5.4 载具与角色控制器

5.4 载具与角色控制器

本节摘要：能玩的车和能玩的人很少是全刚体机构。载具常用射线或胶囊轮测地，用弹簧阻尼当悬挂，用轮胎摩擦圆给侧向力和驱动力。角色用运动学胶囊去扫世界，上台阶、爬坡、贴墙滑，布娃娃只在倒地时启用。专用近似换来可控手感，代价是不是真实多体力学。把选择写明白，比假装“物理正确”重要。

本节导读

阅读完本节，你应当能够：

1. 实现射线轮：悬挂压缩、法向弹簧力、轮胎纵向与侧向力
2. 说明摩擦圆如何限制轮胎力合力
3. 写出胶囊角色的扫掠移动、台阶和坡度限制
4. 设计布娃娃与控制器之间的切换，避免切换帧爆炸

一、车：车身是刚体，轮子常常是射线

四轮车：车身一个刚体。每个轮从轮拱往下打射线（或胶囊扫掠），命中距离决定悬挂压缩。弹簧力 F = k * compression + d * compression_rate 沿地面法向加在车身对应锚点，产生支撑和力矩（俯仰侧倾）。轮子视觉模型跟着命中点转，不必是物理圆柱——圆柱轮在凸起上会卡住，射线更宽容。

驱动力沿车头方向，侧向力抵抗滑移：轮胎速度分解为纵向、侧向，侧向力试图把侧向速度刹掉，类似摩擦约束，但写在力层按固定步积分进车身。合力投影到摩擦圆：sqrt(Fx^2+Fy^2) <= mu * N，N 即法向载荷。急刹时纵向用满，侧向变小，这就是刹车容易甩尾的游戏版。

for each wheel:
    hit = raycast(anchor, down, length)
    if not hit: 离地, 力=0
    else:
        N = springDamper(compression)
        applyForceAt(anchor, N * normal)
        Fx, Fy = tireModel(slip, N)
        clamp to friction circle
        applyForceAt(contact, Fx*long + Fy*lat)
​

街机用射线加强阻尼；模拟器才上多体。中间路线：射线悬挂加更细的轮胎曲线。我做可玩原型一定先射线，卡地形会毁整局。

图 射线轮与胶囊角色

差速、防侧倾杆、手刹都可以在力层加。不要先做完真齿轮。手感旋钮：悬挂 k、d，轮胎 mu，质心高度。质心高易翻车，这是真物理，射线轮也保留。

二、人：运动学胶囊

角色控制器（KCC）每帧给出期望位移（来自输入和动画），用胶囊做扫掠：先水平，碰到墙则沿墙切向滑，再竖直贴地。地面探测用脚下额外射线，决定是否 grounded。上台阶：若阻挡很矮，抬高胶囊再试水平。爬坡：地面法向与上方向夹角超过阈值则视为墙，滑下去。这样角色不会变成刚体盒子在台阶上磕绊。

KCC 不是动态刚体，别的物体怎么跟它碰？常见：角色对世界运动学，对可推箱子用一个动态胶囊代理施力，或短时切换动态。全动态人形走路极难控：一步就会被地面接触扭倒。布娃娃用于倒地、死亡、过场，走路用 KCC。切换时把布娃娃姿态对齐胶囊，速度清零或继承，下一帧再启用碰撞，避免姿势重叠爆炸。

💡 关键直觉：可玩性物理的目标函数是手感，不是能量守恒。射线轮和 KCC 是玩法模块，请用玩法测试验收，不要用金字塔休眠那套刚体测试验收。

坡度、台阶高度、皮肤半径是关卡设计参数。改网格而不改这些数，角色会在美术“好看的坎”上卡住。把参数暴露给关卡，不要写死在求解器里。

三、与刚体世界共存的契约

车身是动态刚体，吃 PGS 接触，所以车可以压箱子。轮射线不要再对车身自己检测。角色胶囊对动态物体：推箱子用速度或施加力，力要有上限，免得箱子被弹飞。箱子推角色：要么角色让位（扫掠时把动态体当墙），要么角色被推动（这帧改成动态）。同时做会振荡。

⚠️ 常见坑：角色脚下射线打到自己的布娃娃手臂，瞬间判定离地，动画跳。射线过滤掉自己和附件层。

载具空中：四轮离地时悬挂力为 0，车身只受重力和空气，翻滚由刚体积分负责。不要在空中还加“自动回正”除非设计需要。回正是控制，写在控制器，别写进轮胎。

测试：平地加速不侧滑（mu 够）；急转摩擦圆起作用能漂；20 厘米台阶角色能上，80 厘米不能；45 度坡能走，70 度当墙。把这些写成关卡测试盒，调参才有锚。

网络同步：KCC 和射线轮都要在固定步里跑，输入驱动。视觉轮转动可以渲染插值。7.2 节会要求控制器步进可复现，本节不要读可变帧 dt。

摩托车、飞行载具不在最小集。先四轮加胶囊。飞行是另一套升力模型。不要把 5.4 写成载具百科。动手优先：一辆能压箱子的射线车，一个能上台阶的胶囊，比十种载具公式有用。

质心、轮距、轴距决定俯仰。刹车点头是悬挂弹簧的真现象，可用来验收弹簧是不是加在锚点而不是质心——加在质心只有平移没有点头。

四、手感旋钮与测试盒关卡

车：质心高度、轮距、悬挂 k 和 d、轮胎 mu、驱动扭矩。一次改一个，在测试环道上跑：直线加速不跑偏（轮射线左右对称）、刹车点头（力加在锚点）、急转摩擦圆（速度高时侧滑）。跑偏先查左右悬挂锚点镜像，再查轮胎力坐标系。

角色：胶囊半径、高度、台阶高、坡度角、皮肤、最大推箱力。测试盒放 10/20/40/80 厘米台阶和 30/45/60/70 度坡。策划改关卡网格时跑一遍测试盒。卡住不要先改 KCC 核心，先问台阶是不是超过参数。

布娃娃切换：倒地时把每段刚体对齐骨骼，速度继承胶囊速度，延迟一帧开碰撞。立刻开碰撞会因姿势重叠炸飞。起来时反向：关布娃娃碰撞，胶囊放到骨盆，KCC 接管。两套碰撞层永远不要同时对世界生效。

载具对角色：车是动态刚体，角色是运动学。车撞人用接触事件改角色速度或切布娃娃，不要指望 PGS 自动处理 KCC。KCC 不在求解器里。写一个“载具对角色”的专用响应，这是玩法代码。

实践问答

射线打到自己怎么办？

过滤自身和附件层。脚下打到布娃娃手臂会误判离地，动画跳。层掩码是 KCC 的一部分。

推箱和被推为什么不能同时两套规则？

会振荡：一帧你推它，一帧它把你当墙。选一种：角色让位或角色被推，力有上限。

空中自动回正该写在哪？

控制器，不是轮胎。离地时悬挂力为 0，翻滚交给刚体。回正是设计需求，别伪装成轮胎力。

布娃娃和 KCC 碰撞同时开为什么炸？

姿势重叠，求解器巨大穿透。延迟一帧、对齐骨骼、关一套开一套。永远不要同时对世界。

载具撞 KCC 为什么 PGS 不管？

KCC 不在求解器里。写专用响应：改角色速度或切布娃娃。别指望刚体接触自动处理运动学胶囊。

参数扫描笔记：玩法物理

扫描 1：悬挂力加在质心

刹车无点头。应加在轮锚点。

扫描 2：左右锚点不镜像

直线跑偏。先查镜像再查轮胎坐标系。

扫描 3：台阶超参数仍改 KCC 核心

先问关卡。测试盒 10/20/40/80 厘米。

扫描 4：射线打到自身手臂

误判离地。过滤附件层。

扫描 5：空中轮胎仍回正

写进控制器并承认是设计。

扫描 6：车撞人指望 PGS

KCC 不在求解器。专用响应。

扫描 7：布娃娃与胶囊同时对世界

重叠爆炸。关一套开一套。

扫描 8：控制器读可变帧 dt

联机分叉。走固定步。

工程备忘录

备忘 1

文档里的公式符号必须和代码注释同一张表。尤其是法向从谁指向谁、相对速度谁减谁、lambda 是力还是冲量。「04-载具与角色控制器」相关代码若混用两套符号，吸引接触和飞天会轮流出现，现场非常像随机 bug。 本条对应「04-载具与角色控制器」第 1 号备忘，和相邻条目不要合并成一句空话，分开验收。

备忘 2

性能上先问能不能少做。「04-载具与角色控制器」再快，也快不过把睡着的岛整岛跳过、把碎片到期删掉、把静态体移出动态表。减工作量优于把同样工作向量化。向量化平方算法只是错得更稳更快。 本条对应「04-载具与角色控制器」第 2 号备忘，和相邻条目不要合并成一句空话，分开验收。

备忘 3

可视化是「04-载具与角色控制器」的一部分而不是插件。接触生成时就把点、法向、深度留下来给绘制。事后从形状重新推断，会和求解器看到的数据不一致，你会修一个并不存在的偏差。 本条对应「04-载具与角色控制器」第 3 号备忘，和相邻条目不要合并成一句空话，分开验收。

备忘 4

固定时间步是「04-载具与角色控制器」所有数值实验的尺子。尺子在抖，你无法比较积分器，无法调 beta，无法谈确定性。谁把渲染帧时间直接喂进物理，谁就在用弹性的尺子量钢梁。 本条对应「04-载具与角色控制器」第 4 号备忘，和相邻条目不要合并成一句空话，分开验收。

备忘 5

「04-载具与角色控制器」里出现 NaN 要在源头断言：未归一化法向、零长度边当轴、除以过小的有效质量、四元数没归一。把 NaN 传到求解器再查，整场速度都会脏，回溯成本高一个数量级。 本条对应「04-载具与角色控制器」第 5 号备忘，和相邻条目不要合并成一句空话，分开验收。

备忘 6

和美术、策划交接「04-载具与角色控制器」参数时，用测试盒而不是形容词。说清楚二十厘米台阶能上、八十厘米不能，比说手感更跟手有用。测试盒还能在引擎升级后当合同跑一遍。 本条对应「04-载具与角色控制器」第 6 号备忘，和相邻条目不要合并成一句空话，分开验收。

备忘 7

「04-载具与角色控制器」若跨模块耦合，先单向再双向。布料先撞静地，流体先撞静箱，关节先吊静锚。双向一步到位时，你分不清是 A 推 B 写错还是 B 还力写错。控制变量不是学术，是省生命。 本条对应「04-载具与角色控制器」第 7 号备忘，和相邻条目不要合并成一句空话，分开验收。

重点提炼

• 街机载具：刚体车身 + 射线悬挂 + 摩擦圆轮胎；真圆柱轮易卡。
• 角色走路用运动学胶囊扫掠，布娃娃留给倒地。
• 台阶、坡度、皮肤是关卡参数。
• 推箱子与被推不要同时用两套规则，会振荡。
• 射线过滤自身；空中回正是控制不是轮胎。
• 控制器必须走固定步，否则联机必分叉。
• 用测试盒验收手感：台阶高度、坡度、急转漂移动。

下一章回到性能：SIMD、岛线程、空间结构，让第 3、4 章的循环在物体变多时还能在预算里。