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Tracking 部分整体框架

本文里的命令默认使用 PC 根目录环境。

本文总结当前 sim2real 仓库里 tracking 推理链路的代码组织方式。分析入口是：

uv run sim2real/rl_policy/tracking.py --robot_config ./config/robot/g1.yaml --policy_config checkpoints/lafan-aa/policy-ec592bb4_lafan_100style_student-5000.yaml
uv run sim2real/sim_env/base_sim.py --robot_config config/robot/g1.yaml --scene_config config/scene/g1_29dof_rubberhand.yaml

核心结论很简单：当前 tracking 是一个“策略进程 + 底层桥接进程”的双进程结构。策略侧只关心低层状态、参考动作序列和 ONNX 推理；仿真侧或实机侧只负责把统一的 low_state / low_cmd ZMQ 接口接到底层执行器。

1. 两个入口分别做什么​

sim2real/rl_policy/tracking.py​

  • 读取 robot_config 和 policy_config。
  • 根据 policy_config 推导 ONNX 模型路径。
  • 创建 Tracking 对象并调用 run()。
  • Tracking 本身很薄，只是在 BasePolicy 上额外加了一个 paused 开关，支持空格键或手柄 B 键暂停/继续参考动作播放。
  • tracking.py 还支持 --onnx_provider cpu|gpu，用于切换 ONNX Runtime 执行后端；要真正跑到 GPU，环境里必须有 CUDAExecutionProvider。

也就是说，tracking 的主要逻辑并不在 tracking.py，而在 sim2real/rl_policy/base_policy.py、sim2real/rl_policy/utils/state_processor.py 和 sim2real/sim2real/rl_policy/observations/*。

sim2real/sim_env/base_sim.py​

  • 读取 robot_config 和 scene_config。
  • 加载 MuJoCo 场景，创建 viewer。
  • 创建 SimulationBridge，把 MuJoCo 状态发布成统一的 low_state，并从统一的 low_cmd 里取关节目标。
  • 以固定仿真步长循环：
    • 发布低层状态
    • 计算 PD + 前馈力矩
    • 写入 mj_data.ctrl
    • 执行 mujoco.mj_step

因此，base_sim.py 并不知道 tracking 是什么任务，它只实现统一的机器人底层接口。

2. 总体数据流​

tracking 主链路可以概括成下面这条：

MuJoCo / Real Robot
    -> low_state (ZMQ)
    -> StateProcessor
    -> Observation update / compute
    -> obs_dict
    -> ONNX policy
    -> action
    -> q_target
    -> low_cmd (ZMQ)
    -> SimulationBridge / RealBridge
    -> PD torque
    -> MuJoCo / Real Robot

其中有两条并行输入：

  1. 机器人当前状态

    • 来自 low_state
    • 包含 base quaternion、base gyro、joint pos、joint vel、joint torque

  2. 参考 tracking 轨迹

    • 来自 motion.npz + meta.json
    • 在推理侧由 MotionDataset 读入并缓存
    • 由 track.py 中的观测类切成未来多帧参考量

3. 策略侧框架​

3.1 BasePolicy 是真正的推理主循环​

Tracking 继承自 BasePolicy，而 BasePolicy 负责以下几件事：

  1. 初始化状态读入

    • StateProcessor(robot_config) 负责订阅 low_state

  2. 初始化命令发送

    • CommandSender(robot_config, policy_config) 负责发布 low_cmd

  3. 解析策略配置

    • 读取 joint_names_simulation
    • 读取 policy_joint_names
    • 根据 default_joint_pos 和 action_scale 把策略输出映射成实际关节目标

  4. 加载 ONNX 策略

    • setup_policy() 内部通过 ONNXModule 调用 onnxruntime
    • ONNX 输出里的 next_* 状态会被写回 state_dict，因此它支持带隐状态的策略

  5. 构建观测系统

    • setup_observations(policy_config["observation"])
    • 按配置生成多个 observation group

  6. 以固定 rl_rate 运行 _rl_step_scheduled()

3.2 一次 RL step 在做什么​

每个控制周期大致分成四段：

  1. 读取底层状态

    • state_processor._prepare_low_state()
    • 从 low_state socket 中取最新一帧，写入 root_quat_w、root_ang_vel_b、joint_pos、joint_vel

  2. 更新观测

    • self.update()
    • 依次调用 state_processor.update() 和所有 observation 的 update()
    • 然后 prepare_obs_for_rl() 把各个 observation group 拼成 ONNX 输入

  3. 跑 ONNX 策略

    • action, q_target, self.state_dict = self.policy(self.state_dict)
    • action 是策略输出
    • q_target = default_dof_angles + action * action_scale

  4. 规则式控制流收尾

    • 若处于 get_ready_state，则插值回默认站姿
    • 若未启用策略，则直接把当前关节角发回去，相当于“保持当前位置”
    • 否则发送策略生成的 q_target

最终统一通过：

self.command_sender.send_command(cmd_q, cmd_dq, cmd_tau)

发给下游 bridge。

3.3 运行时状态机和按键​

当前策略侧实际上有三个常用运行状态：

  1. use_policy_action = False

    • 不使用策略输出
    • 直接把当前关节角发回去，机器人保持当前位置

  2. get_ready_state = True

    • 从当前姿态插值回 default_joint_pos

  3. use_policy_action = True

    • 使用策略输出的 q_target

对于 tracking，另外还有一个独立的 paused 标志控制参考轨迹是否前进：

  • ]

    • 启用策略
    • 调用 reset()
    • reset() 会把 paused=True

  • space

    • 仅在 Tracking 中额外定义
    • 用来切换 paused

  • o

    • 停止使用策略

  • i

    • 回默认站姿

所以从当前代码行为看，tracking 不是按下 ] 就立即开始“播放整段参考轨迹”，而是会先 reset 到第 0 帧并进入 pause；之后再通过空格切换参考轨迹播放。

4. tracking 特有部分：参考动作是怎么接进来的​

tracking 和普通速度跟踪、站立控制的最大区别，在于策略不仅看“机器人当前状态”，还看“未来若干帧参考动作”。

4.1 参考动作由 StateProcessor 统一管理​

StateProcessor 除了订阅 low_state，还额外承担 motion source manager 的角色。现在它支持两种后端：

  1. 离线 motion.npz

    • 第一次调用 register_motion_request(...) 时加载 MotionDataset
    • update(...) 里按 50 Hz 推进 motion_t
    • get_motion_packet(name) 返回当前 motion_t 对应的未来帧切片

  2. 实时 VR teleop

    • 第一次调用 register_motion_request(...) 时创建 RealtimeMotionBuffer
    • 后台线程持续订阅 pico_g1_zmq_publisher.py 发出的 ZMQ motion 流
    • get_motion_packet(name) 按“当前时间减去 delay”对齐时间轴，再对 observation 需要的 future_steps 做插值

不管底层是离线文件还是实时流，对 observation 暴露的都是同一个 MotionData 接口。这意味着：motion 数据不是每个 observation 各自去读，而是集中到 StateProcessor 中统一加载或订阅，再切片多次。

4.2 MotionDataset 的职责​

sim2real/rl_policy/utils/motion.py 负责把参考动作文件整理成统一格式：

  • 从 meta.json 读取 body_names、joint_names、fps
  • 读取 motion.npz
  • 必要时插值到 50 Hz
  • 把 joint 顺序重排到“Unitree 通用顺序优先，其余关节追加在后面”
  • 支持 get_slice(motion_ids, starts, steps) 取某一时刻周围的多帧数据

当前实现有一个重要约束：

  • register_motion_request() 中显式要求 num_motions == 1
  • 也就是当前 tracking 推理默认只支持单条参考动作序列，而不是运行时切换多段 motion

4.3 实时 RealtimeMotionBuffer 的职责​

sim2real/rl_policy/utils/motion_buffer.py 负责把 publisher 发来的实时 motion 数据整理成和离线 MotionDataset 一致的 MotionData 结构。

发布端当前会发出：

  • smplx_t_ns
    • retarget 之前收到这帧原始 SMPL-X body 数据的时间戳
  • joint_pos
  • body_pos_w
  • body_quat_w
  • 以及兼容用的 qpos/root_pos/root_quat/dof_pos

实时 buffer 的核心逻辑是：

  1. 按 smplx_t_ns 建立时间轴

    • 不是按“subscriber 收到包的时刻”建轴

  2. 维护一个有冗余的时间缓存

    • 默认 delay 逻辑是：
    • max(future_steps) * motion_dt_s + motion_tolerance_s
    • 对 50 Hz、未来 16 step、默认容错 40 ms 来说，就是 16 * 20ms + 40ms = 360ms

  3. 当当前时间是 t 时

    • 先取 t - delay 作为参考的 step 0
    • 再根据 observation 里的 future_steps，例如 [-4, -2, 0, 1, 2, 3, 4, 8, 16]
    • 推出真正要采样的一组目标时间戳

  4. 对这些目标时间戳做插值

    • pos 用 lerp
    • quat 用 slerp

  5. 删除不可能再被用到的旧帧

    • 也就是时间戳早于 t - delay - abs(min(future_steps)) * dt 的数据

所以从策略视角看：

  • policy 在控制时刻 t 看到的参考 motion，本质上是“以 t - delay 为中心对齐后”的未来片段
  • 这正好对应你说的“为了拿到未来 16 step，实际用的是更早一段时间已经积累好的 motion buffer”

4.4 track.py 里的 observation 是参考动作编码器​

sim2real/rl_policy/observations/track.py 中的 _motion_obs 是所有 tracking reference observation 的基类。它会：

  • 在初始化时向 StateProcessor 注册 motion 需求
  • 在 reset() / update() 时从缓存中取对应 slice
  • 把 joint/body/root/anchor 的多帧参考数据挂到自身字段上

当前 policy-tstz89tc-final.yaml 里，tracking 主要用了三类参考量：

  1. ref_body_pos_future_local

    • 把未来 body 位置变换到参考 anchor 的局部坐标系
    • 当前 anchor 是 torso_link

  2. ref_joint_pos_future

    • 直接提供未来多帧参考关节角

  3. ref_root_ori_future_b

    • 提供未来 root 姿态，但会先在 reset 时根据机器人当前朝向和参考轨迹初始朝向求一个 yaw 对齐偏移
    • 这样策略看到的是“对齐到当前机器人朝向后”的未来 root 朝向

这部分本质上是在做“参考轨迹编码”，把 motion 数据变成策略能消费的 command 类输入。

4.5 VR teleop 模式怎么接进来​

现在 tracking observation 可以在原有 motion_path 方案之外，显式改成 zmq backend。这个切换不需要改 policy yaml，直接在启动 policy 时传参数覆盖即可，例如：

uv run sim2real/rl_policy/tracking.py \
  --robot_config ./config/robot/g1.yaml \
  --policy_config checkpoints/lafan-aa/policy-ec592bb4_lafan_100style_student-5000.yaml \
  --motion_backend zmq \
  --motion_zmq_connect tcp://127.0.0.1:28701 \
  --motion_zmq_topic g1 \
  --motion_zmq_hwm 1

其中：

  • motion_backend=zmq
    • 告诉 StateProcessor 不再去读 motion.npz
  • motion_zmq_connect
    • 对应 pico_g1_zmq_publisher.py 的 ZMQ 地址
  • motion_zmq_topic
    • 订阅 publisher 发出的 topic
  • motion_dt_s
    • tracking policy 的参考 motion 时间步长，当前通常是 0.02
  • motion_tolerance_s
    • 给 retarget / 网络抖动预留的 buffer 冗余，默认 0.04
    • 由 RealtimeMotionBuffer 内部自动推导，不再显式传参

因此，VR teleop 链路变成：

PICO / XRoboToolkit
    -> XRobotStreamer
    -> GMR retarget
    -> MuJoCo forward
    -> ZMQ motion stream
    -> StateProcessor / RealtimeMotionBuffer
    -> tracking observations
    -> policy

5. observation 系统的组织方式​

当前 observation 是“注册表 + 配置驱动”的结构。

5.1 注册机制​

所有 observation 类继承自 Observation。子类定义后会自动注册到 Observation.registry。

因此，BasePolicy.setup_observations() 只需要按配置里的 observation 名称实例化即可。

5.2 group 的作用​

配置里 observation 被分成多个 group，例如当前 tracking 配置中的：

  • policy
  • command

每个 group 会被 ObsGroup.compute() 拼成一个 numpy 向量，最后形成：

{
  "policy": ...,
  "command": ...,
}

再作为 ONNX 输入。

5.3 当前 tracking 配置实际包含的观测​

policy-tstz89tc-final.yaml 里可以分成两类：

  1. 机器人历史状态

    • root_ang_vel_history
    • projected_gravity_history
    • joint_pos_history
    • joint_vel_history
    • prev_actions

  2. 参考轨迹

    • ref_body_pos_future_local
    • ref_joint_pos_future
    • ref_root_ori_future_b

也就是说，tracking policy 的输入可以理解成：

当前机器人状态历史 + 上几步动作历史 + 未来参考轨迹片段

5.4 一个容易忽略的实现细节​

当前推理代码真正依赖的是 observation 条目的“键名”，例如 root_ang_vel_history、ref_joint_pos_future。配置里的 _target_、noise_std 更像是训练/导出时留下的元信息，推理侧并不会按 _target_ 动态 import，也不会应用 noise_std。

换句话说，推理端 observation 构建逻辑是：

  • 用 YAML 键名在 Observation.registry 中查类
  • 把其余字段作为构造参数传进去

6. 命令发送和下游 bridge​

6.1 CommandSender​

CommandSender 只做一件事：把目标关节状态发布到 low_cmd ZMQ 通道。

消息内容包括：

  • q_target
  • dq_target
  • tau_ff
  • kp
  • kd

其中 kp/kd/default_joint_pos 都来自 policy_config。

这意味着 tracking policy 输出的并不是 torque，而是“关节位置目标 + 固定 PD 增益”的控制命令。

6.2 仿真侧 SimulationBridge​

sim2real/sim_env/utils/bridge.py 把统一的 low_cmd 落到 MuJoCo 上：

  1. 订阅 low_cmd
  2. 对每个共享关节做
tau = tau_ff + kp * (q_des - q) + kd * (dq_des - dq)
  1. 再按 joint_effort_limit 做裁剪
  2. 写入 mj_data.ctrl

同时它还会从 MuJoCo 中反向抽取：

  • root quaternion
  • root angular velocity
  • joint positions
  • joint velocities
  • actuator force

并封装成 LowStateMessage 发布到 low_state。

所以仿真中 ZMQ 两端的对应关系是：

  • policy 进程发布 low_cmd
  • sim 进程订阅 low_cmd
  • sim 进程发布 low_state
  • policy 进程订阅 low_state

7. sim2sim 和 sim2real 为什么能共用同一套 tracking 代码​

因为策略侧只依赖统一的 ZMQ 协议，而不直接依赖 MuJoCo 或 Unitree SDK。

sim2sim​

下游是：

BaseSimulator + SimulationBridge

sim2real​

下游可以替换成：

scripts/real_bridge.py

RealBridge 的设计和 SimulationBridge 基本对称：

  • 一边读 Unitree rt/lowstate，转成 LowStateMessage 发布到 ZMQ
  • 一边订阅 ZMQ LowCmdMessage，转成 Unitree rt/lowcmd

所以对 BasePolicy / Tracking 来说：

  • 上游始终是 low_state
  • 下游始终是 low_cmd
  • 底层是真机还是仿真，只是 bridge 的区别

这也是当前仓库 tracking 框架最重要的抽象边界。

8. 你给的两个命令在整体框架中的位置​

命令 1：启动 tracking policy​

uv run sim2real/rl_policy/tracking.py --robot_config ./config/robot/g1.yaml --policy_config checkpoints/lafan-aa/policy-ec592bb4_lafan_100style_student-5000.yaml

它负责：

  • 读取策略配置
  • 建 observation
  • 读取 low_state
  • 从 motion.npz 或 live ZMQ 加载参考动作
  • 跑 ONNX
  • 输出 low_cmd

命令 2：启动 MuJoCo 仿真​

uv run sim2real/sim_env/base_sim.py --robot_config config/robot/g1.yaml --scene_config config/scene/g1_29dof_rubberhand.yaml

它负责：

  • 加载机器人场景
  • 提供可视化
  • 读取 low_cmd
  • 在 MuJoCo 中执行 PD 控制
  • 回传 low_state

因此两者必须同时运行，tracking 才是闭环。

命令 3：启动 VR teleop motion publisher​

如果 tracking 的参考动作不再来自 motion.npz，而是来自 VR teleop，那么还需要额外启动：

uv --project venv/teleop run sim2real/teleop/pico_retarget_pub.py --publish_hz 50

它负责：

  • 读取 XR body stream
  • 做 SMPL-X -> G1 retarget
  • 用 G1 MuJoCo 模型 forward 出 body world pose
    • 把 joint_pos/body_pos_w/body_quat_w/smplx_t_ns 按固定 joint/body 顺序发到 ZMQ

这时 tracking 闭环会变成“三条进程链路同时存在”：

  • pico_g1_zmq_publisher.py
    • 提供参考 motion
  • sim2real/rl_policy/tracking.py
    • 同时消费 low_state 和 live motion，输出 low_cmd
  • sim2real/sim_env/base_sim.py 或 scripts/real_bridge.py
    • 执行 low_cmd 并回传 low_state

9. 当前 tracking 框架的几个实现特点​

9.1 优点​

  • 策略层和执行层解耦得比较干净
  • observation 系统是配置驱动的，便于加新观测
  • sim2sim / sim2real 共用同一套推理逻辑
  • motion 数据集中缓存，避免每个 observation 重复加载

9.2 当前约束​

  • 推理侧 motion 目前只支持单条参考序列
  • live motion 默认假设 publisher 和 policy 进程的 time_ns 基本对齐；如果跨机器或时钟漂移明显，还需要额外做 time offset / sync
  • 轨迹播放结束后会自动暂停，而不是自动循环持续 tracking
  • joint limit 裁剪代码已经写好，但在 _rl_step_scheduled() 里被注释掉了
  • tracking 任务目前默认是 position target + PD，不是更底层的 torque policy

10. 一句话总结​

当前 sim2real 的 tracking 框架，本质上是一个基于 ZMQ 的统一控制总线：

  • BasePolicy/Tracking 负责“看当前状态 + 看未来参考轨迹 + 输出关节目标”
  • SimulationBridge/RealBridge 负责“把统一控制命令落到仿真或真机”

也就是说，tracking 的任务特性主要体现在 observation 和 motion reference 上，而不是体现在底层执行接口上。