Simuladores 3D — Guia de Uso
Este guia mostra como usar os três simuladores 3D da lib, desde o
caso mais simples (CartPoleView().run()) até customização de parâmetros físicos.
Cart-Pole
Sistema clássico de controle: um carrinho sobre trilho com um pêndulo invertido articulado. Estado de 4 dimensões, instável no equilíbrio vertical.
from synapsys.viz import CartPoleView
CartPoleView().run()
Parâmetros físicos (valores padrão):
| Parâmetro | Padrão | Descrição |
|---|---|---|
m_c | 1.0 kg | massa do carrinho |
m_p | 0.1 kg | massa do bob |
l | 0.5 m | comprimento da haste |
g | 9.81 m/s² | gravidade |
Estado: x = [posição do carrinho, velocidade, ângulo θ, velocidade angular θ̇]
LQR padrão: Q = diag([1, 0.1, 100, 10]), R = 0.01·I
Estado inicial customizado:
import numpy as np
CartPoleView(x0=np.array([0.0, 0.0, 0.30, 0.0])).run() # ângulo inicial 0.30 rad
O carrinho muda de cor para âmbar ao atingir 72% do trilho e para vermelho em 92%. Ao ultrapassar 92%, a simulação é resetada automaticamente.
Pêndulo Invertido
Pêndulo de 1 elo articulado numa base fixa. O sistema mais simples para testar
controladores — apenas 2 estados, polo instável em +√(g/l).
from synapsys.viz import PendulumView
PendulumView().run()
Parâmetros físicos (valores padrão):
| Parâmetro | Padrão | Descrição |
|---|---|---|
m | 1.0 kg | massa do bob |
l | 1.0 m | comprimento da haste |
g | 9.81 m/s² | gravidade |
b | 0.1 | coeficiente de amortecimento viscoso |
Estado: x = [θ, θ̇]
LQR padrão: Q = diag([80, 5]), R = I
Mass-Spring-Damper
Sistema massa-mola-amortecedor com rastreamento de setpoint. O MSD tem controles extras na barra: botões para selecionar 3 posições de referência (0 m, +1.5 m, −1.5 m) e atalhos de teclado 1/2/3.
from synapsys.viz import MassSpringDamperView
MassSpringDamperView().run()
Parâmetros físicos (valores padrão):
| Parâmetro | Padrão | Descrição |
|---|---|---|
m | 1.0 kg | massa |
c | 0.5 N·s/m | coeficiente de amortecimento |
k | 2.0 N/m | constante da mola |
Estado: x = [q, q̇]
Lei de controle LQR (com feed-forward de setpoint):
u = −K·(x − x_ref) + k·sp
Setpoints disponíveis (teclado):
| Tecla | Setpoint |
|---|---|
1 | 0.0 m |
2 | +1.5 m |
3 | −1.5 m |
Setpoints e estado inicial customizados:
import numpy as np
MassSpringDamperView(
setpoints=[("0", 0.0), ("+2m", 2.0), ("-2m", -2.0)],
x0=np.array([1.0, 0.0]),
).run()
Anatomia da janela
┌──────────────────────────────────────────────────────────────────────┐
│ Título da janela │
├──────────────────────────────┬───────────────────────────────────────┤
│ │ ┌─────────────────────────────────┐ │
│ PyVista 3D │ │ Posição / ângulo │ │
│ • animação física │ ├─────────────────────────────────┤ │
│ • HUD com valores │ │ Velocidade / vel. angular │ │
│ do estado em │ ├─────────────────────────────────┤ │
│ tempo real │ │ Força / torque de controle │ │
│ │ ├─────────────────────────────────┤ │
│ A/D=pert R=reset │ │ Retrato de fase │ │
│ SPACE=pausa Q=fechar │ │ (ponto atual em ciano) │ │
│ │ └─────────────────────────────────┘ │
├──────────────────────────────┴───────────────────────────────────────┤
│ [◀ Perturbar] [──●────── Magnitude: 20 N ──] [Perturbar ▶] │
│ [⏸ Pausa] [↺ Reset] │
├────────────────────── ────────────────────────────────────────────────┤
│ t = 3.42 s | pos = +0.012 m | θ = −0.03° | rodando │
└──────────────────────────────────────────────────────────────────────┘
| Região | O que mostra |
|---|---|
| Painel 3D (esquerda, ~55%) | Cena física animada + HUD de estado + indicações de teclado |
| Painel telemetria (direita, ~45%) | 4 gráficos matplotlib (atualização: CartPole ~17 Hz · Pêndulo/MSD ~20 Hz) |
| Barra de controles (80 px) | Perturbação hold-to-apply + slider + pausa/reset |
| Status bar | Tempo de simulação, variáveis principais, estado (rodando/PAUSADO) |
Gráficos de telemetria por simulador
- Cart-Pole
- Pêndulo
- MSD
| Painel | Conteúdo | Cor |
|---|---|---|
| 1 | Posição x(t) em m (eixo esq.) + Velocidade ẋ(t) em m/s (eixo dir.) | Azul + laranja tracejado |
| 2 | Ângulo da haste θ(t) em graus | Laranja |
| 3 | Força de controle u(t) em N | Vermelho |
| 4 | Retrato de fase (θ vs θ̇) | Violeta + ponto ciano |
| Painel | Conteúdo | Cor |
|---|---|---|
| 1 | Ângulo θ(t) em graus | Azul |
| 2 | Velocidade angular θ̇(t) em °/s | Laranja |
| 3 | Torque de controle τ(t) em N·m | Vermelho |
| 4 | Retrato de fase (θ vs θ̇) | Violeta + ponto ciano |
| Painel | Conteúdo | Cor |
|---|---|---|
| 1 | Posição q(t) com setpoint | Azul + linha verde tracejada |
| 2 | Velocidade q̇(t) em m/s | Laranja |
| 3 | Força de controle u(t) em N | Vermelho |
| 4 | Retrato de fase (q vs q̇) | Violeta + ponto ciano |
Controles de teclado
| Tecla | Ação | Observação |
|---|---|---|
A (hold) | Perturbação negativa | Liberando → perturbação volta a zero |
D (hold) | Perturbação positiva | Liberando → perturbação volta a zero |
R | Reset completo | Volta ao estado inicial, limpa histórico |
Space | Pausa / Retomar | Alterna entre ⏸ e ▶ |
Q / Esc | Fechar janela | Para o timer e fecha o PyVista |
1 / 2 / 3 | Mudar setpoint | Apenas MSD |
Os atalhos funcionam independente de qual painel tem foco (3D ou matplotlib).
Parâmetros físicos customizados
Todos os parâmetros físicos podem ser passados no construtor:
from synapsys.viz import CartPoleView, PendulumView, MassSpringDamperView
# Carrinho pesado, haste longa
CartPoleView(m_c=3.0, m_p=0.5, l=1.0).run()
# Pêndulo curto com amortecimento maior
PendulumView(m=0.5, l=0.6, b=0.3).run()
# Mola mais rígida, amortecimento baixo (subamortecido)
MassSpringDamperView(m=1.0, c=0.1, k=10.0).run()
Ao mudar os parâmetros físicos, o LQR automático é reprojetado internamente via
sim.linearize()— nenhum ajuste manual necessário.
Perturbações
Os botões ◀ Perturbar e Perturbar ▶ aplicam uma força/torque enquanto
o botão está pressionado (hold-to-apply). Ao soltar, a perturbação vai a zero.
Equivalente a segurar A ou D no teclado.
O slider de magnitude define o valor máximo da perturbação. Faixas por simulador:
| Simulador | Faixa | Padrão |
|---|---|---|
| Cart-Pole | 1–80 N | 30 N |
| Pêndulo | 1–40 N·m | 20 N·m |
| MSD | 1–30 N | 15 N |
Paleta de cores
Todos os elementos visuais usam os tokens da paleta canônica.
Ver tokens de cor Dark →
from synapsys.viz.palette import Dark, mpl_theme
mpl_theme() # aplica tema escuro globalmente no matplotlib