9. 仿真技术综述（Survey）

本文综述移动机器人仿真技术，并明确 Autonomy 仿真能力的定位与选型。

运动学公式见 03_math.md；工具对比见 06_nav_test.md、07_gazebo_ros.md。

9.1 仿真在机器人开发中的角色

阶段	仿真用途
算法开发	快速迭代，无硬件风险
集成测试	全栈闭环验证
CI/CD	自动化回归（nav_test）
强化学习	高保真环境（Isaac, Habitat）

9.2 仿真 fidelity 光谱

低 fidelity ──────────────────────────────────→ 高 fidelity

运动学积分    Stage 2D    Gazebo Classic    Gazebo Ignition    Isaac Sim
(nav_test)    (规划)      (物理+传感器)      (新引擎)           (GPU 物理)

级别	代表	计算成本	Autonomy
运动学	nav_test	极低	✅
2D 物理	Stage	低	配置占位
3D 物理	Gazebo	中	外部包 ✅
具身 AI	Habitat, Isaac	高	Docker 可选

9.3 发展时间轴

2000s

Player/Stage — 2D 仿真标准

2007

Gazebo — 3D 物理仿真成为 ROS 默认

2019

Ignition Gazebo — 下一代 Gazebo

2020s

Isaac Sim, Habitat-Sim — GPU 加速、RL 训练

9.4 仿真器对比

仿真器	维度	物理	传感器	ROS	Autonomy
nav_test	运动学	无	无	否	✅ 内置
Stage	2D	简单	激光、相机	可选	配置
Gazebo	3D	ODE/Bullet	丰富	是	外部包
Webots	3D	专有	丰富	是	—
Isaac Sim	3D	GPU	丰富	桥接	Docker
Habitat-Sim	3D	网格	RGB-D	桥接	Docker 脚本

9.5 传感器仿真要点

传感器	仿真方式	用途
激光	射线投射	costmap, SLAM
相机	渲染管线	视觉感知
里程计	真值+噪声	定位、控制闭环
IMU	真值+噪声	融合定位

Gazebo 插件提供标准 ROS topic；nav_test 仅仿真 odom。

9.6 仿真时钟

模式	驱动	场景
墙钟	`std::chrono`	nav_test 默认
仿真时钟	`/clock` topic	Gazebo `use_sim_time`
Mock 时间	Autolink `MODE_SIMULATION`	回放、单元测试

9.7 Autonomy 选型建议

场景	推荐
单元测试 / CI	`autonomy_nav_test`
控制器调参	`autonomy_controller_test` 或 nav_test
全栈 + 传感器	Gazebo + autonomy_ros
2D 快速原型	Stage（待接 C++ 客户端）
RL / 具身智能	Habitat / Isaac（Docker）

9.8 能力矩阵

能力	状态
差速运动学仿真	✅ nav_test
全栈 BT 导航闭环	✅ nav_test
车辆抽象接口	⏳ Vehicle
Gazebo 集成	✅ 外部
Stage 集成	⏳ 配置
统一 SimulationServer	❌
传感器噪声模型	❌
动态障碍仿真	❌

9.9 参考文献

主题	参考
Gazebo	Gazebo 官方文档
Stage	Player/Stage 项目
ROS 2 Gazebo	ros_gz 文档
Habitat-Sim	Habitat-Sim 官方文档