第 12 章　遙控機器人

作者介紹

Liz Looney

Liz Looney是本書的合著者之一。她是谷歌的軟件工程師，也是谷歌“機器人工作小組”(Robotics Task Force)的成員，作為App Inventor團隊的初創(chuàng)成員，她領(lǐng)導了樂高頭腦風暴機器人(LEGO MINDSTORMS)組件的開發(fā)工作。Liz Looney是一位卓越的軟件工程師，有著超過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)建一個應用，將Android手機變成LEGO MINDSTORMS NXT 機器人的遙控器。應用中用按鈕來控制機器人前后移動、左右轉(zhuǎn)動和停止，如果機器人遇到障礙物，它還會自動停止。應用中使用具有藍牙功能的手機與機器人通信。

LEGO MINDSTORMS機器人不只是玩具，更是教具。After-school program 使用機器人來教小學和初中的孩子們掌握解決問題的能力，并引導他們了解工程和計算機編程。NXT機器人也用于FIRST LEGO League 機器人競賽，這項比賽允許9-14歲的孩子參加。

NXT可編程機器人套件中有一個“NXT智能積木”主單元，它可以控制三個電機及四個輸入傳感器。你可以用樂高的構(gòu)造元件、齒輪、車輪、電機和傳感器來組裝機器人。該套件自帶的軟件可以對機器人進行編程，但現(xiàn)在我們將用App Inventor來創(chuàng)建Android應用，通過藍牙連接來控制NXT機器人。

應用中參與協(xié)作的機器人具有超聲波傳感器以及用于移動的車輪，如Shooterbot 機器人。圖中所示，這款機器人通常是人們利用LEGO MINDSTORMS NXT 2.0套件建造的第一個機器人。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。

學習要點

本章用到了以下組件和概念：

• BluetoothClient組件：用于建立Android設備與NXT機器人之間的藍牙連接；

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

• NxtDrive組件：用于驅(qū)動機器人的輪子；

• NxtUltrasonicSensor組件：利用機器人的超聲波傳感器探測障礙物；

• Notifier組件：顯示錯誤消息。

準備開始

本章的應用需要Android 2.0或以上版本。此外，出于安全原因，藍牙設備必須首先配對才能彼此連通。在開始構(gòu)建應用之前，需要按以下步驟使Android設備與NXT機器人配對：

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”值已設定為可見，繼續(xù)步驟4；如果不可見，請單擊向左或向右箭頭設置其值為可見；

4. 在Android設備上，進入設置→無線與網(wǎng)絡；

5. 確保打開藍牙功能；

6. 點擊“藍牙”；

7. 在“可用設備”中查找名為“NXT”的設備；

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

9. 如果機器人名字下顯示“與此設備配對”，則點擊它；

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，也會要求輸入PIN碼，輸入1234，然后按確定；

12. 現(xiàn)在應該看到“已配對但未連接?！?，說明配對成功！

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

連接到App Inventor網(wǎng)站，創(chuàng)建新項目“NXTRemoteControl”，將設置屏幕的標題為“遙控機器人”，并連接測試手機。

設計組件

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

不可見組件

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

表12-1 NXT“機器人遙控”應用中的不可見組件

圖 12-1　在組件設計器底部顯示的不可見組件

按以下方式設置組件的屬性：

1. 設置NxtDrive1及NxtUltrasonicSensor1的BluetoothClient屬性為 BluetoothClient1；（說明輪子的驅(qū)動與障礙物的偵測都需要依賴藍牙通信——譯者注）

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

3. 設置NxtDrive1的DriveMotors屬性

• 如果機器人的左輪電機與輸出端口C連接，右輪電機與輸出端口B連接，則保持默認設置“CB”；

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

4. 設置NxtUltrasonicSensor1的SensorPort屬性

• 如果機器人的超聲波傳感器與輸入端口4連接，則保持默認值“4”；

• 如果機器人的配置與上述不同，則將SensorPort設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　組件設計器中的應用

建立藍牙連接時，Android設備需要訪問NXT機器人具有唯一性的藍牙地址，但藍牙地址由8個用冒號分隔的2位數(shù)的十六進制數(shù)（二進制數(shù)的另一種表示方式）組成，輸入起來異常麻煩，而且每次運行應用都要在手機上輸入該地址。為了減少麻煩，使用ListPicker來顯示已經(jīng)與手機配對的機器人列表（列表項的值為機器人的名稱及藍牙地址），并從中選擇一個。

使用按鍵來驅(qū)動機器人的前進、后退、左右轉(zhuǎn)動、停止和斷開連接，使用VerticalArrangement來放置除ListPicker以外的所有組件，用HorizontalArrangement來放置左右轉(zhuǎn)向及停車按鈕。

按照表12-2中列出的組件來創(chuàng)建圖12-2所示的用戶界面。

表12-2 NXT機器人控制器應用中的可見組件

按照圖12-2所示來設置可視組件布局：將LeftButton、StopButton和RightButton放在HorizontalArrangement1中，將ForwardButton、HorizontalArrangement1、BackwardButton和DisconnectButton放在VerticalArrangement1中。 按下列方式設置組件屬性：

1. 取消勾選Screen1的Scrollable屬性（滾屏功能）；

2. 設置ConnectListPicker和DisconnectButton的寬度為“Fill parent”；

3. 設置VerticalArrangement1、ForwardButton、HorizontalArrangement1、LeftButton、StopButton、RightButton及BackwardButton的Width與Height為“Fill parent”；

4. 設置ConnectListPicker的Text屬性為“連接”；

5. 設置ForwardButton的Text屬性為“∧”；

6. 設置LeftButton的Text屬性為“<”；

7. 設置StopButton的Text屬性為“—”；

8. 設置RightButton的Text屬性為“>”；

9. 設置BackwardButton的Text屬性為“∨”；

10. 設置DisconnectButton的Text屬性為“斷開連接”；

11. 設置ConnectListPicker和DisconnectButton的FontSize屬性為30；

12. 設置ForwardButton、LeftButton、StopButton、RightButton及BackwardButton的FontSize屬性為40。

在這類應用中，當手機與NXT建立藍牙連接之前，應該隱藏用戶的操作界面，為此取消勾選VerticalArrangement1的Visible屬性。不要擔心，當NXT連通后，將重新顯示用戶界面。

為組件添加行為

本節(jié)將編程來設置應用的行為，包括：

• 用戶從列表中選擇機器人，并與之建立連接；

• 斷開機器人與應用的連接；

• 使用控制按鈕來操控機器人；

• 在機器人偵測到障礙物時，讓它停下來。

連接到NXT機器人

添加第一個行為：連接到NXT。點擊 ConnectListPicker將顯示已配對的機器人列表，選中一個，將在應用與機器人之間建立藍牙連接。

顯示機器人列表

使用ConnectListPicker組件來顯示機器人列表。ListPicker的外表像按鈕，被點擊后則顯示列表項，并允許進行單選。

使用BluetoothClient1.AddressesAndNames塊來提供列表，列表項是已經(jīng)與Android設備配對的藍牙設備的名稱及地址。由于NXT已經(jīng)將輪驅(qū)動及超聲波組件的BluetoothClient屬性設定為BluetoothClient1，因此AddressesAndNames屬性列表中的設備會自動限定為這類機器人，其他類型的藍牙設備（如耳機）將不會出現(xiàn)在列表中。表12-3列出了所需要的塊。

表12-3 在應用中添加ListPicker列表所需要的塊

塊的作用

點擊ConnectListPicker將觸發(fā)ConnectListPicker.BeforePicking事件，并顯示可選項列表。將ConnectListPicker.Elements屬性設置為 BluetoothClient1.AddressesAndNames塊，來設定可選項；ConnectListPicker將顯示已經(jīng)與Android設備配對的機器人列表。

圖 12-3　顯示機器人列表

　測試：在手機上點擊“連接”，看看會發(fā)生什么，你會看到所有已經(jīng)與手機配對的機器人列表。

如果只見黑屏，說明手機尚未與任何機器人配對；如果見到其他藍牙設備，如藍牙耳機，說明 NxtDrive1與 NxtUltrasonicSensor1的BluetoothClient屬性設置有誤。

建立藍牙連接

從列表中選擇一個機器人，應用將通過藍牙與機器人連接。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。如果機器人開關(guān)沒有打開，則連接失敗，會彈出錯誤信息。

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

使用ifelse塊來測試連接是否成功。ifelse塊需要連接三個不同的塊：“if”、“then”及“else”。“if”與BluetoothClient1.Connect塊連接，“then”區(qū)域放置連接成功時要執(zhí)行的塊；“else”區(qū)域放置連接失敗時要執(zhí)行的塊。

如果連接成功，使用Visible屬性來隱藏 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塊來顯示錯誤信息。表12-4列出了設置上述行為所需的塊。

表12-4與機器人建立藍牙連接所需的塊

塊的作用

選中機器人后將觸發(fā)ConnectListPicker.AfterPicking事件，見圖12-4，BluetoothClient1.Connect塊用于建立與機器人之間的藍牙連接。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，設置ConnectListPicker.Visible屬性為false，設置VerticalArrangement1.Visible屬性為true。如果連接失敗，執(zhí)行“else”塊：用Notifier1.ShowAlert塊彈出錯誤信息。

圖 12-4　建立藍牙連接

與NXT斷開連接

讓Android設備與NXT機器人連接著實讓人興奮，不過“斷開連接”是我們下面要添加的行為，這樣便于對連接與斷開進行連續(xù)測試。

當點擊DisconnectButton時，應用將關(guān)閉藍牙連接，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（斷開藍牙連接）所需的塊。設置Visible屬性來顯示 ConnectListPicker按鈕并隱藏VerticalArrangement1中包含的所有組件。

表12-5 與機器人斷開連接所需的塊

塊的作用

點擊DisconnectButton將觸發(fā)DisconnectButton.Clicked事件，如圖12-5所示，斷開藍牙連接要用BluetoothClient1.Disconnect塊，之后設置ConnectListPicker.Visible屬性為true來顯示 ConnectListPicker，設置VerticalArrangement1.Visible屬性為false來隱藏VerticalArrangement1。

圖 12-5　與機器人斷開連接

　測試：請確保機器人已經(jīng)打開，點擊手機上的“連接”按鈕，并選擇要連接的機器人。建立藍牙連接需要一點時間。一旦連接成功，用戶界面將顯示機器人的控制按鈕，以及“斷開連接”按鈕。

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

操控機器人

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

NxtDrive組件提供了五個塊，用來驅(qū)動機器人的電機：

• MoveForwardIndefinitely塊：驅(qū)動兩個電機前進；

• MoveBackwardIndefinitely塊：驅(qū)動兩個電機后退；

• TurnCounterClockwiseIndefinitely塊：驅(qū)動機器人左轉(zhuǎn)：讓右側(cè)電機向前而左側(cè)電機后退；

• TurnClockwiseIndefinitely塊：驅(qū)動機器人右轉(zhuǎn)：讓左側(cè)電機向前而右側(cè)電機后退；

• Stop將停止電機。

每個移動及轉(zhuǎn)向塊都有一個Power參數(shù)，需要與數(shù)字塊配合使用，來設定機器人電機的輸出功率，取值范圍可以從 0到100。但如果設置的功率太小，電機會發(fā)出吱吱聲而不運轉(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 用于控制機器人的塊

塊的作用

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

圖 12-6　操控機器人