PhysX3 User Guide 04 - Rigid Body Dynamics

本章涉及了了不少模拟刚体物体必须了解的点。

  Applying Forces and Torques      

 

物理学上和物体交互的方式常是对其施以外力。在经典力学中，很多物体之间的交互都是采用力来求解。因为力遵守如下法则:

f = m*a (force = mass * acceleration) 力= 质量*加速度 0-0

 

力直接控制物体的加速度，间接影响其位置和速度。因此，如果你需要立刻获得反应的话，使用力Force可能不太方便。力的好处是无需考虑场景中受力物体Body的情况，模拟程序会计算定义所有的约束条件。重力就是这么干的。

不幸的是，大量力会导致共振，使速度越来越大，最后系统solver因为无法maintain the joint constraints而崩溃。不像现实世界，joint break就是了。(joint的breakable打开也不行么？)

同一模拟帧内的力可以累加的，下一帧会全部置零。你可以设置力和力矩torque。 PxRigidBody和 PxRigidBodyExt中的相关函数如下. 

 

 
  void 
   PxRigidBody::addForce( 
  const 
   PxVec3 
  & 
   force, PxForceMode::Enum mode,  
  bool 
   autowake);
 
  void 
   PxRigidBody::addTorque( 
  const 
   PxVec3 
  & 
   torque, PxForceMode::Enum mode,  
  bool 
   autowake);
 
  void 
   PxRigidBodyExt::addForceAtPos(PxRigidBody 
  & 
   body,  
  const 
   PxVec3 
  & 
   force,  
  const 
   PxVec3 
  & 
   pos, PxForceMode::Enum mode,  
  bool 
   wakeup);
 
  void 
   PxRigidBodyExt::addForceAtLocalPos(PxRigidBody 
  & 
   body,  
  const 
   PxVec3 
  & 
   force,  
  const 
   PxVec3 
  & 
   pos, PxForceMode::Enum mode,  
  bool 
   wakeup);
 
  void 
   PxRigidBodyExt::addLocalForceAtPos(PxRigidBody 
  & 
   body,  
  const 
   PxVec3 
  & 
   force,  
  const 
   PxVec3 
  & 
   pos, PxForceMode::Enum mode,  
  bool 
   wakeup);
 
  void 
   PxRigidBodyExt::addLocalForceAtLocalPos(PxRigidBody 
  & 
   body,  
  const 
   PxVec3 
  & 
   force,  
  const 
   PxVec3 
  & 
   pos, PxForceMode::Enum mode,  
  bool 
   wakeup); 
 

 

PxForceMode 默认为 PxForceMode::eFORCE 。除此以外的可能值有： PxForceMode::eIMPULSEs, impulsive force. PxForceMode::eVELOCITY_CHANGE 会无视物体的质量...更多信息查看API手册中的PxForceMode章节.

  Gravity      

 

重力是最常用的。如果需要在整个场景内都使用重力效果，使用 PxScene类的 setGravity()进行设置。

使用米和秒为单位的话，重力值为9.8，方向为场景的竖直向下。

某些效果可能要求一些dynamic actor暂时不受重力影响（真想不出是啥时候啥情况），你可以这么干:

PxActor::setActorFlag(PxActorFlag::eDISABLE_GRAVITY,  true );

 

Note: 改变重力效果的时候要严重当心。记得要手动恢复失重的物体，用 PxRigidDynamic::wakeUp()。因为系统如果要自动唤醒失重物体的话，势必遍历场景中的所有物体，性能不佳。.

    Setting the Velocity      

 

如果是想立刻让一个物体运动，给它初速度是最直接的。还有个更直接的办法是设动量momentum,如果你不知道物体的质量的话，这种方法可能更方便, 只是要知道速度的话还得要质量。

场景中设了初速度的物体, 你可能会遇到在第一帧结束以后速度就没了的情况。这是因为如果这个初速度和其他什么constraint冲突的话，就会被simulation以其他的设置重写。例如，如果一个球静止在桌子上，同时给了它一个向下的初速度，那么这个初速度就会，变成0. 如果给链条上某链节一个初速度，这个链节上的初速度会减小，其他链节的初速度会增大，以保证所有链节仍然连接在一起.

初速度的设置方法简单的说，如下:

 

 
   void 
    PxRigidBody::setLinearVelocity( 
   const 
    PxVec3 
   & 
    linVel,  
   bool 
    autowake);
 
   void 
    PxRigidBody::setAngularVelocity( 
   const 
    PxVec3 
   & 
    angVel,  
   bool 
    autowake); 
  

   Kinematic Actors        

 

dynamic Actor受力force影响，也受冲量impulse影响。通常俺们用 PxRigidBody::addForce()或 PxRigidBody::addTorque()函数的时候，用这俩枚举量 PxForceMode::eIMPULSE , PxForceMode::eFORCE 对其设置. 但是这些都是在以二手或者三手方式在控制actor，不够灵活。例如当想要移动舞台和角色的时候，直接改变它们的Actor的位置Position是最直接的。kinematic Acotor就提供了这样一种一手方式.

使用 PxRigidDynamic::moveKinematic()可以尽情操作kinematic Actor. 除了这个函数Kinematic Actor对不管是力，重力，碰撞啥的，都不起反应。这条命令先被暂存起来，当内部的simulate完成后，它会计算出一个速度，然后在本帧内以该速度向目标位置移动，本帧内的这一步移动完成后，速度会被归零。因此需要在反复调用该函数才能完成沿着某路径运动的效果。也就是在移动过程中，kinematic actor表现得像是质量为无穷大，因此总是马上停下来.

创建kinematic actor的方法只是在创建一个普通dynamic actor之后打开它的kinematic flag:

 

 
  PxRigidDynamic 
  * 
   rigidDynamic;
 rigidDynamic 
  -> 
  setRigidDynamicFlag(PxRigidDynamicFlag::eKINEMATIC,  
  true 
  ); 
 

只要把这个kinematic flag关闭，actor就又变成一个普通的dynamic actor. 如果你向一堆dynamic中的一个kinematic增加mass时，其实mass并没有增加，因为这个mass被用在了kinematic上，相当于沧海一粟，这一堆dynamic的总mass也不会变化。

附加说明:

• 注意 PxRigidDynamic::moveKinematic() 和 PxRigidBody::setGlobalPose() 的区别. setGlobalPose()也会将Actor移动到指定位置，但不会引起其他对象的变化。尤其是，它根本不会阻挡别的物体运动，而是会穿墙而过。但这个setGlobalPose()还是会被用到, 如果仅仅是想把某个东西移动到某个位置时。. 
• kinematic actor是会推开别人的，如果有人挡道的话，但是其他物体不会反作用于kinematic物体。也就是说kinematic actor的出现，让其他dynamic actor表现为static actor或者kinematic actor. 譬如，一个dynamic豆腐会把冲过来的kinematic脑袋撞个坑？。
• kinematic 和 static actor之间木有相互作用和碰撞。 

 

   Sleeping     

 

actor若持续一段时间木有动作, 可以看做将来它也不会再动作，除非再受到了外力。因此在下一次受到外力之前，它都不必参与simulate.这种状态就是Sleeping. 查询一个物体是不是睡了可以酱:

 

bool  PxRigidDynamic::isSleeping();

actor的动能kinematic energy低于某个值的话就会进入睡眠状态。这个门槛值可这样设置：

 

 
   void 
    PxRigidDynamic::setSleepEnergyThreshold(PxReal threshold);
 PxReal PxRigidDynamic::getSleepEnergyThreshold()  
   const 
   ; 
  

一个沉睡物体的醒来是因为有其他醒着的物体touch了它，或者它的什么属性发生了变化，睡还是没睡通常不应该是应用程序关心的问题，也不必。但如果非要人肉改变睡还是不睡，也不是没有办法：

 

 
   void 
    PxRigidDynamic::wakeUp(PxReal wakeCounterValue 
   = 
   PX_SLEEP_INTERVAL);
 
   void 
    PxRigidDynamic::putToSleep(); 
  

但是，也有一些特殊情况要求用户必须手动唤醒Sleeping actor。哪些函数有这样的要求，API参考文档有详情。

    Solver Accuracy      

 

求解器精确度。当刚体rigid body的运动受到关节jount或和其他物体的接触contract的约束时，约束求解器constraint solver就会自动运行。求解器为了满足所有的约束条件，会有限次遍历运动物体上的所有约束条件。这次数越大，求解的结果越精确越接近现实。默认是4个位置和1个速度的遍历（？！？！）。The solver iteration count defaults to 4 position iterations and 1 velocity iteration. 可以单独设置每个刚体物体的遍历次数:

 

void  PxRigidDynamic::setSolverIterationCounts(PxU32 minPositionIters, PxU32 minVelocityIters);

眼目前俺们只发现了在一个关联了太多Joint并且这些joint的tolerance都很小的物体上才有必要把这个值设的比较大。如果该值需要设置到为30以上才能满足需求，基本上是整个模拟从根子上就有问题。

    Fast Rotation      

 

像铅笔这样的长条形状的物体模拟起来比较有难度，因为它们绕短轴旋转时会存储大量能量，而后若绕长轴旋转会变成一个很大的角速度。这样会出问题，因为旋转运动中的某些线性逼近米有办法完成。因此PhysX SDK中限制了角速度的最大值。当然这个值也是可以修改的。

void  PxRigidDynamic::setMaxAngularVelocity(PxReal maxAngVel);