1.000000 1.000000</ambient>
      <background>0.700000 0.700000 0.700000 1.000000</background>
      <shadows>1</shadows>
    </scene>
    <physics type="ode">
      <gravity>0.000000 -1.000000 -1.000000</gravity>
      <ode>
        <solver>
          <type>quick</type>
          <iters>50</iters>
          <precon_iters>0</precon_iters>
          <sor>1.300000</sor>
        </solver>
        <constraints>
          <cfm>0.000000</cfm>
          <erp>0.200000</erp>
          <contact_max_correcting_vel>100.000000</contact_max_correcting_vel>
          <contact_surface_layer>0.001000</contact_surface_layer>
        </constraints>
      </ode>
      <real_time_update_rate>0.000000</real_time_update_rate>
      <max_step_size>0.001000</max_step_size>
    </physics>
    <model name="gplane">
      <pose>0.000000 0.000000 0.000000 0.000000 -0.000000 0.000000</pose>
      <link name="plane">
        <pose>0.000000 0.000000 0.000000 0.000000 -0.000000 0.000000</pose>
        <collision name="plane">
          <pose>0.000000 0.000000 0.000000 0.000000 -0.000000 0.000000</pose>
          <geometry>
            <plane>
              <normal>0.000000 0.000000 1.000000</normal>
            </plane>
          </geometry>
          <surface>
            <friction>
              <ode>
                <mu>50.000000</mu>
                <mu2>50.000000</mu2>
                <fdir1>0.000000 0.000000 0.000000</fdir1>
                <slip1>0.000000</slip1>
                <slip2>0.000000</slip2>
              </ode>
            </friction>
            <bounce>
              <restitution_coefficient>0.000000</restitution_coefficient>
              <threshold>100000.000000</threshold>
            </bounce>
            <contact>
              <ode>
                <soft_cfm>0.000000</soft_cfm>
                <soft_erp>0.200000</soft_erp>
                <kp>1000000000.000000</kp>
                <kd>1.000000</kd>
                <max_vel>100.000000</max_vel>
                <min_depth>0.001000</min_depth>
              </ode>
            </contact>
          </surface>
          <laser_retro>0.000000</laser_retro>
        </collision>
        <gravity>1</gravity>
        <self_collide>0</self_collide>
        <kinematic>0</kinematic>
      </link>
      <static>1</static>
    </model>
    <model name="box_01_model">
      <allow_auto_disable>0</allow_auto_disable>
      <pose>2.000000 8.000000 0.500000 0.000000 -0.000000 0.000000</pose>
      <link name="box_01_body">
        <pose>0.000000 0.000000 0.000000 0.000000 -0.000000 0.000000</pose>
        <inertial>
          <pose>0.000000 0.000000 -0.500000 0.000000 -0.000000 0.000000</pose>
          <inertia>
            <ixx>10.000000</ixx>
            <ixy>0.000000</ixy>
            <ixz>0.000000</ixz>
            <iyy>10.000000</iyy>
            <iyz>0.000000</iyz>
            <izz>10.000000</izz>
          </inertia>
          <mass>1.000000</mass>
        </inertial>
        <collision name="box_01_geom">
          <pose>0.000000 0.000000 0.000000 0.000000 -0.000000 0.000000</pose>
          <geometry>
            <box>
              <size>1.000000 1.000000 1.000000</size>
            </box>
          </geometry>
          <surface>
            <friction>
              <ode>
                <mu>0.998000</mu>
                <mu2>0.998000</mu2>
                <fdir1>0.000000 0.000000 0.000000</fdir1>
                <slip1>0.000000</slip1>
                <slip2>0.000000</slip2>
              </ode>
            </friction>
            <bounce>
              <restitution_coefficient>0.000000</restitution_coefficient>
              <threshold>100000.000000</threshold>
            </bounce>
            <contact>
              <ode>
                <soft_cfm>0.000000</soft_cfm>
                <soft_erp>0.200000</soft_erp>
                <kp>100000.000000</kp>
                <kd>1.000000</kd>
                <max_vel>100.000000</max_vel>
                <min_depth>0.001000</min_depth>
              </ode>
            </contact>
          </surface>
          <laser_retro>0.000000</laser_retro>
        </collision>
        <visual name="box_01_geom_visual">
          <pose>0.000000 0.000000 0.000000 0.000000 -0.000000 0.000000</pose>
          <geometry>
            <box>
              <size>1.000000 1.000000 1.000000</size>
            </box>
          </geometry>
          <material>
            <script>Gazebo/Rocky</script>
          </material>
          <cast_shadows>1</cast_shadows>
          <laser_retro>0.000000</laser_retro>
          <transparency>0.000000</transparency>
        </visual>
        <gravity>1</gravity>
        <self_collide>0</self_collide>
        <kinematic>0</kinematic>
      </link>
      <static>0</static>
    </model>
    <model name="box_02_model">
      <allow_auto_disable>0</allow_auto_disable>
      <pose>4.000000 8.000000 0.500000 0.000000 -0.000000 0.000000</pose>
      <link name="box_02_body">
        <pose>0.000000 0.000000 0.000000 0.000000 -0.000000 0.000000</pose>
        <inertial>
          <pose>0.000000 0.000000 -0.500000 0.000000 -0.000000 0.000000</pose>
          <inertia>
            <ixx>10.000000</ixx>
            <ixy>0.000000</ixy>
            <ixz>0.000000</ixz>
            <iyy>10.000000</iyy>
            <iyz>0.000000</iyz>
            <izz>10.000000</izz>
          </inertia>
          <mass>1.000000</mass>
        </inertial>
        <collision name="box_02_geom">
          <pose>0.000000 0.000000 0.000000 0.000000 -0.000000 0.000000</pose>
          <geometry>
            <box>
              <size>1.000000 1.000000 1.000000</size>
            </box>
          </geometry>
          <surface>
            <friction>
              <ode>
                <mu>0.998500</mu>
                <mu2>0.998500</mu2>
                <fdir1>0.000000 0.000000 0.000000</fdir1>
                <slip1>0.000000</slip1>
                <slip2>0.000000</slip2>
              </ode>
            </friction>
            <bounce>
              <restitution_coefficient>0.000000</restitution_coefficient>
              <threshold>100000.000000</threshold>
            </bounce>
            <contact>
              <ode>
                <soft_cfm>0.000000</soft_cfm>
                <soft_erp>0.200000</soft_erp>
                <kp>100000.000000</kp>
                <kd>1.000000</kd>
                <max_vel>100.000000</max_vel>
                <min_depth>0.001000</min_depth>
              </ode>
            </contact>
          </surface>
          <laser_retro>0.000000</laser_retro>
        </collision>
        <visual name="box_02_geom_visual">
          <pose>0.000000 0.000000 0.000000 0.000000 -0.000000 0.000000</pose>
          <geometry>
            <box>
              <size>1.000000 1.000000 1.000000</size>
            </box>
          </geometry>
          <material>
            <script>Gazebo/Rocky</script>
          </material>
          <cast_shadows>1</cast_shadows>
          <laser_retro>0.000000</laser_retro>
          <transparency>0.000000</transparency>
        </visual>
        <gravity>1</gravity>
        <self_collide>0</self_collide>
        <kinematic>0</kinematic>
      </link>
      <static>0</static>
    </model>
    <model name="box_03_model">
      <allow_auto_disable>0</allow_auto_disable>
      <pose>6.000000 8.000000 0.500000 0.000000 -0.000000 0.000000</pose>
      <link name="box_03_body">
        <pose>0.000000 0.000000 0.000000 0.000000 -0.000000 0.000000</pose>
        <inertial>
          <pose>0.000000 0.000000 -0.500000 0.000000 -0.000000 0.000000</pose>
          <inertia>
            <ixx>10.000000</ixx>
            <ixy>0.000000</ixy>
            <ixz>0.000000</ixz>
            <iyy>10.000000</iyy>
            <iyz>0.000000</iyz>
            <izz>10.000000</izz>
          </inertia>
          <mass>1.000000</mass>
        </inertial>
        <collision name="box_03_geom">
          <pose>0.000000 0.000000 0.000000 0.000000 -0.000000 0.000000</pose>
          <geometry>
            <box>
              <size>1.000000 1.000000 1.000000</size>
            </box>
          </geometry>
          <surface>
            <friction>
              <ode>
                <mu>0.999000</mu>
                <mu2>0.999000</mu2>
                <fdir1>0.000000 0.000000 0.000000</fdir1>
                <slip1>0.000000</slip1>
                <slip2>0.000000</slip2>
              </ode>
            </friction>
            <bounce>
              <restitution_coefficient>0.000000</restitution_coefficient>
              <threshold>100000.000000</threshold>
            </bounce>
            <contact>
              <ode>
                <soft_cfm>0.000000</soft_cfm>
                <soft_erp>0.200000</soft_erp>
                <kp>100000.000000</kp>
                <kd>1.000000</kd>
                <max_vel>100.000000</max_vel>
                <min_depth>0.001000</min_depth>
              </ode>
            </contact>
          </surface>
          <laser_retro>0.000000</laser_retro>
        </collision>
        <visual name="box_03_geom_visual">
          <pose>0.000000 0.000000 0.000000 0.000000 -0.000000 0.000000</pose>
          <geometry>
            <box>
              <size>1.000000 1.000000 1.000000</size>
            </box>
          </geometry>
          <material>
            <script>Gazebo/Rocky</script>
          </material>
          <cast_shadows>1</cast_shadows>
          <laser_retro>0.000000</laser_retro>
          <transparency>0.000000</transparency>
        </visual>
        <gravity>1</gravity>
        <self_collide>0</self_collide>
        <kinematic>0</kinematic>
      </link>
      <static>0</static>
    </model>
    <model name="box_04_model">
      <allow_auto_disable>0</allow_auto_disable>
      <pose>8.000000 8.000000 0.500000 0.000000 -0.000000 0.000000</pose>
      <link name="box_04_body">
        <pose>0.000000 0.000000 0.000000 0.000000 -0.000000 0.000000</pose>
        <inertial>
          <pose>0.000000 0.000000 -0.500000 0.000000 -0.000000 0.000000</pose>
          <inertia>
            <ixx>10.000000</ixx>
            <ixy>0.000000</ixy>
            <ixz>0.000000</ixz>
            <iyy>10.000000</iyy>
            <iyz>0.000000</iyz>
            <izz>10.000000</izz>
          </inertia>
          <mass>1.000000</mass>
        </inertial>
        <collision name="box_04_geom">
          <pose>0.000000 0.000000 0.000000 0.000000 -0.000000 0.000000</pose>
          <geometry>
            <box>
              <size>1.000000 1.000000 1.000000</size>
            </box>
          </geometry>
          <surface>
            <friction>
              <ode>
                <mu>0.999500</mu>
                <mu2>0.999500</mu2>
                <fdir1>0.000000 0.000000 0.000000</fdir1>
                <slip1>0.000000</slip1>
                <slip2>0.000000</slip2>
              </ode>
            </friction>
            <bounce>
              <restitution_coefficient>0.000000</restitution_coefficient>
              <threshold>100000.000000</threshold>
            </bounce>
            <contact>
              <ode>
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              </ode>
            </contact>
          </surface>
          <laser_retro>0.000000</laser_retro>
        </collision>
        <visual name="box_04_geom_visual">
          <pose>0.000000 0.000000 0.000000 0.000000 -0.000000 0.000000</pose>
          <geometry>
            <box>
              <size>1.000000 1.000000 1.000000</size>
            </box>
          </geometry>
          <material>
            <script>Gazebo/Rocky</script>
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        <gravity>1</gravity>
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      </link>
      <static>0</static>
    </model>
    <model name="box_05_model">
      <allow_auto_disable>0</allow_auto_disable>
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      <link name="box_05_body">
        <pose>0.000000 0.000000 0.000000 0.000000 -0.000000 0.000000</pose>
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            <iyy>10.000000</iyy>
            <iyz>0.000000</iyz>
            <izz>10.000000</izz>
          </inertia>
          <mass>1.000000</mass>
        </inertial>
        <collision name="box_05_geom">
          <pose>0.000000 0.000000 0.000000 0.000000 -0.000000 0.000000</pose>
          <geometry>
            <box>
              <size>1.000000 1.000000 1.000000</size>
            </box>
          </geometry>
          <surface>
            <friction>
              <ode>
                <mu>1.000000</mu>
                <mu2>1.000000</mu2>
                <fdir1>0.000000 0.000000 0.000000</fdir1>
                <slip1>0.000000</slip1>
                <slip2>0.000000</slip2>
              </ode>
            </friction>
            <bounce>
              <restitution_coefficient>0.000000</restitution_coefficient>
              <threshold>100000.000000</threshold>
            </bounce>
            <contact>
              <ode>
                <soft_cfm>0.000000</soft_cfm>
                <soft_erp>0.200000</soft_erp>
                <kp>100000.000000</kp>
                <kd>1.000000</kd>
                <max_vel>100.000000</max_vel>
                <min_depth>0.001000</min_depth>
              </ode>
            </contact>
          </surface>
          <laser_retro>0.000000</laser_retro>
        </collision>
        <visual name="box_05_geom_visual">
          <pose>0.000000 0.000000 0.000000 0.000000 -0.000000 0.000000</pose>
          <geometry>
            <box>
              <size>1.000000 1.000000 1.000000</size>
            </box>
          </geometry>
          <material>
            <script>Gazebo/Rocky</script>
          </material>
          <cast_shadows>1</cast_shadows>
          <laser_retro>0.000000</laser_retro>
          <transparency>0.000000</transparency>
        </visual>
        <gravity>1</gravity>
        <self_collide>0</self_collide>
        <kinematic>0</kinematic>
      </link>
      <static>0</static>
    </model>
    <model name="box_06_model">
      <allow_auto_disable>0</allow_auto_disable>
      <pose>12.000000 8.000000 0.500000 0.000000 -0.000000 0.000000</pose>
      <link name="box_06_body">
        <pose>0.000000 0.000000 0.000000 0.000000 -0.000000 0.000000</pose>
        <inertial>
          <pose>0.000000 0.000000 -0.500000 0.000000 -0.000000 0.000000</pose>
          <inertia>
            <ixx>10.000000</ixx>
            <ixy>0.000000</ixy>
            <ixz>0.000000</ixz>
            <iyy>10.000000</iyy>
            <iyz>0.000000</iyz>
            <izz>10.000000</izz>
          </inertia>
          <mass>1.000000</mass>
        </inertial>
        <collision name="box_06_geom">
          <pose>0.000000 0.000000 0.000000 0.000000 -0.000000 0.000000</pose>
          <geometry>
            <box>
              <size>1.000000 1.000000 1.000000</size>
            </box>
          </geometry>
          <surface>
            <friction>
              <ode>
                <mu>1.010000</mu>
                <mu2>1.010000</mu2>
                <fdir1>0.000000 0.000000 0.000000</fdir1>
                <slip1>0.000000</slip1>
                <slip2>0.000000</slip2>
              </ode>
            </friction>
            <bounce>
              <restitution_coefficient>0.000000</restitution_coefficient>
              <threshold>100000.000000</threshold>
            </bounce>
            <contact>
              <ode>
                <soft_cfm>0.000000</soft_cfm>
                <soft_erp>0.200000</soft_erp>
                <kp>100000.000000</kp>
                <kd>1.000000</kd>
                <max_vel>100.000000</max_vel>
                <min_depth>0.001000</min_depth>
              </ode>
            </contact>
          </surface>
          <laser_retro>0.000000</laser_retro>
        </collision>
        <visual name="box_06_geom_visual">
          <pose>0.000000 0.000000 0.000000 0.000000 -0.000000 0.000000</pose>
          <geometry>
            <box>
              <size>1.000000 1.000000 1.000000</size>
            </box>
          </geometry>
          <material>
            <script>Gazebo/Rocky</script>
          </material>
          <cast_shadows>1</cast_shadows>
          <laser_retro>0.000000</laser_retro>
          <transparency>0.000000</transparency>
        </visual>
        <gravity>1</gravity>
        <self_collide>0</self_collide>
        <kinematic>0</kinematic>
      </link>
      <static>0</static>
    </model>
  </world>
</sdf>

2. 转动摩擦

注意：转动摩擦当前仅适用于ODE物理引擎

转动摩擦方程：

转动摩擦的扭矩是根据接触深度和表面半径计算的，具体参考传送门：

T = 3*PI/16 * a * coefficient * N
a = sqrt(R * d)

where，

3*PI/16：常数≈0.589
T：由于转动摩擦产生的扭矩
N：接触时的法向力
系数：转动摩擦系数，通常与平移摩擦系数mu和mu2相同
a：接触面半径(patch_radius in SDF)，这是表面之间的接触区域的半径。平面顶部的球体会生成一个圆形的补丁区域，该区域取决于球体半径和接触深度
R：接触点表面半径(patch_radius in SDF)
d：接触深度

由上可知，与平移摩擦不同，扭转摩擦不仅取决于法向力和摩擦系数。它还取决于表面之间的接触面积。

SDF参数

SDF提供了两种参数化接触表面的方法。用户可以定义一个patch_radius（上面的a）（与接触深度无关）总是相同的，也可以定义一个surface_radius（上面的R）（与接触深度一起使用）。请注意，在这两种情况下，用户都为整个曲面指定了一个值，因此为非球形曲面选取值可能需要微调。

要在方法之间进行选择，可以将patch_radius的use_patch_radius标签设置为true，而将surface_radius设置为false，或反之。

默认值

coefficient：和mu,mu2一样，默认值为1.0
use_patch_radius：默认值为true，因此patch_radius使用。
patch_radius：默认值为0，因此即使coefficient设置为零，也不会出现扭转摩擦。
surface_radius：默认值为0，因此即使coefficient设置为零，也不会存在扭转摩擦。

SDF中的设置

<model ...>
 ...
  <link ...>
    <collision ...>
     ...
      <surface>
<!--##################################-->
        <friction>
          <torsional>
            <coefficient>1.0</coefficient>
            <surface_radius>0.5</surface_radius>
            <use_patch_radius>false</use_patch_radius>
          </torsional>
        </friction>
<!--##################################-->
       ...
      </surface>
    </collision>
  </link>
</model>

测试：

gazebo -u worlds/torsional_friction_demo.world

3. 碰撞位掩码

介绍

位掩码是与某个对象相关联的数字，通常以十六进制指定。

假设对象是碰撞几何。当比较两个位掩码时，通过按位与运算，结果将用于控制所应用的逻辑。

BoxA：01
BoxB：10
BoxC：11

 gazebo -u worlds/shapes_bitmask.world

C(最顶端)→B(中)→A(最底端)，仿真结果：boxA和boxB将发生碰撞。但按位及其位掩码将产生零值。这表明，以仿真引擎，碰撞也应该被忽略，其结果是盒B通过BOXA。此时，boxA和boxB都位于同一地点并搁在地面上。同时，boxC从其起始位置下降。BoxC最终会命中boxA和boxB。boxC的位掩码的按位与和以及属于boxA和boxB的位掩码将导致一个大于零的值。这个非零的结果，也被编程语言视为“ true”，它向模拟引擎指示应该生成冲突。结果是boxC将停留在boxA和boxB的顶部。

碰撞位掩码设置

<model name="box">
  <link name="link">
    <collision name="collision">
      <geometry> ... </geometry>

      <surface>
        <contact>
          <collide_bitmask>0x01</collide_bitmask>
        </contact>
      </surface>

    </collision>
    <visual name="visual"> ... </visual>
  </link>
</model>

默认值

每个几何体（包括接地平面）的碰撞位掩码的默认值为0xffff。您可以将高16位用于不想与接地层碰撞的对象以及其他默认对象。

参考文献：

ROS gazebo 摩擦力碰撞

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罗伯特祥

1. 平移摩擦

摩擦力的工作原理

SDF中指定摩擦

2. 转动摩擦

转动摩擦方程：

SDF参数

默认值

SDF中的设置

3. 碰撞位掩码

介绍

碰撞位掩码设置

默认值

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