在游戏开发领域，尤其是汽车竞速类游戏，打造一个既真实又流畅的车辆模型无疑是核心难题之一。AV-Racer项目的首篇开发日志，记录了作者从最初的想法到建立基础功能汽车模型的全过程，体现了游戏物理模拟中的权衡与技术实践。本文将详细解读该过程，梳理车辆模拟设计中重要的力学原理及方法，帮助开发者理解如何在有限资源和技术条件下构建良好的驾驶体验。 最初，开发团队试图模拟真实汽车的车身和车轮力学，希望通过物理计算驱动车辆。然而，由于对汽车物理的认知有限，加之复杂的轮胎力学难以掌控，尝试逼真模拟反而导致系统难以稳定运行。经过反复讨论和调研，团队决定放弃细节过多的多轮模型，转而采用更简化的单一轮或者滚动球模型，旨在保证系统稳定的同时，提升玩家的操控乐趣。
模型的基础由二维空间中的位置与速度向量构成，汽车的位置由二维坐标表示，速度则带有方向性和大小。通过键盘输入控制油门，系统将油门信号转化为朝向车辆前进方向的加速度向量，持续作用于车辆速度中。通过不断累加速度向量，车辆在地图上产生移动效果。与此同时，车辆的角速度控制它的转向角度，实现旋转操作。 加速度的计算结合了汽车当前朝向角度，将该角度转化为单位向量。这个方向矢量乘以油门值及其对应的调整系数，形成最终作用于车辆的加速度矢量。
例如，车头朝向角为θ，则纵向单位矢量为(cosθ, sinθ)，通过乘以油门输入获得加速方向的力。这种基于角度的向量计算，为车辆提供了明确而灵活的前进动力。 制动过程同样采用向量方法。当玩家按下刹车时，系统生成一个与当前速度向量方向相反的力，大小取决于制动踏板的输入力度以及一个预设的制动系数。通过对速度矢量归一化后取反并放大处理，实现车辆减速的效果。这种简单的制动力方程，在提供直接响应的基础上，避免了复杂但容易出错的物理模拟。
为避免车辆在低速状态下制动时出现震荡或过冲，团队引入了摩擦力的概念。摩擦力是一种与车辆当前速度方向相反、大小依赖于速度大小的阻碍力。为了使摩擦力在不同速度下表现合理，使用了基于指数函数的对数缩放器，动态调整摩擦系数，确保其主要在低速有效，模拟地面摩擦对车辆停滞的影响。摩擦力的数学表达式结合了速度向量及其长度，并通过对数函数曲线调节，使车辆减速过程更加平稳。 此外，高速运行时空气阻力对车辆性能产生重要影响。开发者设计了一个阻力向量，其大小和车辆当前速度成正比，方向与速度相反，用以限制车辆的无限加速。
空气阻力向量通过一个阻力系数与车辆速度向量相乘获得，并被持续施加在车辆运动中，从而模拟现实中的空气阻力和机械系统摩擦。 上述四个主要力的叠加，形成车辆速度的变化矢量。它们作用于车辆的当前速度上，实现对车辆运动的更新与控制。结合插值技术和逐帧计算，确保车辆运动的平滑性和连贯性。 转向机制是汽车游戏中体验感的关键环节。开发团队针对车辆角速度设计了简化模型，避免复杂的侧向力或轮胎附着力计算。
角速度限幅值随着车辆速度的增加而递减，保证车速越高，转向角速度越小。通过一个转向系数调节车辆转向灵敏度，结合对转向信号的实时反馈，更新和限制角速度，实现“速度越快转向越平缓”的自然感受。 为丰富驾驶体验，防止车辆转弯过于死板，设计了滑移效果的模拟方法。车辆速度矢量被分解为车辆正前方方向的纵向分量和垂直方向的横向分量，再通过滑移系数缩放横向分量，有效减弱侧向速度，制造车辆滑动但仍在控制范围内的视觉和操作感。该滑移模型无需复杂抓地力模拟即可带来生动的车辆动态表现。 在计算细节上，车辆速度矢量的分解使用点积来实现。
点积工具可以获得一个向量在另一个向量上的投影长度，结合单位向量的乘法，可还原向量到指定方向。这样便于明确有哪些速度分量负责前进，哪些分量表现侧滑，从而实现针对性调节。 考虑到模拟中步长对准确度的重要性，团队引入了子步进机制。将每一帧的物理计算拆解为多次较小时间步长执行，减少因时间间隔过大导致的物理异常和数值不稳定。通过乘以子步数的倒数，保证整体计算不受拆分影响，提高了物理模拟的稳定性和连续性。 尽管上述系统取得了较好效果，但开发者发现车辆在转弯时过度滑行，且旋转角速度与视觉转向角度存在不协调的问题，导致整体表现更接近悬浮体而非地面车辆。
为了优化这一点，开发者参考专业建议，对原有角速度限制机制做出改进。通过引入基于车辆自身角度的转向输入调节，并附加角速度阻尼项，实现了更贴近真实车辆惯性的旋转表现。阻尼项作为负反馈，抑制角速度过快变化，带来更自然的转向感觉。 车辆滑移过程中，团队额外引入了滑移累积器。滑移累积器会随车辆横向速度增长而增加，当车辆过度滑动时，滑移影响力也增强，从而真实体现抓地力损失后的滑动感。滑移累积器同时会在缺乏侧向速度输入时快速衰减，使车辆在直线行驶时快速恢复抓地力。
该机制使车辆滑动效果更符合玩家预期，既拥有足够的灵活性，又避免了无序漂移。 最终，通过结合驱动输入、刹车力度、手刹情况与滑移累积器，滑动系数得以动态调整，使车辆在不同赛道表面和天气条件下表现不同滑移程度，丰富了游戏玩法层次，同时减少了复杂物理计算的系统负担。 回顾整个开发过程，作者强调了简化物理模型在独立开发条件下的重要作用。通过合理设计力的叠加和状态机逻辑，实现了动作灵活且易于调节的车辆动力学。使用ImGui等辅助工具，更方便地调整各物理系数与参数，大幅提升调试效率和游戏体验优化速度。 未来的开发方向将着重于赛道场景的创建与管理，实现完整的竞速体验。
同时，作者将继续完善车辆模型，使其在操作反馈和视觉表现上更贴近现实，同时保持游戏的可玩性与乐趣。通过持续迭代，AV-Racer期望为玩家带来既刺激又易上手的赛车体验。 整体而言，AV-Racer团队的这次尝试展示了如何平衡真实与简化，通过聚焦核心体验设计制造令人满意的驾驶乐趣。对于游戏开发者来说，不必盲目追求高精度物理模拟，恰当的简化与巧妙的力学设计同样能够打造出令人印象深刻的竞速游戏作品。随着项目的推进，未来将展现更多关于路面材质、天气影响及车辆细节调节的实用方法和技术分享。
