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# 刚体动力学插件使用文档
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## 简介
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刚体动力学插件是一个完整的物理模拟系统，基于Bullet物理引擎，提供了丰富的物理功能，包括刚体动力学、约束系统、车辆模拟、粒子系统等。
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## 功能特性
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### 1. 物理世界管理
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- 重力设置和控制
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- 时间步长和子步长模拟
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- 性能监控和优化
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- 多线程支持
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- 空间分区优化
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### 2. 刚体系统
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- 静态、动态、运动学刚体
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- 多种碰撞形状（盒体、球体、胶囊体、圆锥体、圆柱体、凸包、网格、复合形状）
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- 质量、摩擦、弹性等物理属性
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- 连续碰撞检测(CCD)
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- 力和扭矩应用
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- 速度和加速度控制
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- 能量计算（动能、势能）
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- 碰撞历史记录
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### 3. 材质系统
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- 预定义常用材质（混凝土、木材、金属、橡胶、冰、沙、水、玻璃、肉体等）
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- 自定义材质属性
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- 基础物理属性（摩擦、弹性、密度等）
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- 热力学属性（热导率、比热容等）
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- 电学属性（电导率、介电常数等）
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- 流体属性（粘度、表面张力等）
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- 视觉属性（颜色、粗糙度等）
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- 环境属性（耐候性、腐蚀率等）
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- 特殊属性（易燃性、毒性、放射性）
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- 高级材质功能
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- 热膨胀和相变模拟
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- 环境老化效应（雨水、紫外线、风力等）
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- 疲劳累积和损伤分析
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- 化学反应和腐蚀模拟
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- 流体动力学效应（阻力、升力、浮力）
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- 能量吸收和耗散
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- 失效准则和结构完整性评估
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- 动态摩擦和恢复系数计算
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- 材质交互矩阵
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- 材质状态管理（温度、湿度、磨损、疲劳、污染等）
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- 材质历史记录和统计分析
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- 材质保存和加载
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### 4. 约束和关节
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- 点对点约束
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- 铰链约束
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- 滑动约束
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- 锥形扭转约束
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- 6自由度约束
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- 6自由度弹簧约束
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- 齿轮约束
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- 固定约束
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- 约束组和标签管理
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- 约束马达和弹簧控制
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- 约束限制设置
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- 约束状态监控
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### 5. 车辆系统
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- 底盘和车轮物理
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- 悬挂系统
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- 引擎和刹车控制
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- 转向系统
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- 差速器类型支持
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- 齿轮系统
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- 发动机扭矩曲线
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- 防抱死刹车(ABS)
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- 牵引力控制(TC)
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- 车身稳定控制(ESP)
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- 空气动力学效应
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- 防倾杆系统
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- 车辆损伤系统
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- 燃料系统
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- 性能统计
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### 6. 粒子系统
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- 大量粒子模拟
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- 多种粒子类型（烟雾、火焰、水、碎片、爆炸、火花、气泡、叶子、雪、雨等）
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- 发射器控制
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- 粒子生命周期管理
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- 环境影响（风力、温度等）
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- 特殊效果（涡流等）
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- 粒子子发射器
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- 粒子轨迹和淡出效果
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- 粒子碰撞和死亡回调
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- 爆炸和火焰特效
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### 7. 调试和可视化
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- 碰撞体可视化
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- 约束可视化
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- 接触点可视化
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- 法线可视化
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- 速度和力可视化
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- 坐标轴可视化
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- 质心可视化
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- 休眠状态可视化
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- 粒子轨迹可视化
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- 性能监控面板
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- 调试文本显示
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- 可视化选项控制
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### 8. 实用工具
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- 物理计算工具（质量计算、冲量应用、扭矩计算等）
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- 配置管理器
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- 碰撞组定义
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- 物理常量库
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## 安装和配置
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### 目录结构
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```
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rigid_body_physics/
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├── __init__.py
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├── plugin_manager.py
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├── README.md
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├── core/
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│ ├── physics_world.py
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│ ├── rigid_body.py
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│ └── material.py
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├── constraints/
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│ └── constraint_manager.py
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├── vehicles/
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||
│ └── vehicle_system.py
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||
├── particles/
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||
│ └── particle_system.py
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├── debug/
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||
│ └── debug_tools.py
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||
├── utils/
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||
│ └── physics_utils.py
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└── config/
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└── physics_config.json
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```
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## 快速开始
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### 1. 初始化插件
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```python
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from plugins.user.rigid_body_physics.plugin_manager import RigidBodyPhysicsPlugin
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# 创建物理插件实例
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physics_plugin = RigidBodyPhysicsPlugin(world_node=render)
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```
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### 2. 创建刚体
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||
```python
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# 创建一个盒子形状的动态刚体
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box_body = physics_plugin.create_rigid_body(
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node_path=box_node,
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shape_type='box',
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mass=1.0,
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body_type=RigidBody.DYNAMIC
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)
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# 设置物理属性
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box_body.set_friction(0.5)
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box_body.set_restitution(0.3)
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# 应用力和扭矩
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box_body.apply_force(Vec3(0, 0, 100)) # 向上施加力
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box_body.apply_torque(Vec3(0, 10, 0)) # 绕Y轴施加扭矩
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```
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### 3. 创建约束
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||
```python
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# 创建铰链约束
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hinge_constraint = physics_plugin.create_constraint(
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constraint_type='hinge',
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body_a=body_a,
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body_b=body_b,
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pivot_a=Point3(0, 0, 0),
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pivot_b=Point3(0, 0, 0),
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axis_a=Vec3(0, 0, 1),
|
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axis_b=Vec3(0, 0, 1)
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)
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```
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### 4. 创建车辆
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||
```python
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# 定义车轮配置
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wheel_configs = [
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{
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'connection_point': Point3(-1, 1, 0),
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'wheel_direction': Vec3(0, 0, -1),
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||
'wheel_axle': Vec3(1, 0, 0),
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||
'wheel_radius': 0.3
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},
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# ... 其他车轮配置
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]
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# 创建车辆
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vehicle = physics_plugin.create_vehicle(chassis_body, wheel_configs)
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# 控制车辆
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vehicle.set_steering(0.5) # 转向
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vehicle.set_engine_force(1.0) # 加油
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vehicle.set_brake_force(0.3) # 刹车
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```
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### 5. 创建粒子系统
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||
```python
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# 创建粒子系统
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particle_system = physics_plugin.create_particle_system(max_particles=500)
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# 设置发射器属性
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particle_system.set_emitter_properties(
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position=Point3(0, 0, 5),
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velocity=Vec3(0, 0, 10),
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spread=0.5
|
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)
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# 创建爆炸效果
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particle_system.create_explosion(
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position=Point3(0, 0, 0),
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particle_count=100,
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||
explosion_force=50.0
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||
)
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```
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### 6. 主循环更新
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```python
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def update(task):
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dt = globalClock.getDt()
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physics_plugin.update(dt)
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# 更新车辆
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for vehicle in physics_plugin.vehicles:
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vehicle.update(dt)
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return task.cont
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taskMgr.add(update, "physics_update")
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```
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## 高级功能
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### 材质系统
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```python
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# 使用预定义材质
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concrete_material = physics_plugin.get_predefined_material('concrete')
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# 创建自定义材质
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custom_material = physics_plugin.create_custom_material(
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'my_material',
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{
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'friction': 0.8,
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||
'restitution': 0.2,
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||
'density': 2000.0,
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||
'thermal_conductivity': 2.0,
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'color': Vec4(0.8, 0.6, 0.4, 1.0)
|
||
}
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)
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# 设置材质交互
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custom_material.set_interaction_coefficient('metal', 1.2)
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# 更新材质状态
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custom_material.update_state(
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||
temperature=50.0,
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||
wear=0.1,
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stress=100.0
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)
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```
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### 调试可视化
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```python
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||
# 启用调试可视化
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physics_plugin.enable_debug_visualization(True)
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||
# 设置调试选项
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physics_plugin.set_debug_options(
|
||
show_constraints=True,
|
||
show_aabbs=True,
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||
show_velocities=True,
|
||
show_forces=True
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||
)
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# 性能分析
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profiler = physics_plugin.profiler
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performance_report = profiler.get_performance_report()
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print(f"平均FPS: {performance_report['average_fps']}")
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```
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### 性能监控
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```python
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# 获取性能统计
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stats = physics_plugin.get_performance_stats()
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print(f"平均更新时间: {stats['avg_update_time']}")
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print(f"刚体数量: {stats['objects']['rigid_bodies']}")
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# 获取详细性能分析
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analysis = physics_plugin.profiler.get_performance_analysis()
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||
print(f"性能等级: {analysis['performance_grade']}")
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print(f"瓶颈: {analysis['bottlenecks']}")
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||
print(f"建议: {analysis['recommendations']}")
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```
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## 配置文件
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插件支持通过JSON配置文件进行配置：
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```json
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||
{
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"physics": {
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"gravity": [0, 0, -9.81],
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||
"time_step": 0.016667,
|
||
"solver_iterations": 10,
|
||
"solver_tolerance": 0.001
|
||
},
|
||
"materials": {
|
||
"concrete": {
|
||
"friction": 0.7,
|
||
"restitution": 0.1,
|
||
"density": 2400.0
|
||
}
|
||
},
|
||
"vehicle": {
|
||
"max_engine_force": 3000.0,
|
||
"max_brake_force": 100.0,
|
||
"max_steering": 0.7854
|
||
}
|
||
}
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```
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## API参考
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### RigidBodyPhysicsPlugin类
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#### 构造函数
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```python
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||
RigidBodyPhysicsPlugin(world_node=None, config_file=None)
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```
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#### 主要方法
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- `create_rigid_body(node_path, shape_type, mass, body_type, material)`: 创建刚体
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- `create_constraint(constraint_type, body_a, body_b, **kwargs)`: 创建约束
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||
- `create_vehicle(chassis_body, wheel_configurations)`: 创建车辆
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||
- `create_particle_system(max_particles)`: 创建粒子系统
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- `update(dt)`: 更新物理系统
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- `ray_test(from_pos, to_pos)`: 射线检测
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||
- `get_performance_stats()`: 获取性能统计
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- `enable_debug_visualization(enabled)`: 启用调试可视化
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- `set_debug_options(**kwargs)`: 设置调试选项
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||
- `get_predefined_material(material_name)`: 获取预定义材质
|
||
- `create_custom_material(name, properties)`: 创建自定义材质
|
||
- `set_gravity(gravity)`: 设置重力
|
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- `set_time_step(time_step, max_substeps)`: 设置时间步长
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||
- `get_collision_groups()`: 获取碰撞组工具
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||
- `save_config(config_file)`: 保存配置
|
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- `load_config(config_file)`: 加载配置
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- `clear_all()`: 清除所有物理对象
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- `destroy()`: 销毁物理插件
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### RigidBody类
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||
#### 主要方法
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- `set_friction(friction, static_friction, dynamic_friction)`: 设置摩擦系数
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- `set_restitution(restitution)`: 设置恢复系数
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- `set_damping(linear_damping, angular_damping)`: 设置阻尼
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||
- `set_factors(linear_factor, angular_factor)`: 设置线性和角因子
|
||
- `set_activation_state(active, always_active)`: 设置激活状态
|
||
- `set_sleeping_thresholds(linear_threshold, angular_threshold)`: 设置休眠阈值
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||
- `set_ccd_parameters(motion_threshold, swept_sphere_radius)`: 设置CCD参数
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||
- `apply_force(force, position, duration)`: 应用力
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||
- `apply_torque(torque, duration)`: 应用扭矩
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||
- `apply_impulse(impulse, position, duration)`: 应用冲量
|
||
- `apply_torque_impulse(torque_impulse)`: 应用扭矩冲量
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||
- `get_linear_velocity()`: 获取线性速度
|
||
- `set_linear_velocity(velocity)`: 设置线性速度
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||
- `get_angular_velocity()`: 获取角速度
|
||
- `set_angular_velocity(velocity)`: 设置角速度
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||
- `get_position()`: 获取位置
|
||
- `set_position(position)`: 设置位置
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||
- `get_rotation()`: 获取旋转
|
||
- `set_rotation(rotation)`: 设置旋转
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- `sync_visual_node()`: 同步物理节点和可视化节点
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||
- `get_mass()`: 获取质量
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- `set_mass(mass)`: 设置质量
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- `get_kinetic_energy()`: 计算动能
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- `get_potential_energy(gravity)`: 计算势能
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- `get_total_energy(gravity)`: 计算总能量
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- `set_custom_data(key, value)`: 设置自定义数据
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- `get_custom_data(key, default)`: 获取自定义数据
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- `destroy()`: 销毁刚体
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### PhysicsMaterial类
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#### 主要方法
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- `set_property(property_name, value)`: 设置材质属性
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- `get_property(property_name)`: 获取材质属性
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- `set_friction(friction, static_friction, dynamic_friction)`: 设置摩擦系数
|
||
- `set_restitution(restitution)`: 设置恢复系数
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||
- `set_density(density)`: 设置密度
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||
- `set_color(color)`: 设置颜色
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- `set_thermal_properties(conductivity, specific_heat, expansion)`: 设置热力学属性
|
||
- `set_electrical_properties(conductivity, dielectric, permeability)`: 设置电学属性
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||
- `set_fluid_properties(viscosity, surface_tension, compressibility)`: 设置流体属性
|
||
- `set_visual_properties(roughness, metallic, specular, emissive)`: 设置视觉属性
|
||
- `set_environmental_properties(weather_resistance, corrosion_rate, aging_rate)`: 设置环境属性
|
||
- `set_special_properties(flammability, toxicity, radioactivity)`: 设置特殊属性
|
||
- `update_state(temperature, humidity, wear, contamination, stress, fatigue)`: 更新材质状态
|
||
- `get_effective_friction(other_material, velocity)`: 获取有效摩擦系数
|
||
- `get_effective_restitution(other_material, impact_velocity)`: 获取有效恢复系数
|
||
- `set_interaction_coefficient(other_material_name, coefficient)`: 设置交互系数
|
||
- `apply_to_rigid_body(rigid_body)`: 应用到刚体
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||
- `to_dict()`: 转换为字典
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- `from_dict(data)`: 从字典创建
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- `save_to_file(filepath)`: 保存到文件
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- `load_from_file(filepath)`: 从文件加载
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### ConstraintManager类
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#### 支持的约束类型
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- `CONSTRAINT_POINT2POINT`: 点对点约束
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- `CONSTRAINT_HINGE`: 铰链约束
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- `CONSTRAINT_SLIDER`: 滑动约束
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||
- `CONSTRAINT_CONETWIST`: 锥形扭转约束
|
||
- `CONSTRAINT_6DOF`: 6自由度约束
|
||
- `CONSTRAINT_6DOF_SPRING`: 6自由度弹簧约束
|
||
- `CONSTRAINT_GEAR`: 齿轮约束
|
||
- `CONSTRAINT_FIXED`: 固定约束
|
||
|
||
#### 主要方法
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||
- `create_point2point_constraint(body_a, body_b, pivot_a, pivot_b, ...)`: 创建点对点约束
|
||
- `create_hinge_constraint(body_a, body_b, pivot_a, pivot_b, axis_a, axis_b, ...)`: 创建铰链约束
|
||
- `create_slider_constraint(body_a, body_b, frame_a, frame_b, ...)`: 创建滑动约束
|
||
- `create_cone_twist_constraint(body_a, body_b, frame_a, frame_b, ...)`: 创建锥形扭转约束
|
||
- `create_6dof_constraint(body_a, body_b, frame_a, frame_b, ...)`: 创建6自由度约束
|
||
- `create_6dof_spring_constraint(body_a, body_b, frame_a, frame_b, ...)`: 创建6自由度弹簧约束
|
||
- `create_gear_constraint(body_a, body_b, axis_a, axis_b, ratio)`: 创建齿轮约束
|
||
- `create_fixed_constraint(body_a, body_b, frame_a, frame_b, ...)`: 创建固定约束
|
||
- `set_motor(constraint, axis, target_velocity, max_impulse)`: 设置马达
|
||
- `disable_motor(constraint)`: 禁用马达
|
||
- `set_spring(constraint, axis, stiffness, damping, equilibrium)`: 设置弹簧
|
||
- `disable_spring(constraint, axis)`: 禁用弹簧
|
||
- `set_limit(constraint, axis, lower_limit, upper_limit)`: 设置限制
|
||
- `add_constraint_to_group(constraint, group_name)`: 添加到组
|
||
- `remove_constraint_from_group(constraint, group_name)`: 从组移除
|
||
- `add_constraint_tag(constraint, tag)`: 添加标签
|
||
- `remove_constraint_tag(constraint, tag)`: 移除标签
|
||
- `get_constraints_by_tag(tag)`: 根据标签获取约束
|
||
- `get_constraints_by_group(group_name)`: 根据组获取约束
|
||
- `get_constraint_state(constraint)`: 获取约束状态
|
||
- `get_constraint_statistics()`: 获取约束统计
|
||
|
||
### VehicleSystem类
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||
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||
#### 主要方法
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- `add_wheel(...)`: 添加车轮
|
||
- `set_steering(steering)`: 设置转向
|
||
- `set_engine_force(force)`: 设置引擎力
|
||
- `set_brake_force(force)`: 设置刹车力
|
||
- `set_handbrake_force(force)`: 设置手刹力
|
||
- `shift_up()`: 升档
|
||
- `shift_down()`: 降档
|
||
- `set_gear(gear)`: 设置档位
|
||
- `update(dt)`: 更新车辆
|
||
- `get_current_speed_km_hour()`: 获取当前速度(km/h)
|
||
- `get_wheel_info(wheel_index)`: 获取车轮信息
|
||
- `get_vehicle_state()`: 获取车辆状态
|
||
- `get_engine_torque()`: 获取发动机扭矩
|
||
- `get_engine_power()`: 获取发动机功率
|
||
- `apply_damage(component, amount)`: 应用损伤
|
||
- `repair_component(component, amount)`: 修复组件
|
||
- `refuel(amount)`: 加油
|
||
- `get_performance_stats()`: 获取性能统计
|
||
- `enable_anti_lock_brake(enabled)`: 启用ABS
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||
- `enable_traction_control(enabled)`: 启用牵引力控制
|
||
- `enable_stability_control(enabled)`: 启用车身稳定控制
|
||
- `destroy()`: 销毁车辆
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||
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||
### ParticleSystem类
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||
|
||
#### 主要方法
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- `set_emitter_properties(...)`: 设置发射器属性
|
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- `set_particle_properties(...)`: 设置粒子属性
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- `set_physics_properties(...)`: 设置物理属性
|
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- `set_collision_properties(...)`: 设置碰撞属性
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||
- `set_environmental_effects(...)`: 设置环境影响
|
||
- `set_special_effects(...)`: 设置特殊效果
|
||
- `set_lifetime_behaviors(...)`: 设置生命周期行为
|
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- `set_sub_emitter(...)`: 设置子发射器
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||
- `set_performance_options(...)`: 设置性能选项
|
||
- `set_emission_rate(rate)`: 设置发射速率
|
||
- `set_emission_burst(count, interval)`: 设置爆发发射
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- `emit_particle(position, velocity, lifetime, color)`: 发射粒子
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- `update(dt)`: 更新粒子系统
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- `get_particle_count()`: 获取粒子数量
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- `get_statistics()`: 获取统计信息
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- `clear_particles()`: 清除粒子
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- `pause(paused)`: 暂停/恢复
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- `set_time_scale(scale)`: 设置时间缩放
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- `create_explosion(position, particle_count, explosion_force, ...)`: 创建爆炸
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- `create_fire_effect(position, particle_count, rise_speed, ...)`: 创建火焰
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- `destroy()`: 销毁粒子系统
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### PhysicsWorld类
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#### 主要方法
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- `set_gravity(gravity)`: 设置重力
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- `set_time_step(time_step, max_substeps)`: 设置时间步长
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- `set_solver_parameters(iterations, tolerance)`: 设置求解器参数
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- `set_split_impulse(enable, penetration_threshold)`: 设置分离冲量
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- `set_ccd_parameters(threshold, radius)`: 设置CCD参数
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- `enable_multithreading(enable, thread_count)`: 启用多线程
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- `setup_spatial_partitioning(partition_size)`: 设置空间分区
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- `update(dt)`: 更新物理世界
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- `add_rigid_body(rigid_body)`: 添加刚体
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- `remove_rigid_body(rigid_body)`: 移除刚体
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- `add_constraint(constraint)`: 添加约束
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- `remove_constraint(constraint)`: 移除约束
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- `add_vehicle(vehicle)`: 添加车辆
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- `remove_vehicle(vehicle)`: 移除车辆
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- `add_particle_system(particle_system)`: 添加粒子系统
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- `remove_particle_system(particle_system)`: 移除粒子系统
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- `ray_test(from_pos, to_pos)`: 射线检测
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- `ray_test_all(from_pos, to_pos)`: 射线检测(所有结果)
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- `get_performance_stats()`: 获取性能统计
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- `pause(paused)`: 暂停/恢复
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- `set_time_scale(scale)`: 设置时间缩放
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- `clear()`: 清除所有对象
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- `reset()`: 重置物理世界
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### PhysicsDebug类
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#### 主要方法
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- `enable_debug(enabled)`: 启用/禁用调试
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- `set_debug_options(...)`: 设置调试选项
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- `update_debug_visualization()`: 更新调试可视化
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- `add_contact_point(position, normal, impulse)`: 添加接触点
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- `add_collision_event(body_a, body_b, contact_points)`: 添加碰撞事件
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- `set_line_thickness(thickness)`: 设置线条粗细
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- `set_axis_length(length)`: 设置坐标轴长度
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- `set_velocity_scale(scale)`: 设置速度缩放
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- `set_force_scale(scale)`: 设置力缩放
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- `set_contact_point_size(size)`: 设置接触点大小
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- `set_normal_scale(scale)`: 设置法线缩放
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- `enable_debug_text(enabled)`: 启用/禁用调试文本
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- `enable_stats_display(enabled)`: 启用/禁用统计显示
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- `set_debug_update_frequency(frequency)`: 设置调试更新频率
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- `hide_debug_visualization()`: 隐藏调试可视化
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- `show_debug_visualization()`: 显示调试可视化
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- `destroy()`: 销毁调试工具
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### PhysicsProfiler类
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#### 主要方法
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- `record_frame()`: 记录帧数据
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- `get_average_update_time()`: 获取平均更新时间
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- `get_max_update_time()`: 获取最大更新时间
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- `get_min_update_time()`: 获取最小更新时间
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- `get_average_fps()`: 获取平均FPS
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- `get_object_counts()`: 获取对象数量
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- `get_average_object_counts()`: 获取平均对象数量
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- `get_performance_report()`: 获取性能报告
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- `get_performance_analysis()`: 获取性能分析
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- `reset_statistics()`: 重置统计
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- `export_statistics(filepath)`: 导出统计
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- `destroy()`: 销毁分析器
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## 性能优化建议
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1. **合理设置时间步长**: 过小的时间步长会影响性能，建议在1/60秒左右
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2. **控制刚体数量**: 过多的刚体会影响性能，考虑使用休眠机制和剔除
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3. **使用适当的碰撞形状**: 复杂形状比简单形状消耗更多资源，优先使用基本形状
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4. **启用休眠机制**: 让静止的物体进入休眠状态以节省计算资源
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5. **使用连续碰撞检测**: 对于高速运动的物体启用CCD以避免穿透
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6. **合理设置求解器参数**: 迭代次数和容差影响精度和性能的平衡
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7. **启用调试可视化仅在开发时**: 调试可视化会消耗额外资源
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8. **及时销毁不需要的对象**: 避免内存泄漏
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9. **使用对象池**: 对于频繁创建销毁的对象使用对象池
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10. **空间分区**: 对于大型场景使用空间分区优化碰撞检测
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## 故障排除
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### 常见问题
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1. **刚体穿透**:
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- 检查时间步长是否过小，增加求解器迭代次数
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- 对高速物体启用连续碰撞检测(CCD)
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- 调整碰撞形状边界
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2. **性能问题**:
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- 减少刚体和约束数量
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- 优化碰撞形状复杂度
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- 启用休眠机制
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- 使用空间分区
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- 调整求解器参数
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3. **约束不稳定**:
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- 检查约束参数，适当调整限制范围
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- 增加求解器迭代次数
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- 调整约束的破裂阈值
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4. **车辆控制不自然**:
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- 调整悬挂参数
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- 调整轮胎摩擦系数
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- 调整发动机扭矩曲线
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- 启用或调整ABS、TC等辅助系统
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5. **粒子效果不理想**:
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- 调整发射器参数
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- 调整粒子生命周期参数
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- 调整物理属性（重力、阻力等）
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- 调整环境影响参数
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### 联系支持
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