Unity物理系统（一）物理系统相关组件

一、物理系统相关组件

Unity中的物理系统涉及的组件分为如下几类：

• 刚体
• 角色控制器
• 碰撞体
• 布料
• 关节
• 力场
  

二、刚体（Rigidbody）

Rigidbody（刚体）组件可以使游戏对象在物理系统的控制下进行运动，Rigidbody 可接受外力与扭矩力，用以保证游戏对象像在真实世界中那样进行运动。任何游戏对象只有添加了Rigidbody 组件之后才能受到重力的影响，通过脚本为游戏对象添加的作用力以及通过 NVIDIA物理引擎与其他的游戏对象发生互动的运算都需要游戏对象添加 Rigidbody 组件。

Rigidbody组件的属性如下：

2.1 关于碰撞检测模式（Collision Detection）

Rigidbody组件内置了四种碰撞检测模式，官方的解释有些晦涩，这里借用一张贴吧大佬的图（原帖地址）。图中箭头指的是采用A模式的物体撞击采用B模式的物体，箭头中间的值表示两个物体碰撞时实际采用的检测模式。

比如说采用了「Continuous」模式的物体，撞击不带刚体的物体（也就是图中的Static），最终将采用「Continuous」模式进行碰撞检测。而如果两个采用「Continuous」模式的物体相撞，则会采用「Discrete」模式进行检测。

对于离散碰撞检测（Discrete），因为是以帧为单位进行检测，所以如果遇到高速移动的物体A，在上一帧还在B物体的外侧，而下一帧就已经穿过A到达另一侧，就会出现碰撞检测没有触发的情况。因此才有了两种连续碰撞检测模式。其中连续碰撞检测（Continuous）适用于可能被高速对象撞击的对象，连续动态碰撞检测（Continuous Dynamic）适用于可能发生碰撞的高速对象。

需要注意：

• 连续碰撞检测会增加额外的性能消耗，因此在没有相应需求的情况下不要使用。
• 只有盒型碰撞体、球形碰撞体和胶囊碰撞体支持连续碰撞检测。

连续推断碰撞检测（Continuous Speculative）是一种新增的碰撞检测模式，它相对于前两种连续碰撞检测更加节省性能，但也可能会导致穿隧效应和幽灵碰撞。详情可以查看官方文档

2.2 通过刚体控制角色移动

一种是通过设置刚体的线速度和角速度实现角色移动

private void FixedUpdate()
{
	var horizontal = Input.GetAxis("Horizontal");
	var vertical = Input.GetAxis("Vertical");

	// 设置线速度
	_rigidbody.velocity = transform.forward * (vertical * moveSpeed);
	// 设置角速度
	_rigidbody.angularVelocity = transform.up * (horizontal * rotateSpeed);
}
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效果如下

另一种是通过MovePosition()和MoveRotation()方法控制

private void FixedUpdate()
{
	var horizontal = Input.GetAxis("Horizontal");
	var vertical = Input.GetAxis("Vertical");

	// 控制位移
	_rigidbody.MovePosition(transform.position+transform.forward * (vertical * moveSpeed*Time.deltaTime));
	// 控制旋转
	_rigidbody.MoveRotation(transform.rotation*Quaternion.Euler(transform.up * (horizontal * rotateSpeed*Time.deltaTime)));
}
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效果如下

三、角色控制器（Character Controller）

Character Controller（角色控制器）主要用于对第三人称或第一人称游戏主角的控制，并不使用刚体物理效果。

Character Controller组件的属性如下：

需要注意的是Character Controller 组件不会对施加给它的作用力做出反应，也不会作用于其他的刚体。
当我们给角色挂载「Rigidbody」时，是可以将前方的方块撞开的

如果挂载的是「Character Controller」则不会对方块产生任何效果

如果希望在挂载「Character Controller」的情况下，对撞击的物体产生力的作用，可以通过OnControllerColliderHit()函数对其施加一个作用力

private void OnControllerColliderHit(ControllerColliderHit hit)  
{  
	if (hit != null && hit.gameObject.name=="Cube")
	{
		hit.rigidbody.AddForce(hit.point*500);
	}
}
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效果如下

附上通过「Character Controller」控制物体移动的代码

private void FixedUpdate()
{
	var horizontal = Input.GetAxis("Horizontal");
	var vertical = Input.GetAxis("Vertical");

	_controller.Move(transform.forward * (moveSpeed * vertical * Time.deltaTime));  
	transform.Rotate(Vector3.up * (rotateSpeed * horizontal * Time.deltaTime));
}
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四、碰撞体（Collider）

碰撞体是物理组件中的一类，3D 物理组件和 2D 物理组件有独立的碰撞体组件，它要与刚体一起添加到游戏对象上才能触发碰撞。如果两个刚体相互撞在一起，除非两个对象有碰撞体时物理引擎才会计算碰撞。在物理模拟中，没有碰撞体的刚体会彼此相互穿过。

4.1 基本碰撞体

Unity内置的基本碰撞体包括盒型碰撞体（Box Collider）、球形碰撞体（Sphere Collider）和胶囊碰撞体（Capsule Collider）。 这三种碰撞体的属性基本相同，这里以「Box Collider」为例简单说明

4.2 网格碰撞体（Mesh Collider）

网格碰撞体通过获取物体上的网格来构建碰撞体。优点是构建出的碰撞体非常精细，缺点是更加消耗性能。

①退化三角形：面积为0的三角形。满足下列条件之一的三角形即可称为退化三角形：三个内角的度数为 (180°,0°,0°) 或 (90°,90°,0°)；三边其中一条边的长度为0；一条边的长度等于另外两条之和。

4.3 车轮碰撞体（Wheel Collider）

车轮碰撞体是一种针对地面车辆的特殊碰撞体。它有内置的碰撞检测、车轮物理系统及有滑胎摩擦的参考体。除了车轮，该碰撞体也可用于其他的游戏对象。参数比较专业，具体各项参数的意义可以查看官方文档

4.4 地形碰撞体（Terrain Collider）

地形碰撞体就是专为地形构建的碰撞体。

4.5 物理材质

前面提到的大部分碰撞体都具有「Material」这一属性，即物理材质。物理材质用于调整碰撞物体的摩擦和弹跳效果。我们可以通过右键「Create->Physic Material」进行创建。

需要注意，假如两个接触的碰撞体设置了不同的混合方式，则会按照下面的优先级取值：
Average<Minsmum<Multiply<Maximum

五、布料组件

布料组件可以模拟类似布料的行为状态，如飘动的旗帜、角色身上的衣服等。布料组件需要「Skinned Mesh Renderer」（蒙皮网格渲染器）和「Cloth」组件协同运作。

5.1 蒙皮网格渲染器

5.2 布料

Cloth组件为模拟织物提供基于物理的解决方案。它必须与蒙皮网格渲染器一起工作。

布料不响应场景中的任何碰撞体，也不会将力反射回世界。添加 Cloth 组件后，该组件完全不会响应和影响任何其他实体。因此在手动将碰撞体从世界添加到 Cloth 组件之前，布料和世界无法识别或看到彼此。即使执行了此操作，模拟仍是单向的：布料可以响应实体，但不会反向施力。

此外，只能对布料使用三种类型的碰撞体：球体、胶囊体以及使用两个球形碰撞体构造而成的圆锥胶囊碰撞体。之所以存在这么多限制是为了帮助提高性能。

六、关节组件（Joint）

关节组件用来模拟物体与物体之间的连接关系，必须依赖于刚体组件。

6.1 铰链关节（Hinge Joint）

铰链关节将两个刚体组合在一起，对刚体进行约束，让它们就像通过铰链连接一样移动。铰链关节非常适合用于门，但也可用于模拟链条、钟摆等对象。

下面来通过铰链组件实现开关门的效果。首先创建出门和门框的模型，都挂载上刚体。给门挂载「Hinge Joint」组件，将其「Connected Body」属性指定为门框。然后将锚点个轴移动到门框所在位置

接下来给门创建一个脚本，当鼠标点击时给予门一个力

private void OnMouseDown()
{
	_rigidbody.AddForce(transform.forward*100);
}
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运行游戏看下效果

可以看到，门虽然打开了，但会一直转下去。这时「Spring」和「Limits」部分的属性就派上了用场。首先启用「Use Spring」，并增加「Damper」的数值，以提供阻力。然后再启用「Use Limits」，设置最大旋转角度「Max」为120，设置弹性「Bounciness」为0.5。

运行再看下效果

6.2 固定关节（Fixed Joint）

固定关节组件用于约束一个游戏对象对另一个游戏对象的运动。类似于对象的父子关系，但它是通过物理系统来实现而不像父子关系通过 Transform 属性来进行约束。其属性在之前的铰链关节中都可以找到，这里不再赘述。

固定关节就像是在两个物体之间连接了一根木杆。这里我们使用两个球体进行简单演示。首先创建一大一小两个球体，并都挂载上刚体。大球的刚体设置冻结位置，小球不做调整。然后在小球上添加固定关节，并连接到大球上。为了看清楚大球的转动情况，这里给大球添加了一个贴图

给小球添加一个鼠标点击时施加力的脚本

private void OnMouseDown()
{
	var ray = Camera.main.ScreenPointToRay(Input.mousePosition);
	_rigidbody.AddForce(ray.direction*Force);
}
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运行游戏看下效果

6.3 弹簧关节（Spring Joint）

弹簧关节组件可将两个刚体连接在一起，使其像连接着弹簧那样运动。

它的效果很好理解，这里不再详述

角色关节（Character Joint）和可配置关节（Configurable Joint）没有使用过，可以参考官方文档：角色关节、可配置关节

七、力场组件（Constant Force）

力场可以为刚体快速添加恒定作用力，适用于类似火箭发射出来的对象，这些对象在起初并没有很大的速度但是在不断地加速的。