第 12 章　遙控機(jī)器人

作者介紹

Liz Looney

Liz Looney是本書(shū)的合著者之一。她是谷歌的軟件工程師，也是谷歌“機(jī)器人工作小組”(Robotics Task Force)的成員，作為App Inventor團(tuán)隊(duì)的初創(chuàng)成員，她領(lǐng)導(dǎo)了樂(lè)高頭腦風(fēng)暴機(jī)器人(LEGO MINDSTORMS)組件的開(kāi)發(fā)工作。Liz Looney是一位卓越的軟件工程師，有著超過(guò)25年的從業(yè)經(jīng)歷，曾先后在Borland、Oracle及Google公司工作。

本章將創(chuàng)建一個(gè)應(yīng)用，將Android手機(jī)變成LEGO MINDSTORMS NXT 機(jī)器人的遙控器。應(yīng)用中用按鈕來(lái)控制機(jī)器人前后移動(dòng)、左右轉(zhuǎn)動(dòng)和停止，如果機(jī)器人遇到障礙物，它還會(huì)自動(dòng)停止。應(yīng)用中使用具有藍(lán)牙功能的手機(jī)與機(jī)器人通信。

LEGO MINDSTORMS機(jī)器人不只是玩具，更是教具。After-school program 使用機(jī)器人來(lái)教小學(xué)和初中的孩子們掌握解決問(wèn)題的能力，并引導(dǎo)他們了解工程和計(jì)算機(jī)編程。NXT機(jī)器人也用于FIRST LEGO League 機(jī)器人競(jìng)賽，這項(xiàng)比賽允許9-14歲的孩子參加。

NXT可編程機(jī)器人套件中有一個(gè)“NXT智能積木”主單元，它可以控制三個(gè)電機(jī)及四個(gè)輸入傳感器。你可以用樂(lè)高的構(gòu)造元件、齒輪、車輪、電機(jī)和傳感器來(lái)組裝機(jī)器人。該套件自帶的軟件可以對(duì)機(jī)器人進(jìn)行編程，但現(xiàn)在我們將用App Inventor來(lái)創(chuàng)建Android應(yīng)用，通過(guò)藍(lán)牙連接來(lái)控制NXT機(jī)器人。

應(yīng)用中參與協(xié)作的機(jī)器人具有超聲波傳感器以及用于移動(dòng)的車輪，如Shooterbot 機(jī)器人。圖中所示，這款機(jī)器人通常是人們利用LEGO MINDSTORMS NXT 2.0套件建造的第一個(gè)機(jī)器人。它的左車輪與輸出端口C相連，右車輪與輸出端口B相連，顏色傳感器與輸入端口3相連，超聲波傳感器與輸入端口4相連。

學(xué)習(xí)要點(diǎn)

本章用到了以下組件和概念：

• BluetoothClient組件：用于建立Android設(shè)備與NXT機(jī)器人之間的藍(lán)牙連接；

• ListPicker組件：為用戶提供機(jī)器人選擇列表，選中后開(kāi)始建立機(jī)器人到Android的連接；

• NxtDrive組件：用于驅(qū)動(dòng)機(jī)器人的輪子；

• NxtUltrasonicSensor組件：利用機(jī)器人的超聲波傳感器探測(cè)障礙物；

• Notifier組件：顯示錯(cuò)誤消息。

準(zhǔn)備開(kāi)始

本章的應(yīng)用需要Android 2.0或以上版本。此外，出于安全原因，藍(lán)牙設(shè)備必須首先配對(duì)才能彼此連通。在開(kāi)始構(gòu)建應(yīng)用之前，需要按以下步驟使Android設(shè)備與NXT機(jī)器人配對(duì)：

1. 在NXT上單擊向右箭頭，直到顯示“Bluetooth”，然后按下橙色方塊；

2. 點(diǎn)擊向右的箭頭，直到顯示“Visibility”，然后按下橙色方塊；

3. 如果“Visibility”值已設(shè)定為可見(jiàn)，繼續(xù)步驟4；如果不可見(jiàn)，請(qǐng)單擊向左或向右箭頭設(shè)置其值為可見(jiàn)；

4. 在Android設(shè)備上，進(jìn)入設(shè)置→無(wú)線與網(wǎng)絡(luò)；

5. 確保打開(kāi)藍(lán)牙功能；

6. 點(diǎn)擊“藍(lán)牙”；

7. 在“可用設(shè)備”中查找名為“NXT”的設(shè)備；

8. 如果機(jī)器人名字下顯示“已配對(duì)但未連接”字樣，則配對(duì)成功！否則，繼續(xù)執(zhí)行步驟9；

9. 如果機(jī)器人名字下顯示“與此設(shè)備配對(duì)”，則點(diǎn)擊它；

10. 在NXT上，要求輸入密碼，按下橙色方塊接受1234為密碼；

11. 在Android上，也會(huì)要求輸入PIN碼，輸入1234，然后按確定；

12. 現(xiàn)在應(yīng)該看到“已配對(duì)但未連接?！?，說(shuō)明配對(duì)成功！

　注意：如果你曾經(jīng)修改過(guò)機(jī)器人的名字，則尋找機(jī)器人現(xiàn)在的名字，而非“NXT”。

連接到App Inventor網(wǎng)站，創(chuàng)建新項(xiàng)目“NXTRemoteControl”，將設(shè)置屏幕的標(biāo)題為“遙控機(jī)器人”，并連接測(cè)試手機(jī)。

設(shè)計(jì)組件

在這個(gè)應(yīng)用中，我們需要分別創(chuàng)建可見(jiàn)組件及不可見(jiàn)組件，并分別定義它們的行為。

不可見(jiàn)組件

在創(chuàng)建用戶界面之前，先來(lái)創(chuàng)建表12-1中的不可見(jiàn)組件，如圖12-1所示，用來(lái)控制NXT。

表12-1 NXT“機(jī)器人遙控”應(yīng)用中的不可見(jiàn)組件

圖 12-1　在組件設(shè)計(jì)器底部顯示的不可見(jiàn)組件

按以下方式設(shè)置組件的屬性：

1. 設(shè)置NxtDrive1及NxtUltrasonicSensor1的BluetoothClient屬性為 BluetoothClient1；（說(shuō)明輪子的驅(qū)動(dòng)與障礙物的偵測(cè)都需要依賴藍(lán)牙通信——譯者注）

2. 勾選NxtUltrasonicSensor1的BelowRangeEventEnabled屬性(近距離偵測(cè)障礙物功能可用)；

3. 設(shè)置NxtDrive1的DriveMotors屬性

• 如果機(jī)器人的左輪電機(jī)與輸出端口C連接，右輪電機(jī)與輸出端口B連接，則保持默認(rèn)設(shè)置“CB”；

• 如果機(jī)器人的配置與上述不同，則將DriveMotors屬性設(shè)置為兩個(gè)字母的文本，其中第一個(gè)字母是連接左輪電機(jī)的輸出端口，第二個(gè)字母是連接右輪電機(jī)的輸出端口。

4. 設(shè)置NxtUltrasonicSensor1的SensorPort屬性

• 如果機(jī)器人的超聲波傳感器與輸入端口4連接，則保持默認(rèn)值“4”；

• 如果機(jī)器人的配置與上述不同，則將SensorPort設(shè)置為與超聲波傳感器連接的輸入端口。

可視組件

現(xiàn)在創(chuàng)建用戶界面組件，如圖12-2所示。

圖 12-2　組件設(shè)計(jì)器中的應(yīng)用

建立藍(lán)牙連接時(shí)，Android設(shè)備需要訪問(wèn)NXT機(jī)器人具有唯一性的藍(lán)牙地址，但藍(lán)牙地址由8個(gè)用冒號(hào)分隔的2位數(shù)的十六進(jìn)制數(shù)（二進(jìn)制數(shù)的另一種表示方式）組成，輸入起來(lái)異常麻煩，而且每次運(yùn)行應(yīng)用都要在手機(jī)上輸入該地址。為了減少麻煩，使用ListPicker來(lái)顯示已經(jīng)與手機(jī)配對(duì)的機(jī)器人列表（列表項(xiàng)的值為機(jī)器人的名稱及藍(lán)牙地址），并從中選擇一個(gè)。

使用按鍵來(lái)驅(qū)動(dòng)機(jī)器人的前進(jìn)、后退、左右轉(zhuǎn)動(dòng)、停止和斷開(kāi)連接，使用VerticalArrangement來(lái)放置除ListPicker以外的所有組件，用HorizontalArrangement來(lái)放置左右轉(zhuǎn)向及停車按鈕。

按照表12-2中列出的組件來(lái)創(chuàng)建圖12-2所示的用戶界面。

表12-2 NXT機(jī)器人控制器應(yīng)用中的可見(jiàn)組件

按照?qǐng)D12-2所示來(lái)設(shè)置可視組件布局：將LeftButton、StopButton和RightButton放在HorizontalArrangement1中，將ForwardButton、HorizontalArrangement1、BackwardButton和DisconnectButton放在VerticalArrangement1中。 按下列方式設(shè)置組件屬性：

1. 取消勾選Screen1的Scrollable屬性（滾屏功能）；

2. 設(shè)置ConnectListPicker和DisconnectButton的寬度為“Fill parent”；

3. 設(shè)置VerticalArrangement1、ForwardButton、HorizontalArrangement1、LeftButton、StopButton、RightButton及BackwardButton的Width與Height為“Fill parent”；

4. 設(shè)置ConnectListPicker的Text屬性為“連接”；

5. 設(shè)置ForwardButton的Text屬性為“∧”；

6. 設(shè)置LeftButton的Text屬性為“<”；

7. 設(shè)置StopButton的Text屬性為“—”；

8. 設(shè)置RightButton的Text屬性為“>”；

9. 設(shè)置BackwardButton的Text屬性為“∨”；

10. 設(shè)置DisconnectButton的Text屬性為“斷開(kāi)連接”；

11. 設(shè)置ConnectListPicker和DisconnectButton的FontSize屬性為30；

12. 設(shè)置ForwardButton、LeftButton、StopButton、RightButton及BackwardButton的FontSize屬性為40。

在這類應(yīng)用中，當(dāng)手機(jī)與NXT建立藍(lán)牙連接之前，應(yīng)該隱藏用戶的操作界面，為此取消勾選VerticalArrangement1的Visible屬性。不要擔(dān)心，當(dāng)NXT連通后，將重新顯示用戶界面。

為組件添加行為

本節(jié)將編程來(lái)設(shè)置應(yīng)用的行為，包括：

• 用戶從列表中選擇機(jī)器人，并與之建立連接；

• 斷開(kāi)機(jī)器人與應(yīng)用的連接；

• 使用控制按鈕來(lái)操控機(jī)器人；

• 在機(jī)器人偵測(cè)到障礙物時(shí)，讓它停下來(lái)。

連接到NXT機(jī)器人

添加第一個(gè)行為：連接到NXT。點(diǎn)擊 ConnectListPicker將顯示已配對(duì)的機(jī)器人列表，選中一個(gè)，將在應(yīng)用與機(jī)器人之間建立藍(lán)牙連接。

顯示機(jī)器人列表

使用ConnectListPicker組件來(lái)顯示機(jī)器人列表。ListPicker的外表像按鈕，被點(diǎn)擊后則顯示列表項(xiàng)，并允許進(jìn)行單選。

使用BluetoothClient1.AddressesAndNames塊來(lái)提供列表，列表項(xiàng)是已經(jīng)與Android設(shè)備配對(duì)的藍(lán)牙設(shè)備的名稱及地址。由于NXT已經(jīng)將輪驅(qū)動(dòng)及超聲波組件的BluetoothClient屬性設(shè)定為BluetoothClient1，因此AddressesAndNames屬性列表中的設(shè)備會(huì)自動(dòng)限定為這類機(jī)器人，其他類型的藍(lán)牙設(shè)備（如耳機(jī)）將不會(huì)出現(xiàn)在列表中。表12-3列出了所需要的塊。

表12-3 在應(yīng)用中添加ListPicker列表所需要的塊

塊的作用

點(diǎn)擊ConnectListPicker將觸發(fā)ConnectListPicker.BeforePicking事件，并顯示可選項(xiàng)列表。將ConnectListPicker.Elements屬性設(shè)置為 BluetoothClient1.AddressesAndNames塊，來(lái)設(shè)定可選項(xiàng)；ConnectListPicker將顯示已經(jīng)與Android設(shè)備配對(duì)的機(jī)器人列表。

圖 12-3　顯示機(jī)器人列表

　測(cè)試：在手機(jī)上點(diǎn)擊“連接”，看看會(huì)發(fā)生什么，你會(huì)看到所有已經(jīng)與手機(jī)配對(duì)的機(jī)器人列表。

如果只見(jiàn)黑屏，說(shuō)明手機(jī)尚未與任何機(jī)器人配對(duì)；如果見(jiàn)到其他藍(lán)牙設(shè)備，如藍(lán)牙耳機(jī)，說(shuō)明 NxtDrive1與 NxtUltrasonicSensor1的BluetoothClient屬性設(shè)置有誤。

建立藍(lán)牙連接

從列表中選擇一個(gè)機(jī)器人，應(yīng)用將通過(guò)藍(lán)牙與機(jī)器人連接。如果連接成功，用戶界面將發(fā)生變化：隱藏ConnectListPicker，并顯示用戶界面的其余部分。如果機(jī)器人開(kāi)關(guān)沒(méi)有打開(kāi)，則連接失敗，會(huì)彈出錯(cuò)誤信息。

使用call BluetoothClient1.Connect塊與機(jī)器人進(jìn)行連接。ConnectListPicker.Selection屬性提供了選中機(jī)器人的地址和名稱信息。

使用ifelse塊來(lái)測(cè)試連接是否成功。ifelse塊需要連接三個(gè)不同的塊：“if”、“then”及“else”?！癷f”與BluetoothClient1.Connect塊連接，“then”區(qū)域放置連接成功時(shí)要執(zhí)行的塊；“else”區(qū)域放置連接失敗時(shí)要執(zhí)行的塊。

如果連接成功，使用Visible屬性來(lái)隱藏 ConnectListPicker并顯示VerticalArrangement1（其中放置了除ConnectListPicker之外的所有組件）。如果連接失敗，則使用Notifier1.ShowAlert塊來(lái)顯示錯(cuò)誤信息。表12-4列出了設(shè)置上述行為所需的塊。

表12-4與機(jī)器人建立藍(lán)牙連接所需的塊

塊的作用

選中機(jī)器人后將觸發(fā)ConnectListPicker.AfterPicking事件，見(jiàn)圖12-4，BluetoothClient1.Connect塊用于建立與機(jī)器人之間的藍(lán)牙連接。如果連接成功，執(zhí)行“then”塊：隱藏ConnectListPicker按鈕并顯示VerticalArrangement1內(nèi)的所有組件，即，設(shè)置ConnectListPicker.Visible屬性為false，設(shè)置VerticalArrangement1.Visible屬性為true。如果連接失敗，執(zhí)行“else”塊：用Notifier1.ShowAlert塊彈出錯(cuò)誤信息。

圖 12-4　建立藍(lán)牙連接

與NXT斷開(kāi)連接

讓Android設(shè)備與NXT機(jī)器人連接著實(shí)讓人興奮，不過(guò)“斷開(kāi)連接”是我們下面要添加的行為，這樣便于對(duì)連接與斷開(kāi)進(jìn)行連續(xù)測(cè)試。

當(dāng)點(diǎn)擊DisconnectButton時(shí)，應(yīng)用將關(guān)閉藍(lán)牙連接，用戶界面將發(fā)生變化：ConnectListPicker按鈕將重新出現(xiàn)，而用戶界面上的其余組件將被隱藏。

表12-5列出了構(gòu)建BluetoothClient1.Disconnect（斷開(kāi)藍(lán)牙連接）所需的塊。設(shè)置Visible屬性來(lái)顯示 ConnectListPicker按鈕并隱藏VerticalArrangement1中包含的所有組件。

表12-5 與機(jī)器人斷開(kāi)連接所需的塊

塊的作用

點(diǎn)擊DisconnectButton將觸發(fā)DisconnectButton.Clicked事件，如圖12-5所示，斷開(kāi)藍(lán)牙連接要用BluetoothClient1.Disconnect塊，之后設(shè)置ConnectListPicker.Visible屬性為true來(lái)顯示 ConnectListPicker，設(shè)置VerticalArrangement1.Visible屬性為false來(lái)隱藏VerticalArrangement1。

圖 12-5　與機(jī)器人斷開(kāi)連接

　測(cè)試：請(qǐng)確保機(jī)器人已經(jīng)打開(kāi)，點(diǎn)擊手機(jī)上的“連接”按鈕，并選擇要連接的機(jī)器人。建立藍(lán)牙連接需要一點(diǎn)時(shí)間。一旦連接成功，用戶界面將顯示機(jī)器人的控制按鈕，以及“斷開(kāi)連接”按鈕。

單擊“斷開(kāi)連接”按鈕：控制機(jī)器人的按鈕會(huì)消失，“連接”按鈕則重新出現(xiàn)。

操控機(jī)器人

下面是真正有趣的部分：添加前進(jìn)、后退、左右轉(zhuǎn)動(dòng)及停止行為。不要忘記“停止”，否則你手中的機(jī)器人會(huì)失去控制！

NxtDrive組件提供了五個(gè)塊，用來(lái)驅(qū)動(dòng)機(jī)器人的電機(jī)：

• MoveForwardIndefinitely塊：驅(qū)動(dòng)兩個(gè)電機(jī)前進(jìn)；

• MoveBackwardIndefinitely塊：驅(qū)動(dòng)兩個(gè)電機(jī)后退；

• TurnCounterClockwiseIndefinitely塊：驅(qū)動(dòng)機(jī)器人左轉(zhuǎn)：讓右側(cè)電機(jī)向前而左側(cè)電機(jī)后退；

• TurnClockwiseIndefinitely塊：驅(qū)動(dòng)機(jī)器人右轉(zhuǎn)：讓左側(cè)電機(jī)向前而右側(cè)電機(jī)后退；

• Stop將停止電機(jī)。

每個(gè)移動(dòng)及轉(zhuǎn)向塊都有一個(gè)Power參數(shù)，需要與數(shù)字塊配合使用，來(lái)設(shè)定機(jī)器人電機(jī)的輸出功率，取值范圍可以從 0到100。但如果設(shè)置的功率太小，電機(jī)會(huì)發(fā)出吱吱聲而不運(yùn)轉(zhuǎn)。在本例中建議使用90（百分比）。表12-6中列出了所需的塊。

表12-6 用于控制機(jī)器人的塊

塊的作用

如圖12-6所示，點(diǎn)擊ForwardButton按鈕時(shí)觸發(fā)ForwardButton.Clicked事件，此時(shí)調(diào)用NxtDrive1.MoveForwardIndefinitely塊，讓機(jī)器人以90％的功率前進(jìn)，其余按鈕的事件處理程序與此類似，并以相同的功率驅(qū)動(dòng)機(jī)器人后退及左右轉(zhuǎn)動(dòng)。點(diǎn)擊StopButton時(shí)觸發(fā)StopButton.Clicked事件，調(diào)用NxtDrive1.Stop塊讓機(jī)器人停止運(yùn)動(dòng)。

圖 12-6　操控機(jī)器人