在虚幻引擎5中创建自定义摩托车系统
引言
我是一名技术美术，也是 Trailblazer Entertainment LLC 的所有者，该公司旗下拥有 Wilder Way 品牌。过去一年，我一直在为自己的一款游戏——一部线性公路剧情游戏——编写摩托车系统。我不会剧透故事。我只想说，摩托车本质上就是第二个主角：它几乎全程出现在屏幕上，发生在它身上的一切都在为叙事服务。
这就是为什么 Chaos 物理对我来说行不通。事实证明，对于我想要达到的效果来说，它太通用了。如果我做的是汽车，我会坚持用它，也不会写这篇文章。
我首先尝试了简单的办法
我并没有立刻着手编写自己的核心。有两三个月的时间，我试图让自己轻松一些，使用了 Chaos Vehicles。那段时间被浪费了。之后我从头试了四次，每次都在某个节点放弃了。最终让我坚持下来的是阅读：学术论文、摩托车模拟的解构文章。
从这些材料中，一个基础逐渐成形，一旦成形，就清楚了：一个人确实可以构建这套系统。在一年时间里，积累了许多这样的基础。失败像早晨一样规律，天天如此。到那时，我的系统设计已经就绪。我知道自己想要什么。唯一的问题是让它运转起来：
质量与骨架组件
我需要理解质量在机器骨架上如何分布，以及这对它的行为有什么影响。而且不仅仅是车本身的质量；我的骑手不只是一个网格；他是一个影响摩托车运动的重量。实际上，摩托车总是散架。也许我在 Chaos 中做错了什么。我完全承认这是可能的。但我无法弄清楚到底哪里错了。
而这才是最让人疲惫的地方：你一次又一次得到不是你预期的结果，而摆在你面前的是别人代码和模式的大山，你得学会它们才能提出正确的问题。某个时刻，我放弃了整个想法。
伪造所需物理的修补
为了让摩托车表现得像摩托车，而不是一根带轮子的木头，我不得不堆上各种补丁。陀螺效应、轮胎行为、悬挂响应。每个补丁单独来看都运作得不错。问题在于它们加在一起：一层补丁盖在一个如实描述另一种机器的模型之上。你最终要调试的并不是物理，而是补丁之间的相互作用，这要糟糕得多。
两个轮子上的质量与四个轮子上的表现不同
四个接触面时，重量分布赋予车辆性格；两个轮子时，它决定车辆是否倾倒。某个时刻，天平倾斜了。麻烦超过了坐在现成系统上的明显好处。那时我开始编写自己的系统。说明一下：在汽车上，这一切运行得很好，我这么说并无讽刺之意。只是我的车辆恰好是摩托车。
摩托车必须会倒，但并非总是
我花了一些时间才把这个差异用语言表达出来，而且很容易朝两个方向搞错。汽车按定义是稳定的。停止模拟它，它就那么站着。这并非车辆模型中的简化，而是对汽车的正确描述。对于摩托车，一切都取决于速度。
低速时，无论骑手做什么它都会倒。在摩托车动力学文献中，这种模式被称为“翻覆”（capsize），本质上它是一个倒立摆：地面上两个接触点用弹簧连接，所有质量都在它们上方。但一旦达到速度，情况就翻转了。大约从7–8 m/s（即25–30 km/h）开始，摩托车进入一个自身稳定的区间。
你可以把双手从车把上拿开，在侧向推动之后，它会自行回正，完全不需要人的参与。这是破除一个流行迷思的好地方，因为它很顽固。在那个区间支撑摩托车的并不是前轮的陀螺效应。陀螺效应确实存在，但它不是主角，而且在低速时它微乎其微。
早在2011年，Science 上的一篇论文描述了一辆自行车，其陀螺力矩被抵消并且具有负拖曳距，然而在推动后它仍然自行回正。稳定性来自转向几何、质量分布和轮胎行为，这些共同使机器在自身下方转向。这就是稳定器与模型之间的区别来源。
一个稳定力矩能在任何地方、任何速度下同样地提供稳定性，无论是在停车场还是以一百公里时速行驶。一辆由稳定器支撑的摩托车感觉正是如此：骑手没有什么可平衡的，因为没有任何东西失去平衡。一个诚实的模型会给你三种不同的状态。在停车场，机器会倒；在速度中，它自行保持；在两者之间，有一个你能通过车把感受到的过渡。我没有分别编写这三种状态。它们自行涌现。
车与骑手作为同一系统
我不想要一个上面“坐着”人体模型的摩托车；我想要一种共生。这里的骑手是同一机械系统的一部分：他的重量、他的位置、他的动作都输入到物理中。碰撞又是另一回事。引擎在这里有其局限，硬碰硬行不通。
我在一个意想不到的地方找到了解决方案——自动驾驶汽车：一种不是对已经发生的碰撞做出反应，而是为场景中即将发生的事情准备好物理的方法。它几乎不加改动地移植了过来。
所有非骑行状态
这是让我下定决心的论据。某个时刻，我坐下来列出了摩托车在游戏过程中必须经历的所有状态。我得到的清单上，大部分条目与驾驶无关：
- 停在侧支架上
- 停在侧支架上并被撞倒
- 骑行中摔倒
- 侧躺在地面上，平地或坡上，滑动或不滑动
- 被站在旁边的人从地面扶起
- 熄火状态下，用骑手的脚向后退出停车位
- 发动机熄火时滚动，推行启动
车辆运动系统对上述任何状态都没有意见，这并非缺陷，而是范围问题。它的职责是移动一辆四轮机器，而且它做得很好。但摩托车所做的事情中有一半根本不是移动。所以我遇到的并不是物理的局限，而是模型最初打算描述的范围边界。这是不同的问题，其中只有一种可以通过调参解决。
编写自己的核心带来了什么
完全的自由和一大堆集成问题。我必须编写自己的碰撞求解，而且这不是一次性任务；它是整个项目的背景噪音。另一方面，此后的每个系统在不需要和别人的模型讨价还价的情况下就位了。以下就是结果。
摩托车在伸出的任何东西上停靠
一个细节胜过它之上一半的物理。跌倒后，车把转向地面并保持转向。当摩托车被扶起时，它们不会弹回，这与真实摩托车上的表现相符。没有人会自觉地注意到这一点，但每个人都能感觉到。
但要让这起作用，你必须考虑摩托车的形状，而诚实的形状是昂贵的。我找到了一个更简单的方案，而且我喜欢它的效果。摩托车会停在任何实际伸出的东西上，并且每次都以相同的方式停靠。
滑行
第一个版本很简单：摩托车倒下，沿曲线减速。在平坦地面上看起来还行，在其他任何地方都显得荒谬。在 2% 坡度和 20% 坡度上，制动距离竟然相同。我换成了一个更加真实的方案：斜坡施加拉力，地面施加阻力，哪一方赢了，结果就是哪样。仅凭这一条规则，就自然衍生出三种我从未单独编写过的行为：
- 在平坦沥青路面上，摩托车滑行几米后停下
- 在缓坡上，它会明显滑得更远，但最终仍会停下
- 超过一定角度后，它根本停不下来，会一直向下滑，直到地形变得平坦
这正是做整套系统的意义所在。当模型真正描述出对象时，有趣的案例会自己浮现出来。同一套设定让我免费获得了一个意料之外的细节：静摩擦系数高于动摩擦系数，这意味着让倒下的摩托车开始移动，比让它保持移动更难。
于是，它开始缓慢移动的角度会比它最终停下的角度略陡一些。存在一条很窄的坡度区间，摩托车会在那里安静地躺着，直到被什么东西轻轻推动。一旦被推动，它就会滑下去，并且再也不会停下。
扶车应当费力
摩托车倒下，在沥青路面滑行，最终停下来。到这一步，失败状态逻辑通常会触发黑屏并重生。我想要的恰恰相反：这是游戏中唯一能让玩家真切感受到机器重量的时刻，错过就太可惜了。
从玩家的角度来看，过程是这样的：走上前，抓住车，快速按动按钮。屏幕上有一个量表，它会自行消耗；你持续按压多久，车子就抬起到相应的高度。停止按压，车子就会重新落下。于是，这变成了一场短小却相当费力的互动，并且第一次尝试很可能失败。它考验的是毅力，而非反应速度，这更适合这个场景。
车轮
车轮是最让我头疼的部分，实际难度远超我的预想。基础是 Pacejka 模型，但经过大量修改，已经只剩下核心思想还在。有一件事我刻意避免：许多人会用动画蓝图来掩盖物理上的空缺，让视觉效果表现出模型本身并不具备的东西。我走了另一条路，把真实的物理数据输入 AnimBP，而不是用动画取代物理。这条路更昂贵，耗时更长，也无法在截图中体现。但它能在运动中体现出来。
看见不可见之物
其中几乎没有任何一部分可以靠肉眼调试。一辆摩托车哪怕偏差一厘米，看起来也完全正常，直到阴影暴露出问题。所以，这一年里有相当长的时间没有花在模拟上，而是花在让自己能够看到系统所相信的状态上：它认为地面在哪里，它认为什么正在接触，重心在哪里，它是真的静止了，还是只是在极其缓慢地移动。
这是一件很少有人会在建议你自研系统时提到的事情。没有任何内置工具能够反向解释你自己的模型，所以你必须把诊断视为工作的一部分，而不是制作前的准备。我为“看见”所投入的每一个小时，最终都获得了数倍回报。
老实说，这项工程的工作量如此之大，对于一个人来说，与其写成文章，不如做一次演讲，甚至写一本书。
我会再这么做吗？
对于这款游戏，答案是肯定的。这里的摩托车拥有自己的性格，而且它有一半行为都超出了车辆模型的边界。如果它只是任务之间用来代步的载具，那么答案是否定的。那种情况下，使用 Chaos 加上稳定器就是正确的工程答案，我本可以在两周内完成这项任务，而不是花上一年。
这是我会推荐给任何面临同样选择的人的测试：把你对象需要经历的所有状态写下来。如果其中大部分只是从 A 到 B，那就使用引擎自带的系统。如果不是，那么单纯调参无法解决问题。我还会在开始时告诉自己以下几点：
- 工具要在模拟之前编写，而不是等到第一个无法解决的 Bug 之后。
- 失败状态从第一天起就要作为一个完整功能来设计。我的失败状态最初只是骑行代码之上的补丁，直到它们成为独立的功能后才真正生效。
- 最后一厘米的成本，高于最初的一米。
- 不要相信自己代码里那些自信满满的注释。我曾因为相信一条自己写下的注释，花了几个月时间在错误的地方寻找。
结语
以上所述只是整个工作的一小部分。与它共存于同一系统的还有悬挂、两级减震器、前叉和后摇臂、轮胎、转向与反向转向、侧倾、漂移、带电池的燃油系统、握把上的油门，以及一个采用真实物理曲线的引擎。外加大量我已经忘记的小细节。
骑手（包括我自己）是另一类修改意见的来源。这个系统中的某些东西并非来自图纸或公式，而是来自“哪里不对劲”的感觉——必须先捕捉到这种感觉，再向自己解释清楚。
有一件小事情没能写进文章，但值得一提：油门绑定在鼠标滚轮上。在你试过之前这听起来很奇怪，但试过之后，普通的模拟扳机反而显得粗糙了。不过这是另一个话题。
项目正在积极开发中。
Ihor Fridman，Trailblazer Entertainment LLC/Wilder Way 技术美术师兼创始人
相关链接
原文链接：https://80.lv/articles/creating-a-custom-motorcycle-system-for-unreal-engine-5
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