平地与地形仿真场景对比

本仓库为 Atom01 双足机器人提供两个 MuJoCo 仿真场景文件：atom01.xml 面向标准平地基准测试，atom01_terrain.xml 面向复杂地形鲁棒性验证。两者在机器人本体模型、执行器配置、传感器系统与控制接口上保持完全一致，仅在地面几何与初始投放高度上存在差异，形成"同构模型、异构场景"的清晰架构。这种设计使得研究者可以在不修改上层控制代码的前提下，通过切换 XML 文件快速对比算法在结构化与非结构化地面上的行为差异。

graph LR
    A[共享机器人模型<br/>actuator / sensor / body] --> B[平地场景 atom01.xml]
    A --> C[地形场景 atom01_terrain.xml]
    
    B --> B1[地面: plane geom<br/>无限水平面 @ z≈0]
    B --> B2[base_link 初始高度: 0.75m]
    B --> B3[资产: hfield hf0<br/>200×200 程序化生成]
    
    C --> C1[地面: hfield geom<br/>terrain_hfield.png 位图]
    C --> C2[base_link 初始高度: 2.75m]
    C --> C3[资产: hfield terrain_hfield<br/>20×20m, 3.4m 高程]

Sources: atom01.xml, atom01_terrain.xml

场景架构差异总览

两个 MJCF 文件仅有三处不同：asset 段中的高程场定义、worldbody 段中的地面几何类型、以及机器人根节点的初始高度。其余包括编译器参数、仿真选项、默认属性、连杆与关节树、23 个执行器电机与 63 个传感器在内，均逐字节保持一致。

对比维度	平地场景 `atom01.xml`	地形场景 `atom01_terrain.xml`
地面几何类型	`plane` 无限平面	`hfield` 高程场
地面材质	`matplane` 棋盘格纹理	`matplane` 棋盘格纹理
高程场资产	`hf0`：程序化 200×200 网格	`terrain_hfield`：PNG 位图
高程场水平范围	20 m × 10 m（半尺寸 10×5）	20 m × 20 m（半尺寸 10.0×10.0）
高程场高度参数	最大 0.2 m，底部偏移 0.1 m	最大 3.4 m，底部偏移 2.0 m
地面碰撞配置	`condim="1" conaffinity="15"`	`condim="1" conaffinity="15"`
机器人初始高度	`base_link` @ z = 0.75 m	`base_link` @ z = 2.75 m
执行器与传感器	23 电机 + 63 传感器	完全相同

Sources: atom01.xml, atom01_terrain.xml

地面几何配置详解

平地场景：无限平面

平地场景采用 MuJoCo 的 plane 类型几何体作为地面。size="0 0 1" 中的前两个零表示平面在 X、Y 方向无限延伸，第三个值 1 定义了参与碰撞检测的边界厚度。pos="0.001 0 0" 在 X 轴上引入 1 mm 的微小偏移，这通常用于避免网格纹理与坐标轴完美对齐时可能出现的渲染伪影。condim="1" 表示接触法向仅沿单一维度计算，适合水平面接触；conaffinity="15" 则允许该地面与所有具有碰撞标志的机器人连杆发生交互。

Sources: atom01.xml

地形场景：位图高程场

地形场景将地面替换为 type="hfield" 的高程场几何体，并通过 hfield="terrain_hfield" 引用在 asset 段中预先加载的高度图资产。高程场表面由灰度 PNG 位图 terrain_assets/terrain_hfield.png 逐像素驱动，每个像素的亮度值经线性映射后决定对应位置的地形高度。与平面场景相同，地形地面也使用 condim="1" 和 conaffinity="15"，这意味着接触模型仍简化为单法向，但接触点的空间位置会随着机器人行走而在三维曲面上持续变化。

Sources: atom01_terrain.xml

高程场（hfield）资产对比

两个文件均在 asset 段声明了 hfield，但用途截然不同：平地场景中的 hf0 是一份程序化生成的备用资产，并未被实际地面几何引用；地形场景中的 terrain_hfield 则是核心地面数据源。

属性	`hf0`（平地备用）	`terrain_hfield`（地形主数据）
声明行	`<hfield name="hf0" nrow="200" ncol="200" size="10 5 0.2 .1"/>`	`<hfield name="terrain_hfield" file="../terrain_assets/terrain_hfield.png" size="10.0 10.0 3.4 2.0"/>`
数据来源	程序化（无外部文件）	外部 PNG 位图
网格分辨率	200 × 200（由 `nrow`/`ncol` 指定）	由图像像素尺寸决定
水平半尺寸	X=10 m, Y=5 m	X=10.0 m, Y=10.0 m
最大高度 Zmax	0.2 m	3.4 m
底部偏移 Zbase	0.1 m	2.0 m

MuJoCo 中 hfield 的 size 参数遵循 "X Y Zmax Zbase" 的语义：X 与 Y 为水平方向的半尺寸（实际覆盖范围为 2X × 2Y）；Zmax 为相对于基座平面的最大隆起高度；Zbase 为基座平面在几何中心下方的下沉深度。地形场景的 terrain_hfield 因此覆盖 20 m × 20 m 的广阔区域，并允许地表在竖直方向产生显著起伏，这对双足机器人的平衡控制提出了更高要求。

Sources: atom01.xml, atom01_terrain.xml

初始姿态适配原理

机器人在两个场景中的初始投放高度存在 2.0 m 的差异：平地场景下 base_link 位于 z = 0.75 m，地形场景下则被提升至 z = 2.75 m。这一调整并非随意设置，而是基于地面几何特性的必要适配。平地 plane 表面严格位于 z ≈ 0 m，机器人以 0.75 m 的初始高度投放即可直接处于站立姿态附近；而地形高程场由于 Zbase=2.0 与 Zmax=3.4，其表面在竖直方向上存在大幅变化，且基座下沉较深。将根节点抬升至 2.75 m 可以确保机器人初始时刻悬浮于地形最高点之上，避免在仿真第 0 步发生穿透碰撞，同时为机器人提供一个短暂的自由下落过程，使其通过物理接触自然贴合地形表面。

Sources: atom01.xml, atom01_terrain.xml

仿真行为差异分析

由于地面几何的根本变化，同一套控制策略在两个场景中会表现出截然不同的物理行为。理解这些差异有助于开发者在算法调试阶段正确归因问题来源。

维度	平地场景	地形场景	工程启示
接触法向	恒定为世界坐标系 +Z	随地形局部曲面法向变化	地形场景下足底力方向需分解到世界坐标系
零力矩点约束	仅需考虑水平投影	需额外考虑地形坡度	平衡控制器需引入地形倾角补偿
IMU 基座激励	理想水平，无额外噪声	基座倾斜引入重力分量耦合	状态估计需区分本体倾斜与地形倾斜
足端轨迹规划	固定离地高度即可	需实时感知或估计地形高度	建议集成足端力传感器或地形感知模块
接触点数量	稳定、规则	可能出现不规则多点接触	地形仿真对 `timestep` 和 `solver` 稳定性更敏感
关节负载分布	左右腿对称性高	随地形起伏呈现显著不对称	可用于验证力控分配算法的鲁棒性

Sources: atom01.xml, atom01_terrain.xml

场景选用建议

两个场景面向不同的开发与验证阶段，推荐按以下逻辑进行选择：

flowchart TD
    Start[开始仿真实验] --> Q{实验目的?}
    Q -->|基准测试 / 控制器初调 / 回归验证| A[加载 atom01.xml<br/>平地场景]
    Q -->|鲁棒性验证 / 强化学习训练 / 非结构化地面泛化| B[加载 atom01_terrain.xml<br/>地形场景]
    A --> C[统一控制接口<br/>上层代码无需修改]
    B --> C
    C --> End[读取传感器 / 发送电机指令]

算法开发初期：优先使用平地场景 atom01.xml。排除地形不确定性干扰，集中验证逆运动学、轨迹跟踪、基础平衡等核心功能。
策略鲁棒性验证：切换至地形场景 atom01_terrain.xml。利用高程场的非结构化特征，测试控制策略在斜坡、起伏地面上的泛化能力，尤其适用于强化学习训练中的域随机化（Domain Randomization）环节。
无缝迁移：由于 actuator 与 sensor 接口在两个文件中完全一致，切换场景时只需更改 MuJoCo 加载的 XML 路径，所有控制、观测、日志代码均可复用。

如需进一步了解模型中的执行器配置与传感器布局，请参考前文执行器与控制接口与传感器系统与 IMU 配置。若需深入理解 plane 与 hfield 在接触动力学层面的底层差异，可继续阅读 URDF 到 MJCF 的映射与差异以及仿真稳定性优化指南。