MuJoCo 学习笔记：仿真数据类型 mjData
在 MuJoCo 中，mjData 用于存放仿真数据，即给定模型后，当前的状态数据。比如，各个对象的位置、各关节的角度、碰撞信息等等。下面，详细解析 mjData 中各个变量的含义。
1. mjContact
mjContact 是表示碰撞结果的类，其定义如下：
struct mjContact_ { // result of collision detection functions
// contact parameters set by near-phase collision function
mjtNum dist; // distance between nearest points; neg: penetration
mjtNum pos[3]; // position of contact point: midpoint between geoms
mjtNum frame[9]; // normal is in [0-2], points from geom[0] to geom[1]
// contact parameters set by mj_collideGeoms
mjtNum includemargin; // include if dist<includemargin=margin-gap
mjtNum friction[5]; // tangent1, 2, spin, roll1, 2
mjtNum solref[mjNREF]; // constraint solver reference, normal direction
mjtNum solreffriction[mjNREF]; // constraint solver reference, friction directions
mjtNum solimp[mjNIMP]; // constraint solver impedance
// internal storage used by solver
mjtNum mu; // friction of regularized cone, set by mj_makeConstraint
mjtNum H[36]; // cone Hessian, set by mj_constraintUpdate
// contact descriptors set by mj_collideXXX
int dim; // contact space dimensionality: 1, 3, 4 or 6
int geom1; // id of geom 1; deprecated, use geom[0]
int geom2; // id of geom 2; deprecated, use geom[1]
int geom[2]; // geom ids; -1 for flex
int flex[2]; // flex ids; -1 for geom
int elem[2]; // element ids; -1 for geom or flex vertex
int vert[2]; // vertex ids; -1 for geom or flex element
// flag set by mj_setContact or mj_instantiateContact
int exclude; // 0: include, 1: in gap, 2: fused, 3: no dofs
// address computed by mj_instantiateContact
int efc_address; // address in efc; -1: not included
};
typedef struct mjContact_ mjContact;
其中，dist 是碰撞深度/距离，即 A、B 两物体之间最近的距离；pos[3] 是碰撞点，是 A、B 两物体相交处的中点；frame[9] 则依次存放了法向量，A 上的碰撞点，B 上的碰撞点。这部分信息的示意图如下：
（待补充）
includemargin 是 *** 某边界信息 *** ；friction[5] 是摩擦信息，包括了 tangent，spin，roll，具体入下示意图：
（待补充）
solref[mjNREF] 是 **** ；solreffriction[mjNREF] 是 **** ；solimp[mjNIMP] 是 *** ；
mu 是 *** ；H[36] 是 **** 。具体理论推导如下：
（待补充）
dim 是碰撞空间维度（1，3， 4，or 6），具体含义是***；
geom1 是物体 A 的编号；geom2 是物体 B 的编号。（注：这两个变量已 deprecated，推荐使用 geom[2]）。
geom[2] 里面存放了物体 A 和 B 的编号，如果值是 -1，则意味着该物体时 flex；flex[2] 里存放了物体 A 和 B 的编号，如果值是 -1，则意味着该物体是 geom；elem[2] 里存放了单元的编号，如果值是 -1，则意味着是顶点；vert[2] 里存放了顶点的编号，如果值是 -1，则意味着是单元。举个例子， ***。
exclude 表示 ***；
efc_address 表示 ***；
2. mjSolverStat
mjSolverStat 是表示求解器状态的类，其定义如下：
struct mjSolverStat_ { // per-iteration solver statistics
mjtNum improvement; // cost reduction, scaled by 1/trace(M(qpos0))
mjtNum gradient; // gradient norm (primal only, scaled)
mjtNum lineslope; // slope in linesearch
int nactive; // number of active constraints
int nchange; // number of constraint state changes
int neval; // number of cost evaluations in line search
int nupdate; // number of Cholesky updates in line search
};
typedef struct mjSolverStat_ mjSolverStat;
其中，improvement 表示 *** ；gradient 表示 *** ；lineslope 表示 *** ；
nactivate 表示当前激活的约束数量；nchange 表示当前状态发生变化的约束的数量，（注：状态发生变化指的是 *** ）；neval 表示 *** ；nupdate 表示 *** ；
3. mjData
mjData 是表示仿真数据的类，其中，比较基础的数据有输入/输出相关的、位置相关、位置-速度相关、位置-速度-控制/加速度相关、arena-allocated 等。下面分别介绍：
3.1 main inputs and outputs of the computation
这部分数据如下定义：
//-------------------- main inputs and outputs of the computation
// state
mjtNum* qpos; // position (nq x 1)
mjtNum* qvel; // velocity (nv x 1)
mjtNum* act; // actuator activation (na x 1)
mjtNum* qacc_warmstart; // acceleration used for warmstart (nv x 1)
mjtNum* plugin_state; // plugin state (npluginstate x 1)
// control
mjtNum* ctrl; // control (nu x 1)
mjtNum* qfrc_applied; // applied generalized force (nv x 1)
mjtNum* xfrc_applied; // applied Cartesian force/torque (nbody x 6)
mjtByte* eq_active; // enable/disable constraints (neq x 1)
// mocap data
mjtNum* mocap_pos; // positions of mocap bodies (nmocap x 3)
mjtNum* mocap_quat; // orientations of mocap bodies (nmocap x 4)
// dynamics
mjtNum* qacc; // acceleration (nv x 1)
mjtNum* act_dot; // time-derivative of actuator activation (na x 1)
// user data
mjtNum* userdata; // user data, not touched by engine (nuserdata x 1)
// sensors
mjtNum* sensordata; // sensor data array (nsensordata x 1)
// plugins
int* plugin; // copy of m->plugin, required for deletion (nplugin x 1)
uintptr_t* plugin_data; // pointer to plugin-managed data structure (nplugin x 1)
其中，qpos 是所有物体的位置数据；qvel 是所有对象的速度数据；act 是所有驱动器（actuator activation）的激活数据；qacc_warmstart 是 *** ；plugin_state 是插件的状态。注：插件的状态指的是 *** 。
ctrl 是控制相关的数据，用于 *** ；qfrc_applied 是施加在物体上的力， *** 坐标系下，例如 *** ；xfrc_applied 是施加在物体上的力/力矩，Cartesian 坐标系下；eq_activate 是所有 equal constriant 的开启/禁用标志位，这里设置标志位的作用是 *** 。
mocap_pos 是 mocap 对象的位置，即 *** ；mocap_quat 是 mocap 对象的位姿；（注：mocap 指的是 *** ）
qacc 是物体的加速度；act_dot 是驱动器激活数据对时间的导数（类似于加速度），这项数据主要用于 *** 。
userdata 用户数据，一般可以用来 *** 。
sensordata 传感器数据，例如 *** ，一般是用来 *** 。
plugin 插件的指针，貌似是为了释放内存的；plugin_data 指向插件管理的数据地址；
3.2 POSITION dependent
位置相关的数据，其定义如下：
//-------------------- POSITION dependent
// computed by mj_fwdPosition/mj_kinematics
mjtNum* xpos; // Cartesian position of body frame (nbody x 3)
mjtNum* xquat; // Cartesian orientation of body frame (nbody x 4)
mjtNum* xmat; // Cartesian orientation of body frame (nbody x 9)
mjtNum* xipos; // Cartesian position of body com (nbody x 3)
mjtNum* ximat; // Cartesian orientation of body inertia (nbody x 9)
mjtNum* xanchor; // Cartesian position of joint anchor (njnt x 3)
mjtNum* xaxis; // Cartesian joint axis (njnt x 3)
mjtNum* geom_xpos; // Cartesian geom position (ngeom x 3)
mjtNum* geom_xmat; // Cartesian geom orientation (ngeom x 9)
mjtNum* site_xpos; // Cartesian site position (nsite x 3)
mjtNum* site_xmat; // Cartesian site orientation (nsite x 9)
mjtNum* cam_xpos; // Cartesian camera position (ncam x 3)
mjtNum* cam_xmat; // Cartesian camera orientation (ncam x 9)
mjtNum* light_xpos; // Cartesian light position (nlight x 3)
mjtNum* light_xdir; // Cartesian light direction (nlight x 3)
// computed by mj_fwdPosition/mj_comPos
mjtNum* subtree_com; // center of mass of each subtree (nbody x 3)
mjtNum* cdof; // com-based motion axis of each dof (rot:lin) (nv x 6)
mjtNum* cinert; // com-based body inertia and mass (nbody x 10)
// computed by mj_fwdPosition/mj_flex
mjtNum* flexvert_xpos; // Cartesian flex vertex positions (nflexvert x 3)
mjtNum* flexelem_aabb; // flex element bounding boxes (center, size) (nflexelem x 6)
int* flexedge_J_rownnz; // number of non-zeros in Jacobian row (nflexedge x 1)
int* flexedge_J_rowadr; // row start address in colind array (nflexedge x 1)
int* flexedge_J_colind; // column indices in sparse Jacobian (nflexedge x nv)
mjtNum* flexedge_J; // flex edge Jacobian (nflexedge x nv)
mjtNum* flexedge_length; // flex edge lengths (nflexedge x 1)
// computed by mj_fwdPosition/mj_tendon
int* ten_wrapadr; // start address of tendon's path (ntendon x 1)
int* ten_wrapnum; // number of wrap points in path (ntendon x 1)
int* ten_J_rownnz; // number of non-zeros in Jacobian row (ntendon x 1)
int* ten_J_rowadr; // row start address in colind array (ntendon x 1)
int* ten_J_colind; // column indices in sparse Jacobian (ntendon x nv)
mjtNum* ten_J; // tendon Jacobian (ntendon x nv)
mjtNum* ten_length; // tendon lengths (ntendon x 1)
int* wrap_obj; // geom id; -1: site; -2: pulley (nwrap*2 x 1)
mjtNum* wrap_xpos; // Cartesian 3D points in all path (nwrap*2 x 3)
// computed by mj_fwdPosition/mj_transmission
mjtNum* actuator_length; // actuator lengths (nu x 1)
mjtNum* actuator_moment; // actuator moments (nu x nv)
// computed by mj_fwdPosition/mj_crb
mjtNum* crb; // com-based composite inertia and mass (nbody x 10)
mjtNum* qM; // total inertia (sparse) (nM x 1)
// computed by mj_fwdPosition/mj_factorM
mjtNum* qLD; // L'*D*L factorization of M (sparse) (nM x 1)
mjtNum* qLDiagInv; // 1/diag(D) (nv x 1)
mjtNum* qLDiagSqrtInv; // 1/sqrt(diag(D)) (nv x 1)
// computed by mj_collisionTree
mjtNum* bvh_aabb_dyn; // global bounding box (center, size) (nbvhdynamic x 6)
mjtByte* bvh_active; // was bounding volume checked for collision (nbvh x 1)
