ہفتہ 7: روبوٹکس کے لئے یونٹی

Unity for Robotics

کیوں روبوٹکس کے لئے یونٹی؟

جبکہ Gazebo ROS2 انضمام میں بہتر ہے، یونٹی یہ فراہم کرتا ہے:

فوٹو ریلسٹک رینڈرنگ: وژن-بیسڈ پالیسیز اور سیم-ٹو-ریل ٹرانسفر کے لئے ضروری
NVIDIA PhysX: GPU ایکسلریشن کے ساتھ ہائی-پرفارمنس فزکس
ML-Agents انضمام: بلٹ ان ریفورسمنٹ لرننگ فریم ورک
VR/AR سپورٹ: انسان-روبوٹ انٹرایکشن سٹڈیز اور ٹیلی آپریشن

یونٹی روبوٹکس ہب یونٹی کو TCP کے ذریعے ROS2 سے جوڑتا ہے، بے داغ انضمام کو فعال کرتا ہے۔

انسٹالیشن اور سیٹ اپ

# ضروریات: یونٹی 2021.3 LTS یا بعد کا ورژن
# یونٹی ہب https://unity.com/download سے ڈاؤن لوڈ کریں

# یونٹی میں یونٹی روبوٹکس ہب پیکجز انسٹال کریں:
# 1. یونٹی ایڈیٹر کھولیں
# 2. ونڈو → پیکج مینیجر → گٹ URL سے پیکج شامل کریں:
#    - com.unity.robotics.urdf-importer
#    - com.unity.robotics.ros-tcp-connector

# ROS2 سائیڈ انسٹال کریں (ROS-TCP-Endpoint)
cd ~/ros2_ws/src
git clone https://github.com/Unity-Technologies/ROS-TCP-Endpoint.git
cd ~/ros2_ws
colcon build --packages-select ros_tcp_endpoint
source install/setup.bash

# ROS2 اینڈ پوائنٹ (بریج) لانچ کریں
ros2 run ros_tcp_endpoint default_server_endpoint --ros-args -p ROS_IP:=127.0.0.1

URDF امپورٹر: ROS سے یونٹی تک

یونٹی articulation bodies (PhysX خصوصیت) کا استعمال کرتا ہے ملٹی-بodies ڈائنامکس کے لئے۔ URDF امپورٹر ROS روبوٹ کی وضاحت کو یونٹی GameObjects میں تبدیل کرتا ہے۔

ورک فلو:

ROS2 ورک سپیس سے URDF ایکسپورٹ کریں (مثال: TurtleBot3)

# URDF فائل تلاش کریں
find ~/ros2_ws/src -name "*.urdf"
# مثال: ~/ros2_ws/src/turtlebot3/turtlebot3_description/urdf/turtlebot3_waffle.urdf

یونٹی میں امپورٹ کریں:
- Assets → Import Robot from URDF
- .urdf فائل منتخب کریں
- امپورٹ سیٹنگز منتخب کریں:
  - Mesh Decomposition: Convex hull (تیز کولیژن)
  - Axis Type: Y-Up (یونٹی کنونشن)
  - Articulation Body: فعال
نتیجہ: GameObject ہائیرارکی کے ساتھ:
- ArticulationBody کمپونینٹس (جوائنٹس)
- MeshRenderer (وژوئل)
- MeshCollider (کولیژن)

مثال: URDF میں سادہ 2-DOF بازو:

<!-- two_dof_arm.urdf -->
<robot name="simple_arm">
  <link name="base_link">
    <visual>
      <geometry><box size="0.1 0.1 0.2"/></geometry>
      <material name="blue"><color rgba="0 0 1 1"/></material>
    </visual>
    <collision>
      <geometry><box size="0.1 0.1 0.2"/></geometry>
    </collision>
    <inertial>
      <mass value="2.0"/>
      <inertia ixx="0.01" ixy="0" ixz="0" iyy="0.01" iyz="0" izz="0.005"/>
    </inertial>
  </link>

  <joint name="shoulder_joint" type="revolute">
    <parent link="base_link"/>
    <child link="upper_arm"/>
    <origin xyz="0 0 0.1" rpy="0 0 0"/>
    <axis xyz="0 0 1"/> <!-- Z کے گرد گھومیں -->
    <limit lower="-1.57" upper="1.57" effort="10" velocity="2.0"/>
  </joint>

  <link name="upper_arm">
    <visual>
      <geometry><cylinder radius="0.05" length="0.3"/></geometry>
      <material name="red"><color rgba="1 0 0 1"/></material>
    </visual>
    <collision>
      <geometry><cylinder radius="0.05" length="0.3"/></geometry>
    </collision>
    <inertial>
      <mass value="1.0"/>
      <inertia ixx="0.008" ixy="0" ixz="0" iyy="0.008" iyz="0" izz="0.001"/>
    </inertial>
  </link>
</robot>

امپورٹ کے بعد، یونٹی تخلیق کرتا ہے:

base_link (GameObject کے ساتھ ArticulationBody، غیر متحرک اینکر)
upper_arm (بچہ GameObject، ArticulationBody کے ساتھ revolute جوائنٹ)

Articulation Bodies: یونٹی کا ملٹی-بodies فزکس

ArticulationBody یونٹی کا حل ہے روبوٹک چینز کے لئے (legacy ConfigurableJoint کی جگہ)۔ کلیدی خصوصیات:

// C# اسکرپٹ جوائنٹ کنٹرول کے لئے (upper_arm GameObject سے منسلک کریں)
using UnityEngine;

public class JointController : MonoBehaviour
{
    private ArticulationBody articulationBody;

    void Start()
    {
        articulationBody = GetComponent<ArticulationBody>();

        // جوائنٹ ڈرائی کنفیگر کریں (PD کنٹرولر)
        var drive = articulationBody.xDrive;
        drive.stiffness = 1000f;  // P گین (پوزیشن کنٹرول)
        drive.damping = 100f;     // D گین (ولوسٹی ڈیمپنگ)
        drive.forceLimit = 10f;   // زیادہ سے زیادہ ٹورک (10 Nm)
        articulationBody.xDrive = drive;
    }

    void Update()
    {
        // ہدف پوزیشن سیٹ کریں (ڈگریز میں)
        float targetAngle = Mathf.Sin(Time.time) * 90f; // ±90° اوسیلیٹ

        var drive = articulationBody.xDrive;
        drive.target = targetAngle;
        articulationBody.xDrive = drive;

        // موجودہ جوائنٹ اسٹیٹ پڑھیں
        float currentAngle = articulationBody.jointPosition[0] * Mathf.Rad2Deg;
        float currentVelocity = articulationBody.jointVelocity[0];

        Debug.Log($"Joint Angle: {currentAngle:F2}°, Velocity: {currentVelocity:F2} rad/s");
    }
}

Gazebo سے کلیدی فرق: یونٹی ضمنی سپرنگ-ڈیمپر ڈرائیز (بلٹ ان PD کنٹرول) استعمال کرتا ہے، جبکہ Gazebo پلگ انز کے ذریعے بیرونی کنٹرولرز کی ضرورت ہوتی ہے۔

PhysX انجن کنفیگریشن

یونٹی کا PhysX مستحکم ہیومنوائڈ سیمولیشن کے لئے ٹیوننگ کی ضرورت ہوتی ہے۔

Project Settings → Physics:

// رن ٹائم پر فزکس کنفیگر کرنے کے لئے اسکرپٹ (خالی GameObject سے منسلک کریں)
using UnityEngine;

public class PhysicsConfig : MonoBehaviour
{
    void Start()
    {
        // عالمی فزکس سیٹنگز
        Physics.gravity = new Vector3(0, -9.81f, 0); // زمین کی گریویٹی
        Physics.defaultSolverIterations = 12;        // زیادہ = زیادہ مستحکم جوائنٹس
        Physics.defaultSolverVelocityIterations = 8; // ولوسٹی کنٹرینٹ اٹریشنز

        // ٹائم سیٹنگز (فزکس کے لئے فکسڈ ٹائم سٹیپ)
        Time.fixedDeltaTime = 0.01f; // 100 Hz فزکس اپ ڈیٹ (0.01s)

        // Articulation-مخصوص سیٹنگز
        Physics.ArticulationSolverIterations = 16; // ہیومنوائڈ استحکام کے لئے اہم
        Physics.ArticulationSolverVelocityIterations = 4;
    }
}

استحکام ٹِپس:

Solver Iterations: ہیومنوائڈز کے لئے 16-24 تک بڑھائیں (ڈیفالٹ 6 بہت کم ہے)
Fixed Timestep: 0.01s (100Hz) پر رکھیں یا ملٹی-بodies استحکام کے لئے کم
Continuous Collision Detection: فاسٹ-موونگ لنکس پر فعال کریں (سوئنگ فیز کے دوران فُٹس)

ROS2 انضمام: جوائنٹ اسٹیٹس شائع کرنا

یونٹی → ROS2 رابطہ:

// ROS2 میں جوائنٹ اسٹیٹس شائع کریں (ROS-TCP-Connector کی ضرورت ہے)
using UnityEngine;
using Unity.Robotics.ROSTCPConnector;
using RosMessageTypes.Sensor;

public class JointStatePublisher : MonoBehaviour
{
    private ROSConnection ros;
    private ArticulationBody[] joints;
    private float publishInterval = 0.1f; // 10 Hz
    private float timer = 0f;

    void Start()
    {
        // ROS سے منسلک ہوں
        ros = ROSConnection.GetOrCreateInstance();
        ros.RegisterPublisher<JointStateMsg>("/joint_states");

        // روبوٹ میں تمام articulation bodies تلاش کریں
        joints = GetComponentsInChildren<ArticulationBody>();
    }

    void FixedUpdate()
    {
        timer += Time.fixedDeltaTime;

        if (timer >= publishInterval)
        {
            timer = 0f;
            PublishJointStates();
        }
    }

    void PublishJointStates()
    {
        var msg = new JointStateMsg
        {
            header = new RosMessageTypes.Std.HeaderMsg
            {
                stamp = new RosMessageTypes.Std.TimeMsg
                {
                    sec = (int)Time.time,
                    nanosec = (uint)((Time.time % 1) * 1e9)
                }
            },
            name = new string[joints.Length],
            position = new double[joints.Length],
            velocity = new double[joints.Length],
            effort = new double[joints.Length]
        };

        for (int i = 0; i < joints.Length; i++)
        {
            msg.name[i] = joints[i].name;
            msg.position[i] = joints[i].jointPosition[0]; // ریڈینز
            msg.velocity[i] = joints[i].jointVelocity[0]; // Rad/s
            msg.effort[i] = joints[i].jointForce[0];      // ٹورک (Nm)
        }

        ros.Publish("/joint_states", msg);
    }
}

ROS2 سبسکرائبر (ڈیٹا کی تصدیق):

ros2 topic echo /joint_states

یونٹی ML-Agents ریفورسمنٹ لرننگ کے لئے

یونٹی کا ML-Agents فریم ورک پالیسیز کو براہ راست یونٹی میں تربیت دینے کی اجازت دیتا ہے (Isaac Gym کے متبادل کے طور پر)۔

فوری شروع:

using Unity.MLAgents;
using Unity.MLAgents.Actuators;
using Unity.MLAgents.Sensors;

public class HumanoidAgent : Agent
{
    private ArticulationBody[] joints;

    public override void Initialize()
    {
        joints = GetComponentsInChildren<ArticulationBody>();
    }

    // مشاہدات: جوائنٹ پوزیشنز + رفتاریں
    public override void CollectObservations(VectorSensor sensor)
    {
        foreach (var joint in joints)
        {
            sensor.AddObservation(joint.jointPosition[0]); // پوزیشن
            sensor.AddObservation(joint.jointVelocity[0]); // رفتار
        }
    }

    // ایکشنز: ہدف جوائنٹ اینگلز
    public override void OnActionReceived(ActionBuffers actions)
    {
        for (int i = 0; i < joints.Length; i++)
        {
            var drive = joints[i].xDrive;
            drive.target = actions.ContinuousActions[i] * 90f; // ±90° رینج
            joints[i].xDrive = drive;
        }
    }

    // انعام: کھڑے ہونے کی حیثیت
    public void FixedUpdate()
    {
        float uprightBonus = transform.up.y; // 1.0 اگر مکمل طور پر عمودی
        AddReward(uprightBonus * 0.01f); // ہر اسٹیپ پر چھوٹا انعام

        if (transform.position.y < 0.5f) // گر گیا
        {
            SetReward(-1f);
            EndEpisode();
        }
    }
}

ٹریننگ: PPO الگوری دھم کے ساتھ mlagents-learn (پائیتھن پیکج) استعمال کریں۔

ورزش: ہیومنوائڈ URDF کو یونٹی میں امپورٹ کریں۔ C# اسکرپٹ تخلیق کریں جو سائنسوڈل جوائنٹ کمانڈز لگاتا ہے تاکہ روبوٹ ایک بازو کو ہلاتا ہے۔ ROS2 میں جوائنٹ اسٹیٹس شائع کریں اور RViz میں وژوئلائز کریں۔

اگلا: ہفتہ 7 - حسب ضرورت دنیا تخلیق کرنا - زمینیں، رکاوٹیں، اور حقیقی ماحول۔

کیوں روبوٹکس کے لئے یونٹی؟​

انسٹالیشن اور سیٹ اپ​

URDF امپورٹر: ROS سے یونٹی تک​

Articulation Bodies: یونٹی کا ملٹی-بodies فزکس​

PhysX انجن کنفیگریشن​

ROS2 انضمام: جوائنٹ اسٹیٹس شائع کرنا​

یونٹی ML-Agents ریفورسمنٹ لرننگ کے لئے​