7.2.4 编程实例：模拟炮弹飞行
最后更新于：2022-04-02 00:30:14
### 7.2.4 编程实例：模拟炮弹飞行
本节讨论一个模拟炮弹飞行的程序的设计。我们采用三种设计方法，得到三个版本的程序。通过比较各个版本的差别，可以看出 OOP 与传统的面向过程编程相比具有明显优点。
算法设计
程序规格是输入炮弹的发射角度、初速度和高度，输出炮弹的射程。 虽然可以利用复杂的数学公式直接算出射程，但我们采用模拟炮弹飞行过程的方法来求射程。所谓模拟炮弹飞行过程，就是从炮弹射出炮口开始，计算炮弹在每一时刻的位置（水 平距离和高度），直至炮弹落地。注意，时间和炮弹飞行轨迹都是连续的量，由于计算机不能 处理连续的数值，所以需要将时间和炮弹飞行轨迹“离散化”，也就是将时间划分成一系列离 散的时段，飞行轨迹也相应地划分成一系列离散的点。
炮弹在每一时段所处的位置可以利用简单的中学物理知识求得。将炮弹速度分解成水平 分量和垂直分量，则炮弹在水平方向的运动是匀速直线运动（忽略空气阻力），在垂直方向的 运动是加速运动（因为重力的影响，炮弹先向上减速飞行，减到向上速度为 0 后改为自由落 体运动）。算法伪代码如下：
```
算法：模拟炮弹飞行。
输入：角度 angle（度）、初速度 v（米/秒）、高度 h0（米）、时间间隔 t（秒）
输出：射程（米）
计算初速度分量：先将 angle 换算成弧度单位的 theta，再计算
xv = v * cos(theta)，yv = v * sin(theta)
初始位置：(xpos,ypos) = (0,h0)
当炮弹还未落地（即 ypos >= 0.0）：
更新炮弹在下一时段的位置(xpos,ypos)和垂直速度分量 yv
输出 xpos
```
> ① Java 和 C++中使用的是“this”。
为了理解此算法，请参看示意图 7.9。
图 7.9 模拟炮弹飞行的有关数据
炮弹飞行过程中，水平位置的更新很简单：按照匀速直线运动的规律，每个时段 t 内，
炮弹都飞行 xv * t 距离，因此炮弹在水平方向从 xpos 运动到了新位置
```
xpos = xpos + xv * t
```
炮弹垂直方向位置的变化稍微复杂点：由于重力的影响，炮弹向上速度每秒减少 9.8 米/ 秒，经过时段 t，向上速度变成了
```
yv1 = yv - 9.8 * t
```
而炮弹在时段 t 内垂直方向位移可以用这段时间的平均速度乘 t 来计算，因为时段 t 内的平均 速度为起点速度 yv 与终点速度 yv1 之和的一半，故时段 t 内的垂直方向位移为
```
(yv + yv1) / 2.0 * t
```
于是，经过时段 t 后，炮弹在垂直方向的新位置为
```
ypos = ypos + (yv + yv1) / 2.0 * t
```
最后要说明的是，模拟炮弹飞行的循环语句的条件 y>=0 中之所以用等号，是为了使程 序在初始高度为 h0 = 0 的情况下也能进入循环进行模拟。一旦算出炮弹最新高度小于 0，则 终止循环。
下面是完整程序：
【程序 7.4】cball1.py
```
# -*- coding: cp936 -*-
from math import pi,sin,cos
def main():
angle = input("输入发射角度(度): ")
v = input("输入初速度(米/秒): ")
h0 = input("输入初始高度(米): ")
t = input("输入时间间隔(秒): ")
theta = (angle * pi) / 180.0
xv = v * cos(theta)
yv = v * sin(theta)
xpos = 0
ypos = h0
while ypos >= 0:
xpos = xpos + t * xv
yv1 = yv - t * 9.8
ypos = ypos + t * (yv + yv1) / 2.0
yv = yv1
print "射程: %0.1f 米." % (xpos)
main()
```
以下是程序 7.4 的一次执行结果：
```
输入发射角度(度): 56
输入初速度(米/秒): 300
输入初始高度(米): 2
输入时间间隔(秒): 0.1
射程: 8522.1 米.
```
用写作文打比方的话，程序 7.4 采用的是流水帐式的、毫无章法结构的作文方法，它将所有数据和操作语句全都混在一起。程序虽然不长，却使用了 10 个变量，要想理解这个程序就必须时刻记牢并跟踪这 10 个数据的变化，这对人脑来说是个不小的负担。 模块化程序设计有助于改善程序的结构，增强程序的易理解性。我们利用模块化来重新组织程序 7.3 中的语句，形成一些具有相对独立性的模块（函数）。下面就是炮弹模拟程序的 模块化版本：
【程序 7.5】cball2.py
```
# -*- coding: cp936 -*- from math import pi,sin,cos
def getInputs():
a = input("输入发射角度(度): ")
v = input("输入初速度(米/秒): ")
h = input("输入初始高度(米): ")
t = input("输入时间间隔(秒): ") return a,v,h,t
def getXY(v,angle):
theta = (angle * pi) / 180.0
xv = v * cos(theta)
yv = v * sin(theta) return xv,yv
def update(t,xpos,ypos,xv,yv): xpos = xpos + t * xv
yv1 = yv - t * 9.8
ypos = ypos + t * (yv + yv1) / 2.0
yv = yv1
return xpos,ypos,yv
def main():
angle, v, h0, t = getInputs()
xv, yv = getXY(v,angle) xpos = 0
ypos = h0
while ypos >= 0:
xpos,ypos,yv = update(t,xpos,ypos,xv,yv)
print "射程: %0.1f 米." % (xpos)
```
与程序 7.4 相比，程序 7.5 的主程序 main 显得非常简洁、容易理解。main 中用到的变量 从 10 个减到 8 个，少掉的两个变量是 theta 和 yv1。变量 theta 存储的是以弧度为单位的发射 角度，它是为了符合 math 库中三角函数的用法而临时创建的中间数据，对程序来说既不是输 入数据，又不是输出数据，也不是贯穿算法始终的关键数据。因此，将 theta 隐藏在用到它的 函数 getXY 中，是符合它的“跑龙套”身份的做法。基于同样的理由，yv1 也被隐藏在了函 数 update 中。
然而，尽管模块化编程改善了程序的结构，使程序易读易理解，但程序 7.5 的主程序仍 然比较复杂。为了描述炮弹的飞行状态，需要 xpos、ypos、xv 和 yv 等 4 个数据，其中 xpos、 ypos 和 yv 是随时间 t 而变的，需要时时更新，这就导致了主循环中的那个复杂、累赘的函数 调用：
```
xpos,ypos,yv = update(t,xpos,ypos,xv,yv)
```
函数作为功能黑盒子，应该提供简明易用的接口，而 update 函数的设计显然不够简明易 用，它需要输入 5 个参数，并输出 3 个返回值。这就像一台设计拙劣的电视机，从机壳内伸 出七八根电线，买回家后需要完成复杂的接线之后才能收看电视。请记住，如果函数接口过 于复杂，往往表明这个函数的设计需要改善。
最后，我们用 OOP 来编写炮弹模拟程序。炮弹原本是现实世界中的一个对象，传统编 程方法却用 xpos、ypos、xv 和 yv 等四个分离的数据来描述它，这是典型的“只见树木不见 森林”。假如有一个 Projectile 类来描述炮弹对象，有关炮弹的一切信息和行为都封装在这个 类中，那么在主程序中要做的就是创建一个炮弹对象，然后由这个对象自己完成所有的计算 任务，代码形如：
```
def main():
angle, vel, h0, time = getInputs()
cball = Projectile(angle, vel, h0)
while cball.getY() >= 0:
cball.update(time)
print "射程: %0.1f 米." % (cball.getX())
```
这段程序的含义是：首先输入炮弹的初始数据 angle、v、h0 以及计算炮弹飞行位置的时间间 隔 t；然后利用这些初始值创建炮弹对象；接着进入主循环，不断请求炮弹更新其位置，直 至炮弹落地。程序中只用到必不可少的 4 个初始数据，其他数据都隐藏在 Projectile 类当中， 这使得程序逻辑非常清晰、易理解。
当然，主程序之所以简单，是因为复杂性都被隐藏在类当中了。下面来考虑 Projectile 类 的定义。前面主程序中实际上已经提出了对类的要求，即类中必须实现 update、getX 和 getY 方法。此外，还必须定义类的构造器。
构造器 \_\_init\_\_用于初始化新创建的对象，比如为对象的实例变量赋初值。炮弹对象的实 例变量显然应该包括描述炮弹状态的四个数据：xpos、ypos、xv 和 yv。初始化代码如下：
```
def __init (self, angle, velocity, height):
self.xpos = 0.0
self.ypos = height
theta = pi * angle / 180.0
self.xv = velocity * cos(theta)
self.yv = velocity * sin(theta)
```
注意变量 theta 的用途是临时性的，其值只在此处用到，别处不需要，因此没有必要将 theta 也作为炮弹对象的实例变量，而应作为普通的局部变量。
方法 getX 和 getY 很简单，分别返回实例变量 self.xpos 和 self.ypos 的当前值即可。
update 方法是最核心的方法，它的任务是更新炮弹在某个时间间隔后的状态。只需传递 一个时间间隔参数 t 给 update 即可，这比程序 7.5 中的 update 简单多了。代码如下：
```
def update(self,time):
self.xpos = self.xpos + time * self.xv
yv1 = self.yv - time * 9.8
self.yp = self.yp + t * (self.yv + yv1)/2.0
self.yv = yv1
```
注意 yv1 也是一个普通的临时变量，它的值在下一次循环中就是 yv 的值，因此程序中将其值保存到实例变量 self.yv 中。
至此，我们就完成了 Projectile 类的定义。再添加 getInputs 函数后，就得到完整的面向 对象版本的炮弹模拟程序。
【程序 7.6】cball3.py
```
from math import pi,sin,cos
class Projectile:
def __init__ (self,angle,velocity,height):
self.xpos = 0.0
self.ypos = height
theta = pi * angle / 180.0
self.xv = velocity * cos(theta)
self.yv = velocity * sin(theta)
def update(self, time):
self.xpos = self.xpos + time *
self.xv yv1 = self.yv - 9.8 * time
self.ypos = self.ypos + time * (self.yv + yv1) / 2.0
self.yv = yv1
def getX(self):
return self.xpos
def getY(self):
return self.ypos
def getInputs():
a = input("输入发射角度(度): ")
v = input("输入初速度(米/秒): ")
h = input("输入初始高度(米): ")
t = input("输入时间间隔(秒): ") return a,v,h,t
def main():
angle,v,h0,t = getInputs()
cball = Projectile(angle,v,h0)
while cball.getY() >= 0:
cball.update(t)
print "射程: %0.1f 米." % (cball.getX())
```
本程序三种版本的设计思想变迁，可以用图 7.10 来刻划。
(a) 非模块化过程 (b) 模块化 （c）面向对象
图 7.10 炮弹模拟程序不同设计方法的变迁
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