教程 2 · 修改环境 · Webots 入门教程

教程 2：修改环境（30 分钟）

在本教程中，我们将教你如何在环境中创建简单对象。第一步将创建一个可与环境交互的球。我们将涉及与节点相关的几个概念：节点的含义是什么、如何创建节点、节点之间必须如何归属关联等等。此外，我们还将学习如何设置物理属性。

我们将介绍几种不同类型的节点。它们的详细定义可以在[参考手册(https://cyberbotics.com/doc/reference/nodes-and-api-functions)中找到。手边放着[节点关系图(https://cyberbotics.com/doc/reference/node-chart)也有助于理解节点之间的继承关系。

一个新仿真

首先，我们基于教程 1 中创建的仿真来新建一个仿真。

动手实践 #1：确保 my_first_simulation.wbt 世界文件已打开，并且仿真处于暂停状态且虚拟时间为 0。使用 File / Save World As...（文件 / 世界另存为……）菜单，将仿真保存为 obstacles.wbt。

修改地面

默认的 RectangleArena PROTO 定义了一个固定在静态环境上的简单地面，即没有 [Physics(https://cyberbotics.com/doc/reference/physics)（物理）节点，四周被墙壁环绕。 Webots 对象库中还提供了其他预建的地面。我们现在将删除 RectangleArena 节点，并添加一个简单的地面，稍后在本教程中我们会手动为它四周添加墙壁。

动手实践 #2：要移除 RectangleArena，可以在 3D 视图或场景树视图中用鼠标左键单击选中它，然后按下键盘上的 del 键。或者，你也可以在 3D 视图中右键单击它，并在上下文菜单中选择 Delete（删除）（你也可以直接在场景树视图中使用上下文菜单）。选中 TexturedBackgroundLight 节点并点击 Add（添加）按钮。在打开的对话框中，选择 PROTO nodes (Webots Projects) / objects / floors / Floor (Solid)。

新添加的 Floor PROTO 默认尺寸为 10 米 x 10 米，但可以通过修改相应的字段来调整它的大小、位置和纹理。

动手实践 #3：在场景树视图中选中并展开 Floor。修改 size 字段并将其设置为 {1, 1}，将其尺寸调整为 1 米 x 1 米。

Solid 节点

本节介绍 Webots 中最重要的基础节点：[Solid(https://cyberbotics.com/doc/reference/solid)（实体）节点，许多其他节点都派生自它。

[Solid(https://cyberbotics.com/doc/reference/solid) 节点表示一个刚体，即形变可以忽略不计的物体。刚体上任意两点之间的距离始终保持不变，不受作用于其上的外力的影响。例如，一张桌子、一个机器人手指指节或一个轮子都是刚体。软体和铰接物体不是刚体。例如，一根绳子、一个轮胎、一块海绵或一条铰接式机械臂都不是刚体。不过，一个铰接实体可以被拆分为若干个刚体。

Webots 的物理引擎仅设计用于模拟刚体。在设计仿真时，一个重要步骤就是把各种实体拆分为独立的刚体。

要定义一个刚体，你需要创建一个 [Solid(https://cyberbotics.com/doc/reference/solid) 节点。在该节点内部，你将设置不同的子节点，对应刚体的各项特性。下图（该图）描绘了一个刚体及其子节点。 [Solid(https://cyberbotics.com/doc/reference/solid) 节点的图形表示由填充其 children（子节点）列表的 [Shape(https://cyberbotics.com/doc/reference/shape)（形状）节点定义。碰撞边界在其 boundingObject（包围对象）字段中定义。图形表示和碰撞形状经常相同，但并不必然相同。最后，physics（物理）字段定义该对象属于动态环境还是静态环境。所有这些子节点都是可选的，但 physics 字段需要 boundingObject 已被定义。

节点关系图

graph TD
  Solid[Solid] -->|physics| Physics[Physics]
  Solid -->|boundingObject| Geometry1[Geometry]
  Solid -->|children| Shape[Shape]
    Shape -->|geometry| Geometry2[Geometry]

  class Solid highlightedNode;

Webots 中最简单的刚体模型：具有图形表示、物理包围对象，并处于动态环境中。

该图中的 Geometry（几何）框代表任意种类的几何图元。实际上，它可以被替换为 [Sphere(https://cyberbotics.com/doc/reference/sphere)（球）、[Box(https://cyberbotics.com/doc/reference/box)（盒）、[Cylinder(https://cyberbotics.com/doc/reference/cylinder)（圆柱）等。

创建一个球

我们现在要向仿真中添加一个球。该球将如此图所示被建模为刚体。我们将使用 [Sphere(https://cyberbotics.com/doc/reference/sphere) 节点来定义球的几何形状。

动手实践 #4：在场景树视图中，选中最后一个节点并按下 Add（添加）按钮。在对话框中，打开 Bases nodes（基础节点）部分并选择 [Solid(https://cyberbotics.com/doc/reference/solid) 节点。在场景树视图中，展开 [Solid(https://cyberbotics.com/doc/reference/solid) 节点并选中其 children 字段。使用 Add（添加）按钮向其中添加一个 [Shape(https://cyberbotics.com/doc/reference/shape) 节点。选中 [Shape(https://cyberbotics.com/doc/reference/shape) 节点的 appearance（外观）字段，并使用 Add（添加）按钮添加一个 PBRAppearance 节点。

添加一个 [Sphere(https://cyberbotics.com/doc/reference/sphere) 节点作为新建 [Shape(https://cyberbotics.com/doc/reference/shape) 节点的 geometry（几何）字段。
展开 PBRAppearance 节点，将其 metalness（金属度）字段改为 0，roughness（粗糙度）字段改为 1。
向 [Solid(https://cyberbotics.com/doc/reference/solid) 的 boundingObject 字段添加另一个 [Sphere(https://cyberbotics.com/doc/reference/sphere) 节点。
最后，向 [Solid(https://cyberbotics.com/doc/reference/solid) 的 physics 字段添加一个 [Physics(https://cyberbotics.com/doc/reference/physics) 节点。
通过修改 [Solid(https://cyberbotics.com/doc/reference/solid) 节点的 translation（平移）字段，把球放到机器人前方（例如 {0.2, 0, 0.2}）。
保存仿真。
结果如此图所示。

仿真启动后，球会落到地面上。你可以通过对球[施加力(the-3d-window.html#applying-a-force-to-a-solid-object-with-physics)来移动它（ctrl + alt + 左键单击 + 拖动）。启用 View / Optional Rendering / Show Contact Points（视图 / 可选渲染 / 显示接触点）菜单项后，球与地面之间的接触点可以以青色线条显示。

几何节点

为了定义球，我们在两种不同的上下文中使用了 [Sphere(https://cyberbotics.com/doc/reference/sphere) 节点：用于图形表示（children）以及用于定义物理边界（boundingObject）。所有几何节点（例如 [Sphere(https://cyberbotics.com/doc/reference/sphere) 节点）都可以用于图形上下文。但其中只有一部分可以用于物理上下文。 [节点关系图(https://cyberbotics.com/doc/reference/node-chart)指出了每种上下文中支持哪些节点。

接下来我们要减小 [Sphere(https://cyberbotics.com/doc/reference/sphere) 的尺寸，并通过增加用于表示它的三角形数量来提高其图形质量。

动手实践 #5：对于定义球的每个 [Sphere(https://cyberbotics.com/doc/reference/sphere) 节点，将其 radius（半径）字段设为 0.05，将其 subdivision（细分）字段设为 2。参阅[参考手册(https://cyberbotics.com/doc/reference/sphere)以了解 subdivision 字段的含义。

DEF-USE 机制

DEF-USE 机制允许在一个地方定义节点，并在场景树的其他地方复用该定义。这有助于避免在世界文件中重复定义相同的节点。此外，它还允许用户同时修改多个对象。其工作原理如下：首先给节点添加一个 DEF 字符串标签。然后可以在其他地方使用 USE 关键字复用该节点的副本。只有 DEF 节点的字段可以被编辑，USE 的字段继承自 DEF 节点且不能被修改。该机制依赖于节点在世界文件中的顺序。 DEF 节点应在任何对应的 USE 节点之前定义。

我们先前用来定义球的两个 [Sphere(https://cyberbotics.com/doc/reference/sphere) 定义是冗余的。现在我们将使用 DEF-USE 机制把这两个 [Sphere(https://cyberbotics.com/doc/reference/sphere) 合并为一个。

动手实践 #6：在场景树视图中选中第一个 [Sphere(https://cyberbotics.com/doc/reference/sphere) 节点（即 [Shape(https://cyberbotics.com/doc/reference/shape) 的子节点）。场景树视图的[字段编辑器(the-scene-tree.html#field-editor)允许你输入 DEF 字符串。

在该字段中输入 BALL_GEOMETRY。
选中 boundingObject 字段（包含第二个 [Sphere(https://cyberbotics.com/doc/reference/sphere) 节点），在场景树中右键单击该字段并在弹出的上下文菜单中选择 Delete（删除）条目来清空它。
然后，选中 boundingObject 字段并点击 Add（添加）按钮，在对话框中选择 USE / BALL_GEOMETRY。
结果如此图所示。

现在，修改第一个 [Sphere(https://cyberbotics.com/doc/reference/sphere) 节点的 radius 字段也会同时改变它的 boundingObject。

为了方便起见，boundingObject 字段也接受 [Shape(https://cyberbotics.com/doc/reference/shape) 节点（而不是直接使用 [Sphere(https://cyberbotics.com/doc/reference/sphere) 节点）。同样可以在 [Shape(https://cyberbotics.com/doc/reference/shape) 这一层级使用相同的 DEF-USE 机制，如此图所示。目前，这样做的最大好处是能够同时将这个 [Shape(https://cyberbotics.com/doc/reference/shape) 直接用于图形目的。后文将会看到，这种机制对于某些传感器非常有用。

DEF-USE 机制应用于名为 BALL_GEOMETRY 的 Sphere 节点。

节点关系图

graph TD
  Solid[Solid] -->|physics| Physics[Physics]
  Solid -->|boundingObject| USEBALLGEOMETRY[USE BALL_GEOMETRY]
  Solid -->|children| Shape[Shape]
    Shape -->|geometry| Sphere[DEF BALL_GEOMETRY Sphere]
    USEBALLGEOMETRY -.- Sphere

  class Solid highlightedNode;
  class USEBALLGEOMETRY,Shape secondaryNode;

DEF-USE 机制应用于 Solid 几何中的 Sphere 节点。

动手实践 #7：创建一个参数相同的第二个球，但在 DEF-USE 机制中使用 [Shape(https://cyberbotics.com/doc/reference/shape) 节点（而不是直接使用 [Sphere(https://cyberbotics.com/doc/reference/sphere) 节点）。

添加墙壁

为了检验你的进度，请自己动手实现四面墙壁来环绕环境。这些墙壁必须被静态地定义到环境中。要理解静态与动态的区别，我们来考虑上面定义的一个物体（球）。如果 [Physics(https://cyberbotics.com/doc/reference/physics) 节点为 NULL，那么在仿真期间它会静止悬停在半空中（静态情形）。如果 physics 字段包含一个 [Physics(https://cyberbotics.com/doc/reference/physics) 节点，它会在重力作用下下落（动态情形）。

尽可能在 [Shape(https://cyberbotics.com/doc/reference/shape) 层级而非几何（Geometry）层级使用 DEF-USE 机制。事实上，在 [Solid(https://cyberbotics.com/doc/reference/solid) 节点的 boundingObject 字段中添加一个中间的 [Shape(https://cyberbotics.com/doc/reference/shape) 节点更方便。实现墙壁的最佳几何图元是 Box 节点。所有墙壁只需要定义一个 [Shape(https://cyberbotics.com/doc/reference/shape)。预期结果如此图所示。

动手实践 #8：添加四面没有物理属性的墙壁，并且只使用一份 [Shape(https://cyberbotics.com/doc/reference/shape) 节点定义。

解答：世界文件

要将你的世界与解答进行对比，请进入你的文件目录，找到在[教程 1(tutorial-1-your-first-simulation-in-webots.html)中创建的名为 "my_first_simulation" 的文件夹，然后进入 "worlds" 文件夹，用文本编辑器打开对应的世界文件。本解答与其他解答一样位于解答目录中。

效率

刚体的仿真在计算上开销很大。可以通过减少包围对象（bounding object）的数量、尽量减少它们之间的约束（关于约束的更多信息见后续教程），以及增大 WorldInfo.basicTimeStep 字段来提高仿真速度。在每一次仿真中，都必须在仿真速度和真实感之间找到一个折衷。

结论

完成本教程后，你能够创建基于刚体的简单环境。你能够从场景树视图添加节点并修改它们的字段。你已经熟悉了 [Solid(https://cyberbotics.com/doc/reference/solid)、[Physics(https://cyberbotics.com/doc/reference/physics)、[Shape(https://cyberbotics.com/doc/reference/shape)、[Sphere(https://cyberbotics.com/doc/reference/sphere) 和 [Box(https://cyberbotics.com/doc/reference/box) 节点。你还学习了 DEF-USE 机制，它能够减少场景树中节点的冗余。