Unity 内的敌人AI

作者：孙广东

一、Enemy Aim AI

目的

本文旨在让您了解如何使用 Enemy Aim AI。通过学习，您将掌握让敌人持续监视玩家的方法。

原理概述

Enemy aim AI 在需要敌人持续监视玩家的场景中非常实用。在真实世界场景里，物体获取目标需要时间，因此敌人在锁定目标系统前也会有一定的反应时间。这种效果可以通过对敌人朝向玩家的旋转角度进行插值（Lerping）来实现，这在动作游戏中，敌人跟随、瞄准并射击玩家的场景中尤为有用。此前发布的博客中已讨论过敌人跟随的概念，在实现游戏中的相关功能时，理解四元数的概念至关重要。

四元数用于存储对象的旋转信息，还能计算方向。虽然可以直接使用欧拉角，但可能会出现“万向锁”的问题。在本地坐标系中，如果先旋转模型的 X 轴，其 Y 轴和 Z 轴会因万向节锁而“锁定”在一起。

示例步骤

1. 创建代表玩家的 Cube

• 创建一个 Cube，将其作为玩家控制的对象。
• 为其网格渲染器应用适当的材质。
• 将 TargetMovementScript 脚本应用到该游戏对象上，使 Cube 能根据玩家的指令移动。

以下是 TargetMovementScript.cs 的代码：

public class TargetMovementScript : MonoBehaviour
{
public float targetSpeed = 9.0f; // 物体移动的速度
void Update()
{
transform.Translate(Input.GetAxis("Horizontal") * Time.deltaTime * targetSpeed,
Input.GetAxis("Vertical") * Time.deltaTime * targetSpeed, 0);
}
}

2. 创建敌人对象

敌人对象由箭头和 Cube 组成，具体步骤如下：

• 为 Cube 应用适当的材质。
• 将箭头 Sprite 作为一个独立的对象。
• Cube 指示箭头的方向，箭头充当敌人的枪。
• 箭头将指向目标对象，模拟敌人试图锁定目标的效果。
• 可以操纵敌人锁定目标的速度，不同的敌人应具有不同的难度和功能。例如，坦克锁定目标的时间应比持枪士兵长。

以下是 EnemyAimScript.cs 的代码：

public class EnemyAimScript : MonoBehaviour
{
public Transform target; // 目标对象
public float enemyAimSpeed = 5.0f; // 敌人锁定目标的速度
Quaternion newRotation;
float orientTransform;
float orientTarget;

void Update()
{
orientTransform = transform.position.x;
orientTarget = target.position.x;

// 检查目标在物体的哪一侧（右侧或左侧）
if (orientTransform > orientTarget)
{
// 计算旋转角度，使箭头指向目标
newRotation = Quaternion.LookRotation(transform.position - target.position, -Vector3.up);
}
else
{
newRotation = Quaternion.LookRotation(transform.position - target.position, Vector3.up);
}

// 冻结 X 和 Y 轴的旋转，确保箭头正确移动
newRotation.x = 0.0f;
newRotation.y = 0.0f;

// 最终旋转并瞄准目标方向
transform.rotation = Quaternion.Lerp(transform.rotation, newRotation, Time.deltaTime * enemyAimSpeed);

// 另一种实现方式
// transform.rotation = Quaternion.RotateTowards(transform.rotation, newRotation, Time.deltaTime * enemyAimSpeed);
}
}

备注

• 可以改变敌人的目标并设置锁定目标的速度。
• 可以通过允许 X 或 Y 轴旋转的脚本来深入理解相关概念。
• 可以为敌人添加 Follow 脚本，使其能够跟随并瞄准玩家。
• 除了使用 Quaternion.Lerp，还可以使用 Quaternion.RotateTowards 达到相同的效果。

二、通过有限状态机实现 AI

目的

本文将介绍如何使用有限状态机模型在 Unity 中实现 AI。

FSM 基础知识

在游戏中，使用有限状态机框架（Finite State Machine Framework）实现 AI 是一种理想的选择，它能在不使用复杂代码的情况下产生出色的效果。

有限状态机是一个由一个或多个状态组成的模型，在某一时刻只有一个状态处于活动状态。为了执行不同的操作，机器必须在不同状态之间进行转换。该框架常用于管理、组织和表示游戏中的不同状态和执行流，在实现人工智能方面非常有用。例如，敌人的“大脑”可以使用有限状态机来实现，每个状态代表一个动作，如巡逻、追逐、逃避或射击等。

AI FSMs 的工作方式与 Unity 的动画 FSMs 类似，动画状态会根据要求进行切换。可以通过使用第三方插件（如行为树）来实现 AI FSM，也可以直接通过脚本实现。

为了获取有限状态机框架的基本概念，我们将通过一个简单的教程，使用 switch 语句来实现。后续还将学习如何使用框架使 AI 实现更易于管理和扩展。

示例步骤

我们将创建两个 Box，一个由玩家控制，另一个由 AI 控制。AI 控制的 Box 有追逐（chasing）和巡逻（patrolling）两种状态。当玩家控制的 Box 接近 AI 控制的 Box 时，AI Box 将进入追逐状态；当玩家 Box 远离到一定距离时，AI Box 将切换回巡逻状态。

Step - 1: 场景设置

在场景中设置一个平面和两个 Box，布局如下图所示。

Step - 2: 创建并放置游戏对象

• 创建空的游戏对象，并将其命名为 Wanderer Points，将这些空对象放置在平面周围。
• 蓝色的 Cube 为 AI Cube，红色的 Cube 为玩家控制的 Cube，将它们放置在适当的距离。

Step - 3: 实现 BoxMovement 脚本

实现 BoxMovementScript 脚本来控制玩家的 Cube 的移动，代码如下：

public class BoxMovementScript : MonoBehaviour
{
public float speed = 0.1f;
private Vector3 positionVector3;

void Update()
{
InitializePosition();
if (Input.GetKey(KeyCode.LeftArrow))
{
GoLeft();
}
if (Input.GetKey(KeyCode.RightArrow))
{
GoRight();
}
if (Input.GetKey(KeyCode.UpArrow))
{
GoTop();
}
if (Input.GetKey(KeyCode.DownArrow))
{
GoDown();
}
RotateNow();
}

private void InitializePosition()
{
positionVector3 = transform.position;
}

private void RotateNow()
{
Quaternion targetRotation = Quaternion.LookRotation(transform.position - positionVector3);
transform.rotation = targetRotation;
}

private void GoLeft()
{
transform.position = transform.position + new Vector3(-speed, 0, 0);
}

private void GoRight()
{
transform.position = transform.position + new Vector3(speed, 0, 0);
}

private void GoTop()
{
transform.position = transform.position + new Vector3(0, 0, speed);
}

private void GoDown()
{
transform.position = transform.position + new Vector3(0, 0, -speed);
}
}

Step - 4: 构建 FSM 模型脚本

以下是 FSM.cs 的代码：

public class FSM : MonoBehaviour
{
// 玩家的 Transform
protected Transform playerTransform;
// Box 的下一个目标位置
protected Vector3 destPos;
// 巡逻点列表
protected GameObject[] pointList;

protected virtual void Initialize()
{
}

protected virtual void FSMUpdate()
{
}

protected virtual void FSMFixedUpdate()
{
}

void Start()
{
Initialize();
}

void Update()
{
FSMUpdate();
}

void FixedUpdate()
{
FSMFixedUpdate();
}
}

Step - 5: 构建 Box 的 AI 脚本

以下是 BoxFSM.cs 的代码：

public class BoxFSM : FSM
{
public enum FSMState
{
None,
Patrol,
Chase
}

// 当前 Box 所处的状态
public FSMState curState;
// Box 的移动速度
private float curSpeed;
// Box 的旋转速度
private float curRotSpeed;

// 初始化 AI 驱动的 Box 的有限状态机
protected override void Initialize()
{
curState = FSMState.Patrol;
curSpeed = 5.0f;
curRotSpeed = 1.5f;

// 获取巡逻点列表
pointList = GameObject.FindGameObjectsWithTag("WandarPoint");

// 为巡逻状态设置随机目标点
FindNextPoint();

// 获取目标敌人（玩家）
GameObject objPlayer = GameObject.FindGameObjectWithTag("Player");
playerTransform = objPlayer.transform;

if (!playerTransform)
{
print("Player doesn't exist.. Please add one with Tag named 'Player'");
}
}

// 每帧更新
protected override void FSMUpdate()
{
switch (curState)
{
case FSMState.Patrol:
UpdatePatrolState();
break;
case FSMState.Chase:
UpdateChaseState();
break;
}
}

protected void UpdatePatrolState()
{
// 到达当前目标点后，寻找下一个随机巡逻点
if (Vector3.Distance(transform.position, destPos) <= 2.5f)
{
print("Reached to the destination point\ncalculating the next point");
FindNextPoint();
}
// 检查与玩家 Box 的距离，接近时切换到追逐状态
else if (Vector3.Distance(transform.position, playerTransform.position) <= 15.0f)
{
print("Switch to Chase State");
curState = FSMState.Chase;
}

// 旋转到目标点
Quaternion targetRotation = Quaternion.LookRotation(destPos - transform.position);
transform.rotation = Quaternion.Slerp(transform.rotation, targetRotation, Time.deltaTime * curRotSpeed);

// 向前移动
transform.Translate(Vector3.forward * Time.deltaTime * curSpeed);
}

protected void FindNextPoint()
{
print("Finding next point");
int rndIndex = Random.Range(0, pointList.Length);
float rndRadius = 5.0f;
Vector3 rndPosition = Vector3.zero;
destPos = pointList[rndIndex].transform.position + rndPosition;

// 检查移动范围，若不合适则重新确定随机点
if (IsInCurrentRange(destPos))
{
rndPosition = new Vector3(Random.Range(-rndRadius, rndRadius), 0.0f, Random.Range(-rndRadius, rndRadius));
destPos = pointList[rndIndex].transform.position + rndPosition;
}
}

protected bool IsInCurrentRange(Vector3 pos)
{
float xPos = Mathf.Abs(pos.x - transform.position.x);
float zPos = Mathf.Abs(pos.z - transform.position.z);
if (xPos <= 8 && zPos <= 8)
{
return true;
}
return false;
}

protected void UpdateChaseState()
{
// 将目标位置设置为玩家的位置
destPos = playerTransform.position;

// 检查与玩家 Box 的距离，若玩家太远则切换回巡逻状态
float dist = Vector3.Distance(transform.position, playerTransform.position);
if (dist >= 15.0f)
{
curState = FSMState.Patrol;
FindNextPoint();
}

// 旋转到目标点
Quaternion targetRotation = Quaternion.LookRotation(destPos - transform.position);
transform.rotation = Quaternion.Slerp(transform.rotation, targetRotation, Time.deltaTime * curRotSpeed);

// 向前移动
transform.Translate(Vector3.forward * Time.deltaTime * curSpeed);
}
}

注意事项

此脚本适用于需要跟随玩家的 Cube，不要忘记将玩家对象标记为 Player，将巡逻点对象标记为 WandarPoint。FSMUpdate() 方法会在子类中重写，并在每个 Update() 中执行。通过 switch 语句，脚本可以根据当前状态执行相应的操作，因此扩展 AI 非常简单，只需添加新的状态即可。Initialize() 方法也会在 Start() 方法中被调用执行。

结论

有限状态机（FSM）易于理解和实现，可用于执行复杂的 AI。它可以用图来表示，方便开发人员理解，开发人员可以轻松调整、改变和优化最终结果。有限状态机使用函数或方法来表示状态执行，简单、强大且易于扩展。使用基于堆栈的状态机可以确保执行流易于管理和稳定，即使在实现更复杂的 AI 时也不会对代码产生负面影响。因此，使用有限状态机可以让您的敌人更聪明，助力您的游戏取得成功。