【Chrono Engine学习总结】3-地型terrain

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、关于物体材质

在介绍地型之前，要初步了解chrono中关于材质的一些基本概念。

首先，最基本的材质类是ChMaterialSurface,其进一步包括：ChMaterialSurfaceNSC和SMC两个派生类。

ChMaterialSurface
从ChMaterialSurface.h中可以看出，ChMaterialSurface的基本属性包括：

• 静摩擦,static_friction,由SetSfriction和GetSfriction两个函数设置和获取值
• 滑动摩擦，sliding_friction (kinetic coefficient of friction)，SetKfriction
• 滚动摩擦，rolling_friction (rolling coefficient), SetRollingFriction
• 旋转摩擦，spinning_friction，SetSpinningFriction
• 回弹系数/恢复系数，restitution，SetRestitution (它是描述在碰撞过程中，两个物体分离后的相对速度与它们接触前的相对速度之比的物理量。恢复系数用于表征碰撞过程中能量的保留情况，其值范围从0到1)
• 其中，静摩擦和滑动摩擦，可以由SetFriction一个函数同时设置。

ChMaterialSurfaceNSC和SMC

• A ChSystemNSC for Non Smooth Contacts (NSC); in case of contacts a complementarity solver will take care of them using non smooth dynamics; this is very efficient even with large time steps.
• A ChSystemSMC for SMooth Contacts (SMC); with this system contacts are handled using penalty methods, i.e. contacts are deformable;

用中文进行解释：

• ChSystemNSC（非光滑接触系统）：用于处理非光滑接触（NSC，Non-Smooth Contacts）的物理系统。在这种系统中，当接触发生时，将使用互补性求解器（complementarity solver）来处理这些接触，通过非光滑动力学（non-smooth dynamics）原理来解决问题。这种方法即使在使用较大时间步长的情况下也非常高效，因为它不需要精确模拟接触表面之间的微小变形，而是直接处理接触产生的力。
• ChSystemSMC（光滑接触系统）：用于处理光滑接触（SMC，Smooth Contacts）的物理系统。与NSC系统不同，SMC系统通过惩罚方法（penalty methods）来处理接触问题，即认为接触是可变形的。在这种情况下，当两个物体接触时，它们的接触表面可以产生变形，仿真将考虑这种变形对接触力的影响。这种方法能够模拟更真实的物理行为，特别是在需要精确考虑接触变形时，但可能需要更小的时间步长以保持计算的准确性。

所以可以看出，这两种只是在计算时，是否精细考虑接触面造成的形变等因素，SMC的相比更加复杂。

ChMaterialSurfaceNSC
在ChMaterialSurface的基础上，新增属性：凝聚力(Cohesion)最大值、接触阻尼(Damping)、正向接触柔顺性(Compliance)、切向接触柔顺性(ComplianceT)等，不展开介绍。

ChMaterialSurfaceSMC
在ChMaterialSurface的基础上，新增属性：杨氏模量(Young’s Modulus)、泊松比(Possion Ration)等和形变相关的参数。具体内容参考头文件。

2、创建一个地型terrain

2.1 地型类别

Chrono: Terrain models
根据文档，地型包括：简单平面地型、刚性地型、CRG地型、可变SCM地型、含颗粒地型等。其中，重点关注刚性地形。
刚性地形，又包括：box、obj文件、高程bmp文件，三种形式。box的定义较为简单，obj和bmp格式载入时没有本质的区别。

2.2 代码自定义地型

创建地形，包括以下几个关键步骤：绑定物理系统、创建地面材质并设定参数、创建地形尺寸参数并添加材质、纹理设置（可选）、初始化。

关键代码如下：

RigidTerrain terrain(hmmwv.GetSystem());
auto patch_mat = chrono_types::make_shared<ChMaterialSurfaceSMC>();	// 创建地面材质
patch_mat->SetFriction(0.9f);				// 进行一些地面材质设定
patch_mat->SetRestitution(0.01f);
patch_mat->SetYoungModulus(2e7f);
auto patch = terrain.AddPatch(patch_mat, ChCoordsys<>(ChVector<>(20, 0, 0), QUNIT), "C:/Users/larrydong/Desktop/my_terrain.bmp", 64.0, 64.0, 0.0, 0.1);   // 
patch->SetTexture(vehicle::GetDataFile("terrain/textures/grass.jpg"), 6.0f, 6.0f);	// 贴图
terrain.Initialize();		// 初始化

其中，terrain.AddPatch这一步，读取一个bmp的数字高程作为地型，尺寸时64x64（米），最小值（纯黑色像素）设置为0米，最大值（纯白色像素）设置为0.1米，并指定位置和旋转。这个bmp的地型的地表材质就是刚刚上面介绍的表面材质。

2.3 从JSON文件载入地型

另一种方式是直接从json文件载入地型，代码只需要一行：

RigidTerrain terrain(hmmwv.GetSystem(), "path/to/xxx.json");

打开参考例子的json文件，可以看出，在json里面定义了所有有关的内容，例如下面这个载入一个数字高程地型，定义了位置、数字高程图、材料、可视化等内容，和用代码自定义的方式一样。

在RigidTerrain初始化时，如果发现给定了一个文件路径，就会读取这个json文件，查找匹配字段，自动确定是哪种terrain并进行相关设置。需要注意的是，json文件中的路径，全部是通过vehicle::GetDataFile的方式读取的，因此需要设定vehicle相关的path正确(chrono::vehicle::SetDataPath)。但我用JSON的方式载入，无法正确载入地型和纹理贴图，虽然路径设置对了，目前还没搞清楚原因……

3、地型与车辆

在chrono中，terrain是位于vechile模块下方，因此地型的出现势必伴随着vehicle的设定。但本文没有涉及任何关于vehicle的内容，下一篇再做介绍。