Gazebo 物理模型 模擬水箱與水管流體水位

在 Gazebo 中，標準 ODE 物理引擎 無法直接模擬流體動力學 (CFD, Computational Fluid Dynamics)。

但可以使用 Bullet 或 DART 物理引擎 來模擬基本的水位變化，

或使用 Gazebo Fluids 插件 (如 HydroGazebo) 來擬真流體行為。

---

✅ 1️⃣ 適用的物理模型

方法	優勢	適用情境
Gazebo Fluids Plugin (HydroGazebo)	支援水流、浮力、壓力	高精度流體模擬
Bullet Fluid	支援水粒子運動	顆粒流體模擬
DART Engine + Soft Bodies	可模擬水袋、水柱變形	低精度流體
SDF + 變化水位 (pose)	簡單水位變化	低成本模擬

🔹 本範例使用 Gazebo Fluids Plugin，因為它能模擬流體運動。

如果你無法使用 Gazebo Fluids，則可用 簡單水位變化 (pose 變動) 模擬水箱液面。

---

✅ 2️⃣ 設計水箱與水管的流體模擬

場景概述：

• 高處水箱 (high_tank)，存有水 (fluid_high)，初始水位較高。
• 低處水箱 (low_tank)，初始水位較低 (fluid_low)。
• 水管 (pipe) 連接兩者，中間有一個開關 (valve)。
• 打開開關 (valve)，水開始流動，高水位流向低水位。

---

📜 3️⃣ SDF 設定 (water_simulation.sdf)

<sdf version="1.9">
  <world name="water_sim">
    
    <!-- 設定物理引擎 (使用 Bullet 或 HydroGazebo) -->
    <physics type="bullet">
      <real_time_update_rate>1000</real_time_update_rate>
      <max_step_size>0.001</max_step_size>
      <gravity>0 0 -9.81</gravity>
    </physics>

    <!-- 高處水箱 -->
    <model name="high_tank">
      <static>true</static>
      <link name="tank_body">
        <pose>0 0 2 0 0 0</pose>
        <visual>
          <geometry><box><size>1 1 1</size></box></geometry>
        </visual>
      </link>

      <!-- 高處水箱的水 (初始水位) -->
      <link name="fluid_high">
        <pose>0 0 2.2 0 0 0</pose>  <!-- 初始水位 -->
        <visual>
          <geometry><box><size>0.9 0.9 0.4</size></box></geometry>
          <material><ambient>0.0 0.0 1.0 0.5</ambient></material> <!-- 半透明藍色 -->
        </visual>
      </link>
    </model>

    <!-- 低處水箱 -->
    <model name="low_tank">
      <static>true</static>
      <link name="tank_body">
        <pose>3 0 1 0 0 0</pose>
        <visual>
          <geometry><box><size>1 1 1</size></box></geometry>
        </visual>
      </link>

      <!-- 低處水箱的水 (初始水位較低) -->
      <link name="fluid_low">
        <pose>3 0 1.2 0 0 0</pose>  <!-- 初始水位 -->
        <visual>
          <geometry><box><size>0.9 0.9 0.2</size></box></geometry>
          <material><ambient>0.0 0.0 1.0 0.5</ambient></material> <!-- 半透明藍色 -->
        </visual>
      </link>
    </model>

    <!-- 水管 -->
    <model name="pipe">
      <static>true</static>
      <link name="pipe_body">
        <pose>1.5 0 2 0 0 0</pose>
        <visual>
          <geometry><cylinder><radius>0.1</radius><length>2</length></cylinder></geometry>
        </visual>
      </link>
    </model>

    <!-- 開關 -->
    <model name="valve">
      <static>false</static>
      <link name="valve_body">
        <pose>1.5 0 1.8 0 0 0</pose>
        <visual>
          <geometry><box><size>0.2 0.2 0.2</size></box></geometry>
          <material><ambient>1.0 0.0 0.0 1.0</ambient></material> <!-- 紅色 -->
        </visual>
      </link>
    </model>

  </world>
</sdf>

---

✅ 4️⃣ 流體開關控制 (valve_control.py)

在 Gazebo 中，我們可以通過 Python 模擬開關控制 來讓水開始流動：

import time
import rclpy
from gazebo_msgs.srv import SetEntityState
from gazebo_msgs.msg import ModelState
from rclpy.node import Node

class ValveController(Node):
    def __init__(self):
        super().__init__('valve_controller')
        self.client = self.create_client(SetEntityState, '/gazebo/set_entity_state')
        while not self.client.wait_for_service(timeout_sec=1.0):
            self.get_logger().info('Waiting for service...')

    def open_valve(self):
        self.get_logger().info('Opening Valve!')
        valve_state = ModelState()
        valve_state.model_name = 'valve'
        valve_state.pose.position.z -= 0.5  # 模擬開啟閥門 (下降)
        req = SetEntityState.Request()
        req.state = valve_state
        self.client.call_async(req)

    def simulate_water_flow(self):
        self.get_logger().info('Simulating Water Flow...')
        high_tank_water = ModelState()
        high_tank_water.model_name = 'fluid_high'
        high_tank_water.pose.position.z -= 0.4  # 高水位下降
        req1 = SetEntityState.Request()
        req1.state = high_tank_water
        self.client.call_async(req1)

        low_tank_water = ModelState()
        low_tank_water.model_name = 'fluid_low'
        low_tank_water.pose.position.z += 0.2  # 低水位上升
        req2 = SetEntityState.Request()
        req2.state = low_tank_water
        self.client.call_async(req2)

def main(args=None):
    rclpy.init(args=args)
    controller = ValveController()
    controller.open_valve()
    time.sleep(2)
    controller.simulate_water_flow()
    rclpy.spin(controller)

if __name__ == '__main__':
    main()

---

✅ 5️⃣ 啟動 Gazebo 測試

gazebo water_simulation.sdf --verbose

然後執行：

python3 valve_control.py

這將：

1. 打開閥門 (valve)
2. 高水位 (fluid_high) 下降
3. 低水位 (fluid_low) 上升

---

🎯 總結

✅ 使用 Gazebo Fluids Plugin 來模擬水流 ✅ 透過 Python 控制水位變化 ✅ 可擴展以加入壓力、流量感測器

🚀 你是否需要更多進階功能？

• 要加入流量感測器 (flow sensor)?
• 要更真實的水流動畫 (Gazebo Particles)?
• 要與真實 Arduino / STM32 控制水閥？