Unity3D学习FPS游戏（4）重力模拟和角色跳跃

前言：前面两篇文章，已经实现了角色的移动和视角转动，但是角色并没有办法跳跃，有时候还会随着视角移动跑到天上。这是因为缺少重力系统，本篇将实现重力和角色跳跃功能。觉得有帮助的话可以点赞收藏支持一下！

问题-太空人

回到我们第二篇讲角色控制的三种方法中，提到了CharacterController虽然有碰撞但是是没有力的作用的，也就意味着没有重力效果。

地面检测

可以利用CharacterController.isGrounded来判断是否碰到地面。

但是要注意一下函数的功能定义：

isGrounded: Was the CharacterController touching the ground during the last move?

意思是判断的是上一次调用CharacterController.Move时有没有触地。

如果遇到isGrounded如果恒为false可能要注意，判断之前是不是还没有调用过Move。

重力模拟

非常简单，利用学过物理基本的公式a*t=v（加速度*时间=速度）、v*t=s（速度*时间=距离），就可以模拟出来。

新增重力加速度playerGravity和垂直速度verticalVelocity，当碰到地面时候垂直速度是0；当没有碰到地面的时候，垂直速度会随着受力一直变化，速度+=加速度*单位时间。在空中只有重力，对应代码就是verticalVelocity-=playerGravity*Time.fixedDeltaTime，为什么是减号因为重力是向下的，有方向。

最后把因为重力导致位移变化也一起Move就可以了。

public float playerGravity = 9.8F;// 重力加速度
public float verticalVelocity = 0;// 垂直速度
public void PlayerMovement()
{
    Vector3 moveDirection = Vector3.zero;
    // 获取键盘输入：Horizontal左右移动；Vertical前后移动
    // 加入自身tranform方向
    moveDirection = Vector3.zero;
    moveDirection += transform.forward  * Input.GetAxis("Vertical");
    moveDirection += transform.right * Input.GetAxis("Horizontal");
    moveDirection *= Time.deltaTime * moveSpeed;
    // 重力
    if (!m_Controller.isGrounded)
        verticalVelocity -= playerGravity * Time.fixedDeltaTime;// a*t=v
    else
        verticalVelocity = 0.0F;
    moveDirection.y += verticalVelocity * Time.fixedDeltaTime;// v*t=s
    // 移动
    m_Controller.Move(moveDirection);
}

由于涉及到了物理模拟，所以时间增量都改用了Time.fixedDeltaTime，并在FixedUpdate更新。这个使用Time.fixedDeltaTime具体原因在补充知识中有详细说明。

跳跃

有了重力，跳跃才有作用。

简单跳跃

跳跃的思路，首先不能多段跳，就是要碰到地面才能响应跳跃按键，跳跃后角色会上升一定高度。

添加一个玩家跳跃高度参数jumpHeight，直接让角色位移到jumpHeight，就能实现一个简单的跳跃效果

public float jumpHeight = 2F;
public void PlayerMovement()
{
    Vector3 moveDirection = Vector3.zero;
    // 获取键盘输入：Horizontal左右移动；Vertical前后移动
    // 加入自身tranform方向
    moveDirection = Vector3.zero;
    moveDirection += transform.forward  * Input.GetAxis("Vertical");
    moveDirection += transform.right * Input.GetAxis("Horizontal");
    moveDirection *= Time.deltaTime * moveSpeed;
    // 重力
    if (!m_Controller.isGrounded)
        verticalVelocity -= playerGravity * Time.fixedDeltaTime;// a*t=v
    else
        verticalVelocity = 0.0F;
    moveDirection.y += verticalVelocity * Time.fixedDeltaTime;// v*t=s
    // 跳跃
    if (Input.GetButton("Jump"))
    {
        // 得在地面才能跳
        if (m_Controller.isGrounded)
        {
           moveDirection.y += jumpHeight;
        }
    }
    // 移动
    m_Controller.Move(moveDirection);
}

跳跃优化

上面简单的跳跃，虽然能够实现跳跃功能，但是非常不自然，就是一下子跳到最高，又慢慢下来。

实际游戏中，我们的跳跃真正其实是一个抛物线。

也就向上跳到最顶的时候，也有个速度变化。

跳起来的时候会有一个向上的速度，之后不触地都是只受到重力作用了。所以点击跳跃按钮后，我们只需要算出这个跳起来一瞬间的向上速度是多少就行了。

还是最基础的物理公式推导：
a*t=v（加速度*时间=速度）、v*t=s（速度*时间=距离），设定跳跃的最高的高度h（jumpHeight）。
从最低点到最高点，通过h=0.5*a*t²，可以把总共的时长算出来，由于受力只有重力，通过重力加速度*总时长=初始向上速度。

verticalVelocity = Mathf.Sqrt(jumpHeight * 2 / playerGravity) * playerGravity;// 初始向上速度

于是新的代码就是：

public float jumpHeight = 2F;
public float verticalVelocity = 0;// 垂直速度
public void PlayerMovement()
{
    Vector3 moveDirection = Vector3.zero;
    // 获取键盘输入：Horizontal左右移动；Vertical前后移动
    // 加入自身tranform方向
    moveDirection = Vector3.zero;
    moveDirection += transform.forward  * Input.GetAxis("Vertical");
    moveDirection += transform.right * Input.GetAxis("Horizontal");
    moveDirection *= Time.fixedDeltaTime * moveSpeed;
    // 重力
    if (!m_Controller.isGrounded)
        verticalVelocity -= playerGravity * Time.fixedDeltaTime;// a*t=v
    else
        verticalVelocity = 0.0F;
    // 跳跃
    if (Input.GetButton("Jump"))
    {
        // 得在地面才能跳
        if (m_Controller.isGrounded)
        {
            verticalVelocity = Mathf.Sqrt(jumpHeight * 2 / playerGravity) * playerGravity;// 初始向上速度
        }
    }
    moveDirection.y += verticalVelocity * Time.fixedDeltaTime;// v*t=s
    // 移动
    m_Controller.Move(moveDirection);
}

完整代码

具有角色移动、视角、重力和跳跃的完整PlayerController代码。

public class PlayerController : MonoBehaviour
{
    [Header("Unity组件")]
    public CharacterController m_Controller;
    public Transform playerCamera;

    [Header("玩家数值")]
    public float moveSpeed = 6.0F;
    public float mouseSensitivity = 1000.0F;
    public float playerGravity = 9.8F;
    public float jumpHeight = 2F;
    public float verticalVelocity = 0;// 垂直速度
    private float x_RotationOffset = 0;// 累计x旋转
    private float y_RotationOffset = 0;// 累计y旋转


    void Start()
    {
        m_Controller = this.GetComponent<CharacterController>();
        Cursor.lockState = CursorLockMode.Locked;// 鼠标锁定
    }

    
    private void FixedUpdate()
    {
        PlayerRotation();
        PlayerMovement();
    }

    // 控制角色移动
    public void PlayerMovement()
    {
        Vector3 moveDirection = Vector3.zero;
        // 获取键盘输入：Horizontal左右移动；Vertical前后移动
        // 加入自身tranform方向
        moveDirection = Vector3.zero;
        moveDirection += transform.forward  * Input.GetAxis("Vertical");
        moveDirection += transform.right * Input.GetAxis("Horizontal");
        moveDirection *= Time.fixedDeltaTime * moveSpeed;
        // 重力
        if (!m_Controller.isGrounded)
            verticalVelocity -= playerGravity * Time.fixedDeltaTime;// a*t=v
        else
            verticalVelocity = 0.0F;
        // 跳跃
        if (Input.GetButton("Jump"))
        {
            // 得在地面才能跳
            if (m_Controller.isGrounded)
            {
                verticalVelocity = Mathf.Sqrt(jumpHeight * 2 / playerGravity) * playerGravity;// 初始向上速度
            }
        }
        moveDirection.y += verticalVelocity * Time.fixedDeltaTime;// v*t=s
        // 移动
        m_Controller.Move(moveDirection);
    }

    // 控制角色视角
    private void PlayerRotation()
    {
        // 获取鼠标移动
        x_RotationOffset += Input.GetAxis("Mouse X")* Time.fixedDeltaTime * mouseSensitivity;// 水平方向
        y_RotationOffset += Input.GetAxis("Mouse Y")* Time.fixedDeltaTime * mouseSensitivity;// 垂直方向
        // 限制垂直旋转角度
        y_RotationOffset = Mathf.Clamp(y_RotationOffset, -45f, 45f);
        // 旋转
        transform.rotation = Quaternion.Euler(new Vector3(0, x_RotationOffset, 0));// Player旋转
        playerCamera.localRotation= Quaternion.Euler(new Vector3(y_RotationOffset, playerCamera.localEulerAngles.y, playerCamera.localEulerAngles.z));// Camera旋转
    }
}

效果

简单跳跃。

优化后的跳跃。

补充知识

Property Attributes自定义属性

我们写代码的时候，会写一些属性在Inspector中也能修改，方便查看不同值的表现效果。
例如我们现在PlayerController中的moveSpeed和playerGravity等，但是要定义为Public。

Property Attributes提供了很多内置属性，方便Inspector查看自定义的属性和修改。

常用的有：

• [Header(“xxx”)]给变量在Inspector中添加标题头
• [Space(xx)]在Inspector中添加间隔
• [Range(xx, xx)]在Inspector中变量为滑动条范围
• [Tooltip(“xxx”)]为变量在Inspector中添加说明（像可以在Inspector查看的注释）

里面的文本文字可以是中文。
有这些能让我们代码更加优雅😀，也方便和别人共事的时候更好阅读使用我们的代码。

Time.fixedDeltaTime

fixedDeltatime是一个固定的时间增量不会随着帧率变换而变化，要在FixedUpdate中使用。

通常来说fixedDeltatime固定是0.02s，在主菜单的Edit→Project Settings→Time可以修改。

之前我们用的帧率相关的增量时间，但是现在开始已经涉及到了物理模拟了，物理更新对时间是非常敏感的，稍微差一点都不行。如果用在按帧率更新，可能由于主机差异帧率不稳定，0.5秒子弹到达敌人，帧率不稳定可能会变成0.8s。