用Python给娃写个游戏，庆祝嫦娥五号登月
共 2132字，需浏览 5分钟
· 2020-12-07
年末航天有大事，嫦五揽月取岩石。
这几天，有被嫦娥五号刷屏吗？就在本周二晚11点11分，嫦娥五号的着陆器–上升器组合体成功登月，现已正式开展月面采样任务。嫦娥五号将为我国科学家带回约两千克月球岩石和土壤。时隔44年，人类终于能再次从月球带回“土特产”了！
嫦娥五号（图源：中国探月工程）
作为科技爱好者斜杠程序员爸爸，想不想写一个酷炫的月球着陆游戏，给娃秀一秀专业技能 让娃一起开心开心？
今天就来用Python写一个月球着陆仿真游戏吧！
太长不看提示：本例来源于由“Python之父”吉多·范罗苏姆推荐的《父与子的编程之旅》。请滑至文末了解如何获取完整代码。
游
戏
任
务
我们的飞船正准备登月。它携带定量的燃料，这些燃料会为反推发动机提供推力。
在游戏开始时，飞船离月球表面有一定的距离。月球的重力把它向下拉，我们必须使用反推发动机减缓降落速度，让飞船的纵向速度变为0，从而平缓着陆。
注意，必须小心地操作反推发动机。如果用力不足，飞船就会重重地摔在月面；如果用力过猛，则燃料会很快耗尽，飞船会向上飞入太空！
游
戏
界
面
左下角的小灰条表示反推发动机的操作杆，用鼠标上下拖动即可控制推力。
燃料表（绿色）显示当前剩余的燃料。界面上方的文本给出动态变化的速度、加速度、高度和推力。
逻
辑
分
析
反推发动机的推力取决于消耗了多少燃料，有时推力会大于重力，有时则会小于重力。当发动机关闭时，推力为0，此时只剩下重力。
要得到飞船所受的净作用力，只需把推力和重力相加。由于二者的方向相反，因此可以用一个正数和一个负数来表示。一旦得到飞船所受的净作用力，就可以利用公式得出它的速度和位置。
我们的程序必须跟踪以下几点。
- 飞船相对于月面的高度，以及飞船的速度和加速度。
- 飞船的质量（随着燃料的消耗，质量会变化）。
- 反推发动机的推力。推力越大，燃料消耗得就越快。
- 飞船剩余多少燃料。当反推发动机消耗燃料时，飞船会变轻，但是如果燃料耗尽，就不再有推力了。
- 飞船所受的重力。这取决于月球的大小、飞船的质量、燃料的消耗情况等。
开
始
编
写
提示：本文假定你已经安装了Pygame模块。如果还没有安装，请滑至文末查看安装说明。
我们使用Pygame模块编写该游戏，用单次时钟“嘀嗒”作为时间单位。每“嘀嗒”一次，程序就要检查飞船当前所受的净作用力，并更新高度、速度、加速度和剩余燃料等信息，然后根据这些信息更新图片和文本。
1 首先初始化游戏。创建Pygame窗口，加载图像，并为变量设置一些初始值。
import pygame, sys
pygame.init()
screen = pygame.display.set_mode([400,600])
screen.fill([0, 0, 0])
ship = pygame.image.load('lunarlander.png')
moon = pygame.image.load('moonsurface.png')
ground = 540
start = 90
clock = pygame.time.Clock()
ship_mass = 5000.0
fuel = 5000.0
velocity = -100.0
gravity = 10
height = 2000
thrust = 0
delta_v = 0
y_pos = 90
held_down = False
2 为反推发动机定义Sprite类。
class ThrottleClass(pygame.sprite.Sprite):
def __init__(self, location = [0,0]):
pygame.sprite.Sprite.__init__(self)
image_surface = pygame.surface.Surface([30, 10])
image_surface.fill([128,128,128])
self.image = image_surface.convert()
self.rect = self.image.get_rect()
self.rect.left, self.rect.centery = location3 计算飞船的高度、速度、加速度和燃料消耗量。
def calculate_velocity():
global thrust, fuel, velocity, delta_v, height, y_pos
delta_t = 1/fps #对应Pygame循环的一帧
thrust = (500 - myThrottle.rect.centery) * 5.0 #将反推发动机精灵的y坐标转换为推力
fuel -= thrust /(10 * fps) #根据推力减少燃料
if fuel < 0: fuel = 0.0
if fuel < 0.1: thrust = 0.0
delta_v = delta_t * (-gravity + 200 * thrust / (ship_mass + fuel)) #物理公式
velocity = velocity + delta_v
delta_h = velocity * delta_t
height = height + delta_h
y_pos = ground - (height * (ground - start) / 2000) - 90 #将高度转换为Pygame的y坐标
4 使用字体对象显示统计信息。
def display_stats():
v_str = "velocity: %i m/s" % velocity
h_str = "height: %.1f" % height
t_str = "thrust: %i" % thrust
a_str = "acceleration: %.1f" % (delta_v * fps)
f_str = "fuel: %i" % fuel
v_font = pygame.font.Font(None, 26)
v_surf = v_font.render(v_str, 1, (255, 255, 255))
screen.blit(v_surf, [10, 50])
a_font = pygame.font.Font(None, 26)
a_surf = a_font.render(a_str, 1, (255, 255, 255))
screen.blit(a_surf, [10, 100])
h_font = pygame.font.Font(None, 26)
h_surf = h_font.render(h_str, 1, (255, 255, 255))
screen.blit(h_surf, [10, 150])
t_font = pygame.font.Font(None, 26)
t_surf = t_font.render(t_str, 1, (255, 255, 255))
screen.blit(t_surf, [10, 200])
f_font = pygame.font.Font(None, 26)
f_surf = f_font.render(f_str, 1, (255, 255, 255))
screen.blit(f_surf, [60, 300])
5 画出尾焰三角形，尾焰大小会随推力变化而变化。
def display_flames():
flame_size = thrust / 15
for i in range (2):
startx = 252 - 10 + i * 19
starty = y_pos + 83
pygame.draw.polygon(screen, [255, 109, 14], [(startx, starty),
(startx + 4, starty + flame_size),
(startx + 8, starty)], 0)
6 Pygame程序主事件循环，画出所有内容。
myThrottle = ThrottleClass([15, 500]) #创建反推发动机对象
running = True
while running:
clock.tick(30)
fps = clock.get_fps()
if fps < 1: fps = 30
if height > 0.01:
calculate_velocity()
screen.fill([0, 0, 0])
display_stats()
pygame.draw.rect(screen, [0, 0, 255], [80, 350, 24, 100], 2)
fuelbar = 96 * fuel / 5000
pygame.draw.rect(screen, [0,255,0],
[84,448-fuelbar,18, fuelbar], 0) #燃料量
pygame.draw.rect(screen, [255, 0, 0],
[25, 300, 10, 200],0) #画出反推发动机滑块
screen.blit(moon, [0, 500, 400, 100]) #画出月球
pygame.draw.rect(screen, [60, 60, 60],
[220, 535, 70, 5],0) #着陆点
screen.blit(myThrottle.image, myThrottle.rect) #画出操纵杆
display_flames()
screen.blit(ship, [230, y_pos, 50, 90]) #画出飞船
instruct1 = "Land softly without running out of fuel"
instruct2 = "Good landing: < 15m/s Great landing: < 5m/s"
inst1_font = pygame.font.Font(None, 24)
inst1_surf = inst1_font.render(instruct1, 1, (255, 255, 255))
screen.blit(inst1_surf, [50, 550])
inst2_font = pygame.font.Font(None, 24)
inst2_surf = inst1_font.render(instruct2, 1, (255, 255, 255))
screen.blit(inst2_surf, [20, 575])
pygame.display.flip()
7 收尾部分：检查鼠标是否拖动反推发动机，更新反推发动机位置。
else:
display_final()
for event in pygame.event.get():
if event.type == pygame.QUIT:
running = False
elif event.type == pygame.MOUSEBUTTONDOWN:
held_down = True
elif event.type == pygame.MOUSEBUTTONUP:
held_down = False
elif event.type == pygame.MOUSEMOTION:
if held_down:
myThrottle.rect.centery = event.pos[1]
if myThrottle.rect.centery < 300:
myThrottle.rect.centery = 300
if myThrottle.rect.centery > 500:
myThrottle.rect.centery = 500
pygame.quit()
搞定！到底能不能像嫦娥五号一样成功登月呢？今晚就和娃一起试试吧！Happy landing！
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——周自恒，公众号“周花卷”主理人
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