【Unity每日一记】Unity物理引擎：刚体与碰撞体详解

于小汐在咯2025-10-30 16:52

🚀 Unity物理引擎：刚体与碰撞体详解

📖 一、物理引擎简介

1.1 核心定义

物理引擎是模拟现实世界物体运动规律的组件系统，能够真实再现各种物理现象。
物理引擎 刚体运动 碰撞检测 重力模拟 摩擦力计算 关节约束

1.2 主要特点

特性 描述 应用场景
功能强大 支持复杂的物理模拟 游戏开发、虚拟现实
实时计算 帧率同步的物理更新 实时交互应用
高度可配置 参数可调节满足不同需求 从休闲到硬核游戏
跨平台一致 在不同设备上表现一致 多平台发布

1.3 应用领域

  • 🎮 游戏开发：角色移动、物体交互、特效模拟
  • 🎬 电影制作：特效动画、物理模拟
  • 🔬 虚拟仿真：工程模拟、科学可视化
  • 🏗️ 建筑可视化：结构力学演示

⚖️ 二、刚体（Rigidbody）详解

2.1 刚体基础概念

刚体是使游戏对象受物理引擎控制的组件，能够响应力、碰撞和重力。

csharp 复制代码 
// 为物体添加刚体组件
Rigidbody rb = gameObject.AddComponent<Rigidbody>();

2.2 关键属性说明

属性 类型 功能描述 默认值
Mass float 物体质量（千克） 1.0
Drag float 空气阻力系数 0.0
Angular Drag float 旋转阻力系数 0.05
Use Gravity bool 是否受重力影响 true
Is Kinematic bool 是否为运动学刚体 false

2.3 重要属性深度解析

🔧 Drag（空气阻力）
csharp 复制代码 
public class DragExample : MonoBehaviour
{
    void Start()
    {
        Rigidbody rb = GetComponent<Rigidbody>();
        
        // 低阻力 - 物体移动更远
        rb.drag = 0.1f;
        
        // 高阻力 - 物体快速停止
        rb.drag = 2.0f;
    }
}
⚡ Is Kinematic（运动学控制）
csharp 复制代码 
public class KinematicExample : MonoBehaviour
{
    public Rigidbody rb;
    
    void Start()
    {
        rb = GetComponent<Rigidbody>();
        rb.isKinematic = true; // 不受物理力影响
    }
    
    void Update()
    {
        // 手动控制运动学刚体的位置
        if (rb.isKinematic)
        {
            float moveSpeed = 5f;
            float horizontal = Input.GetAxis("Horizontal");
            transform.Translate(Vector3.right * horizontal * moveSpeed * Time.deltaTime);
        }
    }
    
    // 动态切换运动学状态
    void ToggleKinematic()
    {
        rb.isKinematic = !rb.isKinematic;
    }
}
🔒 Constraints（运动约束）
csharp 复制代码 
public class ConstraintsExample : MonoBehaviour
{
    void Start()
    {
        Rigidbody rb = GetComponent<Rigidbody>();
        
        // 冻结X轴位置和Z轴旋转
        rb.constraints = RigidbodyConstraints.FreezePositionX | 
                        RigidbodyConstraints.FreezeRotationZ;
        
        // 常用约束组合
        rb.constraints = RigidbodyConstraints.FreezeAll; // 完全冻结
        rb.constraints = RigidbodyConstraints.None;     // 无约束
    }
}

🎯 三、碰撞体（Collider）全面解析

3.1 碰撞体基础

碰撞体定义物体的物理形状，用于碰撞检测，但不直接参与运动。

3.2 碰撞体类型对比

类型 形状 性能 适用场景
Box Collider 长方体 ⭐⭐⭐⭐⭐ 箱子、建筑物
Sphere Collider 球体 ⭐⭐⭐⭐⭐ 球体、圆形物体
Capsule Collider 胶囊体 ⭐⭐⭐⭐ 角色、柱状物
Mesh Collider 任意网格 ⭐⭐ 复杂形状物体
Terrain Collider 地形 ⭐⭐⭐ 游戏地形
Wheel Collider 车轮 ⭐⭐⭐ 车辆系统

3.3 碰撞体代码示例

csharp 复制代码 
public class ColliderSetup : MonoBehaviour
{
    void Start()
    {
        // 添加盒子碰撞体
        BoxCollider boxCollider = gameObject.AddComponent<BoxCollider>();
        boxCollider.size = new Vector3(1, 1, 1);
        boxCollider.center = Vector3.zero;
        
        // 添加球形碰撞体
        SphereCollider sphereCollider = gameObject.AddComponent<SphereCollider>();
        sphereCollider.radius = 0.5f;
    }
}

3.4 复合碰撞体

csharp 复制代码 
public class CompoundCollider : MonoBehaviour
{
    void Start()
    {
        // 为复杂物体添加多个简单碰撞体
        AddBoxCollider(new Vector3(0, 0.5f, 0), new Vector3(1, 1, 0.2f));
        AddCapsuleCollider(new Vector3(0, 1.5f, 0), 0.3f, 1f);
    }
    
    void AddBoxCollider(Vector3 center, Vector3 size)
    {
        BoxCollider collider = gameObject.AddComponent<BoxCollider>();
        collider.center = center;
        collider.size = size;
    }
    
    void AddCapsuleCollider(Vector3 center, float radius, float height)
    {
        CapsuleCollider collider = gameObject.AddComponent<CapsuleCollider>();
        collider.center = center;
        collider.radius = radius;
        collider.height = height;
    }
}

🔄 四、刚体与碰撞体组合应用

4.1 场景组合分析

场景1：主模型有刚体和碰撞体，目标物体只有碰撞体
csharp 复制代码 
public class Scenario1 : MonoBehaviour
{
    public GameObject targetObject; // 只有碰撞体的目标
    
    void Start()
    {
        // 主模型配置
        Rigidbody rb = gameObject.AddComponent<Rigidbody>();
        BoxCollider collider = gameObject.AddComponent<BoxCollider>();
        
        // 目标物体只有碰撞体（如静态场景）
        if (targetObject != null)
        {
            targetObject.AddComponent<BoxCollider>();
            // 没有刚体，所以不会被撞动
        }
    }
}

适用场景：墙壁、地面等静态环境物体

场景2：主模型只有刚体，目标物体只有碰撞体
csharp 复制代码 
public class Scenario2 : MonoBehaviour
{
    void Start()
    {
        // 主模型只有刚体
        Rigidbody rb = gameObject.AddComponent<Rigidbody>();
        rb.useGravity = true;
        
        // 没有碰撞体 → 直接穿过其他物体
        Debug.Log("物体会直接掉落穿过地面！");
    }
}

问题：缺少碰撞检测，物理交互失效

场景3：双方都有刚体和碰撞体
csharp 复制代码 
public class Scenario3 : MonoBehaviour
{
    public GameObject otherObject;
    
    void Start()
    {
        // 双方都有完整的物理组件
        SetupPhysics(gameObject);
        SetupPhysics(otherObject);
    }
    
    void SetupPhysics(GameObject obj)
    {
        obj.AddComponent<Rigidbody>();
        obj.AddComponent<BoxCollider>();
    }
}

效果：完美的物理交互，模拟真实碰撞

4.2 实际应用案例

csharp 复制代码 
public class BallGame : MonoBehaviour
{
    public GameObject player;
    public GameObject ball;
    public GameObject goal;
    
    void Start()
    {
        // 玩家：刚体 + 胶囊碰撞体
        SetupPlayer(player);
        
        // 球：刚体 + 球形碰撞体
        SetupBall(ball);
        
        // 球门：只有碰撞体（静态）
        SetupGoal(goal);
    }
    
    void SetupPlayer(GameObject playerObj)
    {
        Rigidbody rb = playerObj.AddComponent<Rigidbody>();
        CapsuleCollider collider = playerObj.AddComponent<CapsuleCollider>();
        rb.mass = 70f; // 玩家质量
    }
    
    void SetupBall(GameObject ballObj)
    {
        Rigidbody rb = ballObj.AddComponent<Rigidbody>();
        SphereCollider collider = ballObj.AddComponent<SphereCollider>();
        rb.mass = 0.5f; // 球的质量
    }
    
    void SetupGoal(GameObject goalObj)
    {
        // 球门是静态的，只有碰撞体
        BoxCollider collider = goalObj.AddComponent<BoxCollider>();
        collider.isTrigger = true; // 设置为触发器
    }
}

🛠️ 五、最佳实践与优化建议

5.1 性能优化技巧

技巧 说明 效果
使用简单碰撞体 优先使用Box/Sphere/Capsule 提升性能30-50%
合理设置质量 根据物体大小设置质量 物理模拟更稳定
分层碰撞检测 使用Layer减少不必要的检测 减少计算量
休眠机制 静止物体进入休眠状态 节省CPU资源

5.2 常见问题解决

csharp 复制代码 
public class PhysicsDebug : MonoBehaviour
{
    void FixedUpdate()
    {
        // 检测物理相关问题
        DebugPhysics();
    }
    
    void DebugPhysics()
    {
        Rigidbody rb = GetComponent<Rigidbody>();
        
        // 检查刚体是否休眠
        if (rb.IsSleeping())
        {
            Debug.Log("刚体处于休眠状态");
        }
        
        // 检查碰撞体是否生效
        Collider collider = GetComponent<Collider>();
        if (!collider.enabled)
        {
            Debug.LogWarning("碰撞体未启用！");
        }
    }
}

5.3 物理材质应用

csharp 复制代码 
public class PhysicsMaterialExample : MonoBehaviour
{
    void Start()
    {
        // 创建物理材质
        PhysicMaterial bouncyMaterial = new PhysicMaterial();
        bouncyMaterial.bounciness = 0.8f;  // 弹性
        bouncyMaterial.dynamicFriction = 0.1f; // 动态摩擦力
        
        // 应用物理材质
        Collider collider = GetComponent<Collider>();
        collider.material = bouncyMaterial;
    }
}

🎯 六、实战练习项目

项目1：弹珠台物理模拟

csharp 复制代码 
public class PinballMachine : MonoBehaviour
{
    public GameObject ball;
    public GameObject[] bumpers;
    public GameObject flipperLeft;
    public GameObject flipperRight;
    
    void Start()
    {
        SetupBall();
        SetupBumpers();
        SetupFlippers();
    }
    
    void SetupBall()
    {
        Rigidbody rb = ball.AddComponent<Rigidbody>();
        SphereCollider collider = ball.AddComponent<SphereCollider>();
        rb.mass = 0.1f;
    }
    
    void SetupBumpers()
    {
        foreach (GameObject bumper in bumpers)
        {
            //  bumper只有碰撞体，产生反弹效果
            SphereCollider collider = bumper.AddComponent<SphereCollider>();
            PhysicMaterial material = new PhysicMaterial();
            material.bounciness = 1.0f;
            collider.material = material;
        }
    }
    
    void SetupFlippers()
    {
        //  flipper有刚体和碰撞体，可以运动
        AddFlipperPhysics(flipperLeft);
        AddFlipperPhysics(flipperRight);
    }
    
    void AddFlipperPhysics(GameObject flipper)
    {
        Rigidbody rb = flipper.AddComponent<Rigidbody>();
        BoxCollider collider = flipper.AddComponent<BoxCollider>();
        rb.isKinematic = false;
    }
}

项目2：车辆物理系统

csharp 复制代码 
public class VehiclePhysics : MonoBehaviour
{
    public WheelCollider[] wheelColliders;
    public float motorTorque = 200f;
    public float brakeTorque = 100f;
    
    void FixedUpdate()
    {
        // 车辆物理控制
        float vertical = Input.GetAxis("Vertical");
        float horizontal = Input.GetAxis("Horizontal");
        
        // 驱动轮设置
        for (int i = 0; i < 2; i++) // 前轮驱动
        {
            wheelColliders[i].motorTorque = vertical * motorTorque;
            wheelColliders[i].brakeTorque = Input.GetKey(KeyCode.Space) ? brakeTorque : 0;
        }
        
        // 转向轮设置
        wheelColliders[0].steerAngle = horizontal * 30f;
        wheelColliders[1].steerAngle = horizontal * 30f;
    }
}

💡 总结要点

关键知识点回顾

  1. ✅ 物理引擎：模拟现实物理规律的组件系统
  2. ✅ 刚体：使物体受物理力影响，控制运动
  3. ✅ 碰撞体：定义物体形状，用于碰撞检测
  4. ✅ 组合应用：不同组合产生不同的物理交互效果

学习建议

  1. 🎯 循序渐进：从简单场景开始，逐步增加复杂度
  2. 🔧 实践验证：在Unity中实际测试各种组合效果
  3. 📊 性能意识：注意物理计算的性能影响
  4. 🐛 调试技巧：学会使用物理调试工具

🚀 下一步学习：掌握物理材质、关节组件、射线检测等高级物理特性！

版权声明 ：本文采用 CC BY-NC-SA 4.0 协议
实践建议：在Unity中创建测试场景，亲自体验不同物理组合的效果差异！

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