玩《太空工程師》的都知道飛船開(kāi)著開(kāi)著就歪了這件事有多煩。造了一艘大船推進(jìn)器不對(duì)稱、貨艙裝了重東西、或者說(shuō)你手動(dòng)轉(zhuǎn)向的時(shí)候總得不停按反方向鍵去“剎車”姿態(tài)一塌糊涂。后來(lái)我試著用游戲里的可編程塊寫(xiě)腳本做飛船姿態(tài)矯正實(shí)測(cè)下來(lái)比手動(dòng)穩(wěn)太多了。這篇帖子就把我踩過(guò)的坑和寫(xiě)腳本的思路捋清楚給同樣想搞姿態(tài)矯正的朋友做個(gè)參考。我默認(rèn)你已經(jīng)至少跑過(guò)一個(gè)基礎(chǔ)的可編程塊腳本知道游戲內(nèi)C#是什么概念但細(xì)節(jié)不用怕我會(huì)把關(guān)鍵步驟都拆開(kāi)說(shuō)甚至新手按這個(gè)思路也能做出能用的姿態(tài)矯正。1. 為什么需要姿態(tài)矯正1.1 飛船在空中“跑偏”的高發(fā)場(chǎng)景先聊聊什么情況下你會(huì)需要姿態(tài)矯正而不是靠手動(dòng)按鍵去頂。游戲里的飛船一旦超過(guò)幾十個(gè)小方塊手動(dòng)控制的精度就會(huì)急劇下降。最常見(jiàn)的情況是一邊推進(jìn)器點(diǎn)得多、一邊點(diǎn)得少。哪怕你造的是標(biāo)準(zhǔn)對(duì)稱船戰(zhàn)斗損失、貨倉(cāng)裝礦、鉆頭伸出去鉆小行星都可能導(dǎo)致飛船質(zhì)心偏移。這時(shí)候你按W往一個(gè)方向飛飛著飛著船就朝一邊轉(zhuǎn)。另一個(gè)很常見(jiàn)的就是太陽(yáng)帆太陽(yáng)能板對(duì)朝向敏感你要用它充電必須把船頭對(duì)準(zhǔn)太陽(yáng)但一旦你手動(dòng)調(diào)整過(guò)角度船就會(huì)慢慢晃開(kāi)。還有一種是自動(dòng)導(dǎo)航或者降落的時(shí)候你想讓飛船自動(dòng)對(duì)正某個(gè)朝向比如對(duì)接舷窗的方向但手動(dòng)去按軸轉(zhuǎn)總是要來(lái)回推最后要么轉(zhuǎn)過(guò)頭要么轉(zhuǎn)不到位。所以姿態(tài)矯正腳本最直接解決的就是“不靠人手按鍵、讓飛船自動(dòng)穩(wěn)定在對(duì)準(zhǔn)的朝向”。1.2 手動(dòng)矯正的痛點(diǎn)你先試試純手動(dòng)打“姿態(tài)”按住鼠標(biāo)中鍵拖視角或者用陀螺儀控制方向你會(huì)發(fā)現(xiàn)船是有慣性的。你松開(kāi)按鍵船并不是馬上停而是還會(huì)轉(zhuǎn)一段。你需要在快到位的時(shí)候提前按反方向鍵“剎車”但每次力度很難把握輕了剎不住重了就反向又轉(zhuǎn)了。要是船特別重陀螺儀轉(zhuǎn)速慢來(lái)回修正就更煩。更麻煩的是你在手動(dòng)對(duì)正的時(shí)候沒(méi)法干別的比如你想一邊讓飛船對(duì)準(zhǔn)某個(gè)方向一邊去操作鉆頭純手動(dòng)就很難。而腳本不一樣它每秒幾十次甚至上百次地檢測(cè)偏差、自動(dòng)調(diào)節(jié)推進(jìn)器和陀螺儀的出力飛船就像被一只無(wú)形的手穩(wěn)穩(wěn)扶住。1.3 腳本能省掉哪些操作姿態(tài)矯正腳本可以做到點(diǎn)一下把船頭原地對(duì)準(zhǔn)指定朝向。自動(dòng)鎖錕讓船在飛行時(shí)保持當(dāng)前姿態(tài)相對(duì)慣性不變。配合自瞄、對(duì)接、搜敵等自動(dòng)操作騰出你的手去拉警報(bào)、啟動(dòng)武器或切換視角。我寫(xiě)這個(gè)腳本最主要的目的就是對(duì)準(zhǔn)太陽(yáng)板方位時(shí)不再手動(dòng)糾正其次就是對(duì)接的時(shí)候不再反復(fù)調(diào)方向。實(shí)際用下來(lái)只要陀螺儀數(shù)量夠、推進(jìn)器出力足腳本比老玩家手動(dòng)操作還平滑。2. 姿態(tài)矯正腳本的核心原理2.1 游戲里的朝向是怎么表示的太空工程師里每個(gè)網(wǎng)格Grid有它自己的空間朝向這個(gè)世界坐標(biāo)系是三維的游戲引擎底層用四元數(shù)Quaternion來(lái)表示旋轉(zhuǎn)但在腳本里我們通常把它轉(zhuǎn)成歐拉角Euler Angle方便理解和控制。你可以把飛船的朝向想象成三個(gè)軸船頭朝向、船頂朝向、船右朝向。在代碼里我們用Transform的WorldMatrix來(lái)取得這三個(gè)方向向量。矯正姿態(tài)本質(zhì)上就是讓你船頭指向目標(biāo)方向同時(shí)船頂跟船右也固定在一個(gè)合適的狀態(tài)上也就是整體對(duì)正朝向。很多新手會(huì)把“正面朝向”理解成只要船頭對(duì)就行但實(shí)際游戲中比如對(duì)接、起降、用太陽(yáng)帆都要求“船頂”或者“船側(cè)”也固定。比如你的船頭對(duì)著太陽(yáng)但船頂如果不正刮到旁邊的小行星還是會(huì)麻煩。所以我的腳本里做了全軸矯正不是單軸鎖頭。2.2 PD控制器為什么直接補(bǔ)角度不行自動(dòng)矯正光看“現(xiàn)在朝向”和“目標(biāo)朝向”的差是不夠的。假如你直接按誤差比例加推力船快到目標(biāo)位置時(shí)速度會(huì)特別大直接沖過(guò)頭然后反向再?zèng)_就會(huì)來(lái)回震蕩跟手動(dòng)操作差不多。所以這里要用PD控制器比例項(xiàng)P項(xiàng)負(fù)責(zé)“偏了多少就補(bǔ)多少”微分項(xiàng)D項(xiàng)負(fù)責(zé)“船還在轉(zhuǎn)的時(shí)候提前剎一點(diǎn)”。D項(xiàng)相當(dāng)于阻尼它的作用就是當(dāng)你接近目標(biāo)朝向時(shí)根據(jù)角速度自動(dòng)減弱控制力防止沖過(guò)頭。我用的核心公式大致是這樣誤差向量 目標(biāo)朝向向量 - 當(dāng)前朝向向量 角速度向量 陀螺儀的測(cè)量值每秒轉(zhuǎn)動(dòng)多少弧度 控制力 誤差 * Kp - 角速度 * KdKp和Kd是調(diào)出來(lái)的系數(shù)調(diào)Kp越大”拉回力”越強(qiáng)調(diào)Kd越大“剎車”越強(qiáng)。如果Kp太大Kd太小飛船就來(lái)回晃如果Kd太大飛船反應(yīng)遲鈍像是沒(méi)力氣。2.3 推進(jìn)器與陀螺儀誰(shuí)干誰(shuí)的活姿態(tài)矯正有兩種執(zhí)行機(jī)構(gòu)陀螺儀Gyroscope和推進(jìn)器Thruster。陀螺儀是最適合的旋轉(zhuǎn)執(zhí)行器它的特點(diǎn)是不耗燃料、能直接用功率產(chǎn)生力矩但它的力矩有個(gè)上限由陀螺儀數(shù)量和質(zhì)量決定。如果你的飛船特別大一個(gè)陀螺儀根本掰不動(dòng)得裝幾個(gè)并聯(lián)。陀螺儀的轉(zhuǎn)速和功率都可以通過(guò)腳本控制設(shè)置GyroOverride。推進(jìn)器也能噴出橫向推力產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)力矩但會(huì)消耗燃料推力有限而且如果用反方向的推進(jìn)器剎車會(huì)特別費(fèi)油。不過(guò)在某些情況下——比如你想快速轉(zhuǎn)頭光用陀螺儀太慢可以同時(shí)調(diào)用左右兩側(cè)的推進(jìn)器做輔助偏航。我最終的方案是默認(rèn)用陀螺儀執(zhí)行姿態(tài)穩(wěn)定如果誤差較大超過(guò)30度短暫?jiǎn)?dòng)側(cè)向推進(jìn)器輔助快速轉(zhuǎn)向等誤差小于閾值再切換回全陀螺儀模式。這樣既省燃料又保持平滑。3. 從零寫(xiě)一個(gè)姿態(tài)矯正腳本3.1 腳本環(huán)境和基礎(chǔ)框架在太空工程師里腳本寫(xiě)在編程塊Programmable Block的C#編輯器里游戲每幀或者你設(shè)定的Update頻率都會(huì)調(diào)用Main函數(shù)。你要做的事就是在這個(gè)Main里循環(huán)處理。首先你要拿到主飛船的引用我推薦用Me.CubeGrid獲取當(dāng)前網(wǎng)格。然后拿到所有陀螺儀和推進(jìn)器ListIMyGyro gyros new ListIMyGyro(); ListIMyThrust thrusters new ListIMyThrust(); Me.GridTerminalSystem.GetBlocksOfType(gyros); Me.GridTerminalSystem.GetBlocksOfType(thrusters);注意GetBlocksOfType會(huì)包含所有子網(wǎng)格的部件如果你的船有轉(zhuǎn)子或活塞可能會(huì)拿到別的部分的陀螺儀需要過(guò)濾掉不是本網(wǎng)格的gyros gyros.Where(g g.CubeGrid Me.CubeGrid).ToList();這一步很容易忽略不然你裝了連接的小船上的陀螺儀腳本會(huì)把它們一起控了。3.2 獲取當(dāng)前朝向與目標(biāo)朝向在Main里獲取飛船當(dāng)前位置和朝向IMyCubeGrid grid Me.CubeGrid; Vector3D shipForward grid.WorldMatrix.Forward; // 船頭方向 Vector3D shipUp grid.WorldMatrix.Up; // 船頂方向 Vector3D shipRight grid.WorldMatrix.Right; // 船右方向目標(biāo)朝向怎么定義最常見(jiàn)的是“讓船頭指向某個(gè)位置”比如你想讓船頭對(duì)準(zhǔn)某個(gè)GPS坐標(biāo)點(diǎn)那么目標(biāo)Forward向量就是Vector3D targetForward (targetGPS - grid.GetPosition()).Normalized();如果你還要求船頂方向也固定比如“船頂朝向上方”那么目標(biāo)Up向量可以取世界坐標(biāo)系的上方向。然后就構(gòu)建一個(gè)從當(dāng)前朝向到目標(biāo)朝向的旋轉(zhuǎn)求出旋轉(zhuǎn)軸和旋轉(zhuǎn)角度。C#里有個(gè)高級(jí)方法是計(jì)算四元數(shù)差但更直觀的是用叉積Vector3D rotationAxis Vector3D.Cross(shipForward, targetForward); rotationAxis.Normalize(); double angle Math.Asin(Vector3D.Dot(Vector3D.Cross(shipForward, targetForward).Length(), Vector3D.Dot(shipForward, targetForward) 0 ? 1 : -1));注意這里有個(gè)坑叉積算出的向量的長(zhǎng)度就是sin角直接求Asin就能得到旋轉(zhuǎn)角。但Unity/游戲坐標(biāo)全靠右手系你要小心符號(hào)。我習(xí)慣是先算旋轉(zhuǎn)軸再根據(jù)需求計(jì)算控制方向的符號(hào)。3.3 扭轉(zhuǎn)控制信號(hào)限制轉(zhuǎn)速和推力陀螺儀的控制是通過(guò)一個(gè)方向向量和轉(zhuǎn)速大小來(lái)指定的。在游戲里你給陀螺儀的GyroOverride設(shè)一個(gè)Vector3D它就會(huì)按那個(gè)軸方向轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速由向量長(zhǎng)度決定。把旋轉(zhuǎn)軸和誤差結(jié)合起來(lái)就能產(chǎn)生控制力矩Vector3D rotationError rotationAxis * controlGain;但為了防止船轉(zhuǎn)太快你要對(duì)向量長(zhǎng)度做限制比如限制最大轉(zhuǎn)速為每秒0.5弧度約30度每秒超過(guò)就歸一化。然后對(duì)每個(gè)陀螺儀設(shè)定gyro.GyroOverride true; gyro.GyroOverrideAxis rotationError; gyro.SetValueFloat(GyroOverrideX, ...);實(shí)際操作中我用的是自定義屬性寫(xiě)起來(lái)更方便簡(jiǎn)化的設(shè)置方式如下var errorVector rotationAxis * scaledSpeed; foreach (IMyGyro g in gyros) { g.SetValue(Override, true); g.SetValue(GyroOverrideAxis, errorVector); }需要注意的是游戲里的陀螺儀默認(rèn)是按照網(wǎng)格局部坐標(biāo)來(lái)設(shè)置Override軸的所以你要把世界坐標(biāo)的旋轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)換到網(wǎng)格局部坐標(biāo)。用Vector3D.Transform(rotationAxis, MatrixD.Transpose(grid.WorldMatrix))轉(zhuǎn)換。3.4 完整腳本骨架我把腳本的關(guān)鍵骨架放在下面你可以在自己的編程塊里直接改改參數(shù)跑public Program() { Runtime.UpdateFrequency UpdateFrequency.Update10; } public void Main(string argument, UpdateType updateSource) { IMyGridTerminalSystem gridTerminal GridTerminalSystem; var gyros new ListIMyGyro(); var thrusters new ListIMyThrust(); gridTerminal.GetBlocksOfType(gyros); gridTerminal.GetBlocksOfType(thrusters); // 過(guò)濾子網(wǎng)格 gyros gyros.Where(g g.CubeGrid Me.CubeGrid).ToList(); thrusters thrusters.Where(t t.CubeGrid Me.CubeGrid).ToList(); Vector3D shipPos Me.CubeGrid.GetPosition(); Vector3D targetPos new Vector3D(0, 0, 0); // 這里替換為你的目標(biāo)GPS坐標(biāo) Vector3D currentForward Me.CubeGrid.WorldMatrix.Forward; Vector3D targetForward Vector3D.Normalize(targetPos - shipPos); Vector3D rotationAxis Vector3D.Cross(currentForward, targetForward); double angle Math.Asin(MathHelper.Clamp(rotationAxis.Length(), -1.0, 1.0)); rotationAxis Vector3D.Normalize(rotationAxis); // 如果角度太小就不需要矯正 if (Math.Abs(angle) 0.01) { SetGyroControl(Vector3D.Zero, 0.0f); return; } // 控制增益 float kp 3.0f; float kd 0.5f; // 這里讀取角速度需要從陀螺儀列表讀取 Vector3D shipAngularVelocity gyros.First().GetVelocity(); // 投影到旋轉(zhuǎn)軸 double angularVel Vector3D.Dot(shipAngularVelocity, rotationAxis); // 控制量 double control angle * kp - angularVel * kd; double maxSpeed 0.5; control MathHelper.Clamp(control, -maxSpeed, maxSpeed); Vector3D overrideVec rotationAxis * control; // 轉(zhuǎn)換到局部坐標(biāo) Vector3D localOverride Vector3D.Transform(overrideVec, MatrixD.Transpose(Me.CubeGrid.WorldMatrix)); foreach (IMyGyro g in gyros) { g.Orientation Me.CubeGrid.Orientation; // 確保旋轉(zhuǎn)對(duì)齊 g.SetValueFloat(Override, 1f); g.SetValue(GyroOverrideAxis, localOverride); } // 輔助推進(jìn)器 if (Math.Abs(angle) 0.3) { // 啟動(dòng)推進(jìn)器輔助這里省略只演示陀螺儀 } } void SetGyroControl(Vector3D localOverride, float speed) { foreach (IMyGyro g in gyros) { g.SetValueFloat(Override, speed); g.SetValue(GyroOverrideAxis, localOverride); } }這個(gè)代碼只是演示基礎(chǔ)流程實(shí)際使用還要處理角速度讀取比如從陀螺儀接口里拿實(shí)際的角速度、目標(biāo)朝向在滾動(dòng)方向上的穩(wěn)定控制。如果你只想鎖定船頭方向不關(guān)心滾動(dòng)只控制兩個(gè)軸即可如果要全姿態(tài)矯正你還需要再算一個(gè)“繞Forward軸”的旋轉(zhuǎn)誤差控制船頂和船右的方向。4. 實(shí)戰(zhàn)中的坑與調(diào)試技巧4.1 陀螺儀力不夠怎么瘋狂轉(zhuǎn)不動(dòng)很多人的船很大但只裝了2個(gè)陀螺儀這時(shí)候就算你的控制算法正確飛船也反應(yīng)很慢。我在一艘50萬(wàn)公斤的運(yùn)輸船上裝了4個(gè)大陀螺儀才勉強(qiáng)能在5秒內(nèi)轉(zhuǎn)90度。解決辦法增加陀螺儀數(shù)量并且把Override軸設(shè)成局部坐標(biāo)注意陀螺儀本身也有方向和朝向在網(wǎng)格里裝歪了會(huì)導(dǎo)致軸混疊。陀螺儀設(shè)置里有一個(gè)“轉(zhuǎn)速上限”默認(rèn)可能很低我在腳本里直接把MaxOverrideSpeed調(diào)大一點(diǎn)。如果陀螺儀真的不夠你可以在轉(zhuǎn)向時(shí)用左右舷的推進(jìn)器做輔助轉(zhuǎn)角。我測(cè)試過(guò)對(duì)于大型船最好同時(shí)控制橫搖的推進(jìn)器用噴氣背包和推進(jìn)器的側(cè)噴否則轉(zhuǎn)向角度大時(shí)陀螺儀要轉(zhuǎn)半天。4.2 方向判斷相反左右不分寫(xiě)這個(gè)腳本最常的bug就是Override軸的方向?qū)懛戳?。因?yàn)橥勇輧x的方向向量是“右手定則”而我用的是叉集很可能算出來(lái)的方向正好相反。解決辦法就是加入一個(gè)手動(dòng)“反轉(zhuǎn)”變量bool invert true;如果發(fā)現(xiàn)船越調(diào)越偏就把rotationAxis乘以-1。我在調(diào)試時(shí)開(kāi)著駕駛艙看著船慢慢地往反方向轉(zhuǎn)就知道是這里的正負(fù)號(hào)反了改一次就行。另外如果你腳本里控制的目標(biāo)是船頭對(duì)準(zhǔn)GPS但陀螺儀被裝反了也會(huì)造成方向混亂。所以在代碼里我用gyro.Orientation和網(wǎng)格Orientation做了一次匹配盡量讓陀螺儀的本地方向和網(wǎng)格方向一致。4.3 游戲內(nèi)Update頻率與續(xù)航游戲內(nèi)腳本不是每幀都跑而是基于UpdateFrequency。我用Update10是每10個(gè)Tick約每秒6次跑一次如果你要求非常平滑可以改成Update1每幀但這樣會(huì)消耗更多游戲性能在服務(wù)器里還可能被管理員限制。一般來(lái)說(shuō)姿態(tài)矯正不用每幀都跑每秒6次和每秒60次效果差不多因?yàn)橥勇輧x自身的響應(yīng)本來(lái)就有滯回。不過(guò)你注意PD控制器的Kd要根據(jù)更新頻率來(lái)調(diào)頻率低就適當(dāng)減小Kd否則會(huì)出現(xiàn)控制量亂跳。4.4 堆棧溢出與心跳計(jì)數(shù)有一段時(shí)間我的腳本跑久了會(huì)卡死。排查發(fā)現(xiàn)是花了大量時(shí)間在GetBlocksOfType它每次都掃描整個(gè)網(wǎng)格所以我改進(jìn)成在構(gòu)造方法Program()里只查一次把列表緩存下來(lái)只用引用更新。另一個(gè)小技巧是加一個(gè)調(diào)試輸出用Echo(angle...);在編程塊的LCD上顯示角度誤差和輸出力矩很方便觀察有沒(méi)有調(diào)過(guò)頭。4.5 多軸鎖定別只用船頭如果你的船頭對(duì)準(zhǔn)了目標(biāo)但船身還在慢慢滾這是因?yàn)檩啌Q軸沒(méi)有控制。需要再檢測(cè)船頂方向與目標(biāo)Up方向的夾角施加一個(gè)繞Forward的俯仰/偏航力矩來(lái)穩(wěn)定。我后來(lái)在第2版里加入了“LockFullAttitude”開(kāi)關(guān)可以用參數(shù)控制是否要求船頂也固定。對(duì)接、入塢時(shí)用全鎖定向巡航時(shí)只鎖船頭方便省燃料。5. 調(diào)試參數(shù)速查表這里給你一個(gè)我自己調(diào)參時(shí)的對(duì)照表你直接拿你的船去試Kp先從小調(diào)大Kd從大調(diào)小有一組很合適的工作點(diǎn)場(chǎng)景KpKd結(jié)果船太小陀螺儀響應(yīng)快125非常穩(wěn)但反應(yīng)快中型貨船4陀螺儀52平滑不震超大量級(jí)10陀螺儀輔助推力31.5大角度轉(zhuǎn)向平穩(wěn)剛開(kāi)始測(cè)試20.5安全不飛掉記住原則如果船在目標(biāo)位置前后震蕩把Kp調(diào)小或Kd調(diào)大如果反應(yīng)遲緩轉(zhuǎn)不動(dòng)把Kp調(diào)大或Kd調(diào)小。6. 進(jìn)階把姿態(tài)矯正接入自動(dòng)駕駛當(dāng)你把姿態(tài)矯正腳本跑通后最大的瓶頸不再是“能不能轉(zhuǎn)”而是“怎么和游戲里的自動(dòng)導(dǎo)航協(xié)調(diào)”。我的做法是給編程塊加一個(gè)參數(shù)接口在Main里讀取字符串參數(shù)比如target:GPS:X:Y:Z:0或者用attitude:lock來(lái)切換自動(dòng)矯正模式。然后通過(guò)定時(shí)器塊連接讓駕駛員按一下面板上的某個(gè)按鍵就執(zhí)行一次轉(zhuǎn)向。這樣你可以在一個(gè)控制面板里集成多個(gè)預(yù)設(shè)朝向起飛朝向、入港朝向、太陽(yáng)帆朝向。甚至可以用腳本監(jiān)聽(tīng)傳感器探測(cè)到障礙物后自動(dòng)把船側(cè)偏向不過(guò)這就是另一個(gè)項(xiàng)目了。我實(shí)測(cè)下來(lái)姿態(tài)矯正腳本只要跑起來(lái)、調(diào)參調(diào)穩(wěn)基本不怎么需要再管。用了它之后我手動(dòng)操作率降了七八成再也沒(méi)掉進(jìn)以前那種“按W轉(zhuǎn)圈”的尷尬。最后再分享一個(gè)小技巧腳本跑多了之后也許你會(huì)感覺(jué)某個(gè)朝向總是鎖定不到位那不是算法問(wèn)題很可能是你這個(gè)網(wǎng)格的重心偏偏到一側(cè)了做一個(gè)穩(wěn)定的姿態(tài)矯正不如把重心對(duì)齊一下。先用腳本把船頭指向某個(gè)方向然后關(guān)掉矯正看它往哪側(cè)漂就用這個(gè)信息去做配重。按這個(gè)順序來(lái)遠(yuǎn)比單純調(diào)Kp和Kd更有效。