详解Unity中的车轮碰撞器Wheel Collider

前言

碰撞体组件定义了物体的物理性状，Unity中有一系列基本碰撞体，我们可以使用它们组合成任意形状，但除了基本碰撞体之外，Untiy还提供了诸如车轮(Wheel)、网格(Mesh)、地形(Terrain)等碰撞器，就比如Wheel Collider，该碰撞器用以实现车辆模拟，它可以模型车辆的前进后退，刹车，转向，打滑等。今天就简要介绍一下该组件的使用。

前言
一、先做一辆小汽车
- 1.如何实现？实现效果展示
- 2.实现步骤
- 3.注意事项
- 4.代码实现
二、Wheel Collider组件参数介绍
- 1.Mass质量 & Radius 半径
- 2.Wheel Damping Rate
- 3.Suspension Distance
- 4.Force App Point Distance
- 5.Suspension Spring
- 6.Forward Friction & Sideways Friction
三、Wheel Collider API
- 1.motorTorque
- 2.steerAngle
- 3.breakTorque
- 4.rpm
五、总结和参考资料
- 1.总结
- 2.参考资料

前排提醒：本文仅代表个人观点，以供交流学习，若有不同意见请评论留言，笔者一定好好学习，天天向上。
阅读此文章时，若有不理解的地方，推荐观看本文列出的参考资料来对照阅读。

阅读本篇前，请先了解“刚体和碰撞体”相关知识。

Unity版本[2019.4.10f1] 梦小天幼 & 禁止转载

视频讲解：
详解Unity的车轮碰撞器_BiLiBiLi

一、先做一辆小汽车

车轮碰撞器顾名思义，肯定是用于模拟车轮的，你可以用它来模拟自行车、三轮车、小汽车、大货车，统统都可以！该碰撞体内置了碰撞检测、车轮物理组件和基于打滑的轮胎摩擦模型。是专为车轮而生的碰撞器！

1.如何实现？实现效果展示

So，先从使用车轮碰撞器做一辆车车开始，首先想想若使用传统方法做汽车，车轮应当如何实现？

用transform位移，然后每秒转几圈、拐弯时车轮和车体整体都要偏移，很难做出车轮拐弯车体不动的效果，这时候使用刚体来驱动或许效果会好一点，但是它的模拟力不能确定，还有悬挂，刹车，打滑等又要如何实现？所以如果我们用自己的想法来实现一辆小汽车，可能困难重重，但！Unity为我们提供了车轮碰撞器！它可以解决上述所有问题!

老规矩，先看实现效果，再细说实现流程。

通过这个动图，我们可以清楚的看到，小汽车可以前进后退，转弯，打滑。下面来说说详细的实现步骤

2.实现步骤

首先我们要认识到空物体的重要性，举个例子，那就相当于电脑中的文件夹，它没有什么实际的功能，但是它可以帮我们将一大堆资源合理摆放，我们要做一辆汽车，为了便于脚本控制和方便我们管理，所以首先我们要建立一个汽车的空物体，这是一个"总文件夹"，场景中和汽车相关的都放在这里。其次我们建立三个"子文件夹（三个空物体）"，分别存放汽车主体模型，汽车轮胎，汽车轮胎的车轮碰撞体。

你可能会疑惑？什么汽车轮胎和汽车轮胎的WheelCollider要分类存放，碰撞体组件不是依附在汽车轮胎模型上的吗？答案如下：

不必通过转动或滚动 WheelCollider 对象来控制汽车；附加了 WheelCollider 的对象应始终相对于汽车本身固定。但是，可能会需要车轮会旋转移动之类的动画操作。最好的方法是为 WheelCollider（依附于空物体）和车轮模型设置单独的对象(引用自Unity官方文档，经过简要修改)

所以我们建立好三个空物体，存放汽车主体模型、车轮模型、碰撞体，车体模型用最基本的正方体堆一个就行，车轮模型使用圆球，压扁它当作车轮（为什么不用圆柱体，因为它的轴向不对，大家可以拿一个圆柱体试试看），碰撞体需要单独建四个空物体，然后为它们加上WheelCollider。So,结构图如下。

3.注意事项

写代码前，有几点需要注意的事项。（很重要！！！）

首先要在最上层的空物体上加上刚体组件，也就是"Car"，更改质量参数Mass，大概1500（普通小汽车的重量），其他不用改。这样做的目的是给车加上重量，以及让车具有物理特性。且！如果不给WheelCollider的父级或父父级加上刚体组件的话，WheelCollider是不会显示在Scene窗口中的。

其次，删除汽车车轮模型上的自带的碰撞体，因为WheelCollider本身就具有碰撞，所以车轮模型的作用就只是动画而已，其物理特性，完全由WheelCollider控制的。

最后，WheelCollider的位置和车轮模型的位置要一样，大致一样就行。因为它们分开是为了方便控制，但本身它们就应该在同一个位置，一个负责外形，一个负责物理实现。

最后的最后，若WheelCollider的半径太小，调整其Radius参数即可

4.代码实现

该脚本挂载到任何地方都行，建议挂载到Car总空物体上，截图和代码如下：

    private float angle;public float angleSpeed;public float moveSpeed;//注意这八个变量，四个是获取车轮碰撞器的，四个是获取车轮模型的public WheelCollider leftF;public WheelCollider leftB;public WheelCollider rightF;public WheelCollider rightB;public Transform model_leftF;public Transform model_leftB;public Transform model_rightF;public Transform model_rightB;void Update(){WheelsControl_Update();}//控制移动 转向void WheelsControl_Update(){//垂直轴和水平轴float h = Input.GetAxisRaw("Horizontal");float v = Input.GetAxisRaw("Vertical");//前轮角度，后轮驱动//steerAngle:转向角度，总是围绕自身Y轴，转向//motorTorque:电机转矩，驱动车轮angle = angleSpeed * h;leftF.steerAngle = angle;rightF.steerAngle = angle;leftB.motorTorque = v * moveSpeed;rightB.motorTorque = v * moveSpeed;//当车轮碰撞器位置角度改变，随之也变更车轮模型的位置角度WheelsModel_Update(model_leftF, leftF);WheelsModel_Update(model_leftB, leftB);WheelsModel_Update(model_rightF, rightF);WheelsModel_Update(model_rightB, rightB);}//控制车轮模型移动 转向void WheelsModel_Update(Transform t, WheelCollider wheel){Vector3 pos = t.position;Quaternion rot = t.rotation;wheel.GetWorldPose(out pos, out rot);t.position = pos;t.rotation = rot;}

二、Wheel Collider组件参数介绍

现在你已经完成了一辆小汽车了，是不是成就感满满，然后呢我们就来详细说说该组件都有什么参数，看起来一大堆很唬人是吧，咱就挑些重点的说说，其他的先不涉及。

1.Mass质量 & Radius 半径

顾名思义，质量值一般就设置为单个轮胎重量就行，和现实世界不要差太多，半径就是半径，不多解释，自己调一调试一试。

2.Wheel Damping Rate

应用于车轮的阻尼值。阻尼是作用于运动物体的阻力，值越大，车越难打滑。

3.Suspension Distance

车轮悬挂的最大延伸距离，悬挂始终向下延伸穿过自身Y轴，就是悬挂高度，始终是垂直向下的。这个要看你做什么车，比如汽车，底盘低，默认值我觉得就OK，但是那种越野车就需要把该值改高一点了。设置为0，那么车本身的转向避震就会很生硬，像个方块一样。

4.Force App Point Distance

车轮的受力点，默认位于静止车轮的底部（如下图），一般无需改动。

5.Suspension Spring

设置悬挂系统相关参数：

1.Spring :

值越大，悬架抵达目标位置就越快，就是悬架弹簧弹一个来回的时间的快慢

2.Damper :

抑制悬架速度，这个参数和上一个是相辅相成的（应该是相爱相杀），若想要到达自己需要的悬架数据，需不断调整。

3.Target Position :

这个值就是在静止状态下的悬架展开程度(根据悬架距离Supension Distance计算)，也就是说悬架静止状态下的展开和压缩并不是有车体重量控制的，而是这个参数来控制的。默认0.5，符合正常的汽车悬架。值为1完全展开，为0完全压缩。

6.Forward Friction & Sideways Friction

根据名字应该就知道，这两组参数用于设置车轮的纵向（前进后退）和横向（转向）的摩擦特性。
该如何理解呢？

Extremum Slip ，Extremum Value
Asymptote Slip，Asymptote Value
上述四个值是坐标系的两个坐标，它们确定了一个滑动距离与摩擦力的关系曲线

（该图截取自Unity官方文档）

Stiffnes :该值则整体调节摩擦曲线的倍数

若是上面不理解直接修改这个就可以，新手不建议动上面四个变量，因为在不懂的情况下修改会产生很奇怪的效果。

下图演示了仅修改车轮纵向的Stiffnes的值：

通过在运行时改变该值用以模拟各种地面材质(注意，物理材质在车轮碰撞器上是无效的，所以需要通过修改该值来模拟各种地面)

三、Wheel Collider API

学习WheelCollider的API可以让我们更好的对车轮进行控制，比如上面的做一个小汽车的案例，就使用了该碰撞器的两个变量，motorTorque和steerAngle。下面简要讲述一下这些API吧。

变量	描述	单位	备注
motorTorque	轮轴上的电机扭矩	牛米
steerAngle	转向角度	度
breakTorque	制动扭矩	牛米
rpm	当前轮轴转速	每分钟/转	只读
forwardFriction	车轮前进方向上的摩擦
sidewaysFriction	车轮侧向上的摩擦
wheelDampingRate	车轮的阻尼率，必须大于零
GetWorldPose(V3 pos, Quat quat)	获取车轮世界空间姿态		获取WheelCollider参数同步到模型轮胎上，使其转动
			参考本篇1-4代码实现部分，第46行

挑几个重点说说：

1.motorTorque

此参数用于调整车轮的转动，也就是传说中的前进与后退。比如你想要做一辆后驱车，就只应该设置后两个车轮受控。单位是牛米（N.m），是力的单位和距离的单位的乘积。
这里套用现实世界的知识，扭矩决定了发动机输出的力度，曲轴转速的变化、汽车的爬坡能力、起步速度及加速性。理论上，扭矩越大，起步速度就越快。(仅供理解，Unity中和现实世界还是不一样的)
该值设置过低会出现颠簸的情况。

对了！通过调整左右车轮的扭矩大小，应当可以模拟坦克转向！回头可以试试。

2.steerAngle

该值用以转向。以度为单位。一般来讲要模拟真实车辆，肯定不能直接设置该值多少度，这样太突兀了。比如设置当按下左方向键后2秒，角度才完全打完，这样模拟向左打方向盘。现实世界中车轮转向角度为30-40，各个车型略有不同。
下面简要模拟了一下：

    public float moveSpeed = 1500;public float maxAngle = 35;public float angleSpeed = 50;public WheelCollider leftF;public WheelCollider leftB;public WheelCollider rightF;public WheelCollider rightB;private void Update(){float v = Input.GetAxisRaw("Vertical");leftB.motorTorque = v * moveSpeed;rightB.motorTorque = v * moveSpeed;//左转向if (Input.GetKey(KeyCode.A)){//Debug.Log(leftF.steerAngle);leftF.steerAngle -= Time.deltaTime * angleSpeed;rightF.steerAngle -= Time.deltaTime * angleSpeed;if (leftF.steerAngle < (0-maxAngle) || rightF.steerAngle < (0-maxAngle)){//到最大值后就不能继续加角度了leftF.steerAngle = (0 - maxAngle);rightF.steerAngle = (0 - maxAngle);}}//右转向if (Input.GetKey(KeyCode.D)){leftF.steerAngle += Time.deltaTime * angleSpeed;rightF.steerAngle += Time.deltaTime * angleSpeed;if (leftF.steerAngle > maxAngle || rightF.steerAngle > maxAngle){leftF.steerAngle = maxAngle;rightF.steerAngle = maxAngle;}}//松开转向后，方向打回if (Input.GetKeyUp(KeyCode.A) || Input.GetKeyUp(KeyCode.D))leftF.steerAngle = rightF.steerAngle = 0;}

3.breakTorque

制动扭矩，单位还是N.m，必须为正数，用于刹车。看下面的代码就理解了。
至于这个数量设置多少合适，个人认为比车辆扭矩大一点就可以了，自己调整着来吧，反正也没个定值。

        public float breakMove = 1000f;bool isBraking = Input.GetKey(KeyCode.Space);leftB.brakeTorque = isBraking ? breakMove : 0f;rightB.brakeTorque = isBraking ? breakMove : 0f;

4.rpm

该车轮每分钟的转速，该参数可以拿来计算汽车的速度。

Rpm = wheel.rpm * (wheel.radius * 2 * Mathf.PI) * 60 / 1000);

五、总结和参考资料

1.总结

我们通过Unity提供的Wheel Collider用以模拟各种车辆，它们的前进后退，制动，转向，悬挂等功能。

通过motorTorque控制车辆扭矩
通过steerAngle控制车辆转向
通过breakTorque控制车辆制动

注意点：

碰撞器最上层空物体一定要加刚体组件
汽车轮胎模型自动的碰撞体记得删除
汽车轮胎模型和车轮碰撞体分别存放

车轮碰撞体参数：可设置该车轮的质量、半径、阻尼、悬挂、摩擦等特性。

2.参考资料

[1].天孤寒羽.unity小案例教程第二期（汽车）BiliBili
[2].Unity官方.Unity官方文档车轮碰撞体
[3].Unity官方.Unity官方文档 WheelCollider API
[4].CoderZ1010.Unity 【Wheel Collider】实现游戏中的车具控制(CSDN)
[5].泰课在线.unity wheelcollider轮子转动