unity控制物体移动和转向

简介

控制移动和转向的方法很多，教程也很多，照着教程代码输入能实现，反正能试出来，不是什么复杂的事情，但是过段时间后就忘记了，感觉还是没有搞清楚原理，因此趁机弄清楚原理记下来。

一、向量

关于向量的描述，就是有大小和方向的量，unity中大小用magnitude表示，方向用normalized表示。如下：

Vector3 vector = new Vector3(3f, 0f, 3f);
Vector3 vector2 = vector.normalized; // 获取vector的归一化向量，即(0.7f, 0f, 0.7f), vector不变，vector2大小是1
float magnitude = vector.magnitude;	 // magnitude是vector的大小, vector不变
vector.Normalize();					// vector本身被归一化，即变成(0.7f, 0f, 0.7f)

向量的加减，初中数学和初中物理的力学力的合成有学过，不需要这里描述。

二、控制物体移动

控制物体移动通常通过键盘输入方向；或者鼠标点击目标位置，如下图：

上图是unity俯视图，x坐标和z坐标是世界坐标，O点是世界坐标原点，物体在S点，那么物体的位置transform.position就是向量OS或者s，当按下键盘按键D或者向右方向键的时候，输入向量是OM，或者m，那么向量$u=s+m$，向量u或者说就位置T是物体要移动到的位置。代码如下：

float x = Input.GetAxis("Horizontal");   // 获取控制输入
float z = Input.GetAxis("Vertical");
Vector3 m = new Vector3(x,0f,z);		// 创建控制输入向量m
Vector3 u = transform.position + m;		// transform.position就是向量s，计算出要移动到的目标向量位置

上面计算出目标向量位置后，赋值给transform.position就能实现移动。如下：

transform.position = u;	// 通过修改物体位置实现移动

或者用刚体的方法，如下：

Rigidbody rigidbody = GetComponent();	// 获取刚体组件
rigidbody.MovePosition(u);		// 让刚体从当前位置移动到目标位置向量u，即T点的位置

以上代码，通常在Update或者FixedUpdate方法中调用，以Update方法为例，即每一帧调用一次，每次移动更新物体的移动位置transform.position，等下一帧调用的时候，检测到控制还在输入，又在新的物体的位置下加上控制输入向量m，得到新的目标位置移动向量u，实现不断的移动。流程如下：

Created with Raphaël 2.2.0 每一帧执行 读取控制输入，得到控制向量 目标位置向量 = 当前位置向量 + 控制向量 当前位置向量 = 目标位置向量 结束

因为帧率会变动的，而且物体又移动速度的差异，所以实际使用时，每次的移动大小需要考虑速度和帧率的变动，也要考虑控制输入斜向的时候大小会比单个方向大，比如单纯按下右方向，获取到最大的x是1，此时向量大小是1，如果向右和向上同时按下，那么获取到最大x是1以及z是1，此时向量大小要乘以个$\sqrt{2}$，造成斜向移动快。所以实际使用是只取控制向量的方向，大小按照速度和帧率考虑。如果物体速度是speed 米/秒，unity提供了距离上一帧的时间是Time.deltatime秒，可以理解成是Time.deltatime秒/帧，那么speed * Time.deltatime就是这一帧移动的米数，可以作为这一帧移动向量的大小。

如果用刚体的方法实现移动，实际的代码会是下面的样子：

/* 没有根动画的移动 */
public float speed = 1f;	// 允许设置速度

void Start()
{
    rigidbody = GetComponent();  // 获取刚体组件
}

void Update()
{
    float x = Input.GetAxis("Horizontal");
    float z = Input.GetAxis("Vertical");
    Vector3 m = new Vector3(x,0f,z);		// 创建控制输入向量m
    m.Normalize();	// 把控制输入向量归一化，只要方向，这样就不会斜向速度偏快了
	Vector3 u = transform.position + m * speed * Time.deltatime; // 考虑每帧移动的向量大小
	rigidbody.MovePosition(u);		// 让刚体从当前位置移动到目标位置向量
}

如果物体带有根动画的情况下，因为根动画，动画本身会影响位置变化，会涉及到图像渲染更新和物理操作更新的同步问题，改天另外写一篇总结一下。

三、控制物体转向

上图是unity俯视图，x坐标和z坐标是世界坐标。橙色的长方形代表物体，垂直于长方形的向量transform.forward就是物体自身坐标的Z轴，即物体的前向向量。

如果此时按下了W按键或者向上按键，那么在世界坐标的Z轴正方向就会有一个控制向量，表示物体的目标朝向。

可见就是要让物体直接转到输入控制向量的方向，转向是用transform.rotation表示的，这是一个四元数，需要把输入控制向量m转成四元数，代码如下：

float x = Input.GetAxis("Horizontal");   // 获取控制输入
float z = Input.GetAxis("Vertical");
Vector3 m = new Vector3(x,0f,z);		// 创建控制输入向量m
transform.rotation = Quaternion.LookRotation(m);	// Vector3转成4元数Quaternion

这段代码直接实现了转向到输入控制的方向。

但是！以上代码通常也是在Update或者FixedUpdate方法中调用的，这样一帧就转向到位置了，不符合实际情况，应该转向有个过程的，比如转速turnSpeed是90°/秒，即$\pi /2$弧度/秒，那么一帧的时间Time.deltatime，转过的角度应该是$turnSpeed\ast Time.deltatime$，unity提供了一个方法Vector3.RotateTowards，参数传入开始的前向向量和最终的前向向量，以及每次转向允许的最大弧度和最大向量大小，这个方法会返回计算好的这一次应该转向的前向向量，代码如下：

float x = Input.GetAxis("Horizontal");   // 获取控制输入
float z = Input.GetAxis("Vertical");
Vector3 m = new Vector3(x,0f,z);		// 创建控制输入向量m
Vector3 turnForward = Vector3.RotateTowards(transform.forward, m, turnSpeed * Time.deltaTime, 0f);
transform.rotation = Quaternion.LookRotation(turnForward);	// Vector3转成4元数Quaternion

以上代码的第4行的方法，第一个参数就是开始前向向量，即物体当前的Z轴方向，第二个参数是最终的目标前向向量m，第三个就是每帧的转过的弧度。很显然，每帧都转过一个小角度，更新transform.rotation和transform.forward，随着每一帧更新，最终到达目标朝向。

执行转向除了给transform.rotation赋值外，还可以有刚体的方法：

Quaternion rotation = Quaternion.LookRotation(turnForward);  // Vector3转成4元数Quaternion
rigidbody.MoveRotation(rotation);  // 4元数传给刚体方法实现转向

如果要实现背对，最终的朝向向量取反就行了，这个很容易理解。

Vector3 turnForward = Vector3.RotateTowards(transform.forward, -m, turnSpeed * Time.deltaTime, 0f); // m取反实现背对朝向
transform.rotation = Quaternion.LookRotation(turnForward);	// Vector3转成4元数Quaternion