第 12 章 遥控机器人
作者介绍
Liz Looney
Liz Looney是本书的合著者之一。她是谷歌的软件工程师，也是谷歌“机器人工作小组”(Robotics Task Force)的成员，作为App Inventor团队的初创成员，她领导了乐高头脑风暴机器人(LEGO MINDSTORMS)组件的开发工作。Liz Looney是一位卓越的软件工程师，有着超过25年的从业经历，曾先后在Borland、Oracle及Google公司工作。
本章将创建一个应用，将Android手机变成LEGO MINDSTORMS NXT 机器人的遥控器。应用中用按钮来控制机器人前后移动、左右转动和停止，如果机器人遇到障碍物，它还会自动停止。应用中使用具有蓝牙功能的手机与机器人通信。
LEGO MINDSTORMS机器人不只是玩具，更是教具。After-school program 使用机器人来教小学和初中的孩子们掌握解决问题的能力，并引导他们了解工程和计算机编程。NXT机器人也用于FIRST LEGO League 机器人竞赛，这项比赛允许9-14岁的孩子参加。
NXT可编程机器人套件中有一个“NXT智能积木”主单元，它可以控制三个电机及四个输入传感器。你可以用乐高的构造元件、齿轮、车轮、电机和传感器来组装机器人。该套件自带的软件可以对机器人进行编程，但现在我们将用App Inventor来创建Android应用，通过蓝牙连接来控制NXT机器人。
应用中参与协作的机器人具有超声波传感器以及用于移动的车轮，如Shooterbot 机器人。图中所示，这款机器人通常是人们利用LEGO MINDSTORMS NXT 2.0套件建造的第一个机器人。它的左车轮与输出端口C相连，右车轮与输出端口B相连，颜色传感器与输入端口3相连，超声波传感器与输入端口4相连。
学习要点
本章用到了以下组件和概念：
-
BluetoothClient组件：用于建立Android设备与NXT机器人之间的蓝牙连接；
-
ListPicker组件：为用户提供机器人选择列表，选中后开始建立机器人到Android的连接；
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NxtDrive组件：用于驱动机器人的轮子；
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NxtUltrasonicSensor组件：利用机器人的超声波传感器探测障碍物；
- Notifier组件：显示错误消息。
准备开始
本章的应用需要Android 2.0或以上版本。此外，出于安全原因，蓝牙设备必须首先配对才能彼此连通。在开始构建应用之前，需要按以下步骤使Android设备与NXT机器人配对：
1. 在NXT上单击向右箭头，直到显示“Bluetooth”，然后按下橙色方块；
2. 点击向右的箭头，直到显示“Visibility”，然后按下橙色方块；
3. 如果“Visibility”值已设定为可见，继续步骤4；如果不可见，请单击向左或向右箭头设置其值为可见；
4. 在Android设备上，进入设置→无线与网络；
5. 确保打开蓝牙功能；
6. 点击“蓝牙”；
7. 在“可用设备”中查找名为“NXT”的设备；
8. 如果机器人名字下显示“已配对但未连接”字样，则配对成功！否则，继续执行步骤9；
9. 如果机器人名字下显示“与此设备配对”，则点击它；
10. 在NXT上，要求输入密码，按下橙色方块接受1234为密码；
11. 在Android上，也会要求输入PIN码，输入1234，然后按确定；
12. 现在应该看到“已配对但未连接。”，说明配对成功！
注意：如果你曾经修改过机器人的名字，则寻找机器人现在的名字，而非“NXT”。
连接到App Inventor网站，创建新项目“NXTRemoteControl”，将设置屏幕的标题为“遥控机器人”，并连接测试手机。
设计组件
在这个应用中，我们需要分别创建可见组件及不可见组件，并分别定义它们的行为。
不可见组件
在创建用户界面之前，先来创建表12-1中的不可见组件，如图12-1所示，用来控制NXT。
表12-1 NXT“机器人遥控”应用中的不可见组件
| 组件类型 | 面板中分组 | 命名 | 作用 |
|---|---|---|---|
| BluetoothClient | Connectivity | BluetoothClient1 | 建立Android与NXT的连接 |
| NxtDrive | LEGO® MINDSTORMS® | NxtDrive1 | 驱动机器人的轮 |
| NxtUltrasonicSensor | LEGO® MINDSTORMS® | NxtUltrasonicSensor1 | 检测障碍物 |
| Notifier | User Interface | Notifier1 | 显示错误信息 |
图 12-1 在组件设计器底部显示的不可见组件
按以下方式设置组件的属性：
1. 设置NxtDrive1及NxtUltrasonicSensor1的BluetoothClient属性为 BluetoothClient1；（说明轮子的驱动与障碍物的侦测都需要依赖蓝牙通信——译者注）
2. 勾选NxtUltrasonicSensor1的BelowRangeEventEnabled属性(近距离侦测障碍物功能可用)；
3. 设置NxtDrive1的DriveMotors属性
-
如果机器人的左轮电机与输出端口C连接，右轮电机与输出端口B连接，则保持默认设置“CB”；
- 如果机器人的配置与上述不同，则将DriveMotors属性设置为两个字母的文本，其中第一个字母是连接左轮电机的输出端口，第二个字母是连接右轮电机的输出端口。
4. 设置NxtUltrasonicSensor1的SensorPort属性
-
如果机器人的超声波传感器与输入端口4连接，则保持默认值“4”；
- 如果机器人的配置与上述不同，则将SensorPort设置为与超声波传感器连接的输入端口。
可视组件
现在创建用户界面组件，如图12-2所示。
图 12-2 组件设计器中的应用
建立蓝牙连接时，Android设备需要访问NXT机器人具有唯一性的蓝牙地址，但蓝牙地址由8个用冒号分隔的2位数的十六进制数（二进制数的另一种表示方式）组成，输入起来异常麻烦，而且每次运行应用都要在手机上输入该地址。为了减少麻烦，使用ListPicker来显示已经与手机配对的机器人列表（列表项的值为机器人的名称及蓝牙地址），并从中选择一个。
使用按键来驱动机器人的前进、后退、左右转动、停止和断开连接，使用VerticalArrangement来放置除ListPicker以外的所有组件，用HorizontalArrangement来放置左右转向及停车按钮。
按照表12-2中列出的组件来创建图12-2所示的用户界面。
表12-2 NXT机器人控制器应用中的可见组件
| 组件类型 | 面板中分组 | 命名 | 作用 |
|---|---|---|---|
| ListPicker | User Interface | ConnectListPicker | 选择要连接的机器人 |
| VerticalArrangement | layout | VerticalArrangement1 | 布局容器，容纳除ListPicker之外的组件 |
| Button | User Interface | ForwardButton | 前进 |
| HorizonalArrangement | layout | HorizonalArrangement1 | 布局容器，容纳左转、右转、停止按钮 |
| Button | User Interface | LeftButton | 左转 |
| Button | User Interface | StopButton | 停止 |
| Button | User Interface | RightButton | 右转 |
| Button | User Interface | BackwardButton | 后退 |
| Button | User Interface | DisconnectButton | 与NXT断开连 |
按照图12-2所示来设置可视组件布局：将LeftButton、StopButton和RightButton放在HorizontalArrangement1中，将ForwardButton、HorizontalArrangement1、BackwardButton和DisconnectButton放在VerticalArrangement1中。 按下列方式设置组件属性：
1. 取消勾选Screen1的Scrollable属性（滚屏功能）；
2. 设置ConnectListPicker和DisconnectButton的宽度为“Fill parent”；
3. 设置VerticalArrangement1、ForwardButton、HorizontalArrangement1、LeftButton、StopButton、RightButton及BackwardButton的Width与Height为“Fill parent”；
4. 设置ConnectListPicker的Text属性为“连接”；
5. 设置ForwardButton的Text属性为“∧”；
6. 设置LeftButton的Text属性为“<”；
7. 设置StopButton的Text属性为“—”；
8. 设置RightButton的Text属性为“>”；
9. 设置BackwardButton的Text属性为“∨”；
10. 设置DisconnectButton的Text属性为“断开连接”；
11. 设置ConnectListPicker和DisconnectButton的FontSize属性为30；
12. 设置ForwardButton、LeftButton、StopButton、RightButton及BackwardButton的FontSize属性为40。
在这类应用中，当手机与NXT建立蓝牙连接之前，应该隐藏用户的操作界面，为此取消勾选VerticalArrangement1的Visible属性。不要担心，当NXT连通后，将重新显示用户界面。
为组件添加行为
本节将编程来设置应用的行为，包括：
-
用户从列表中选择机器人，并与之建立连接；
-
断开机器人与应用的连接；
-
使用控制按钮来操控机器人；
- 在机器人侦测到障碍物时，让它停下来。
连接到NXT机器人
添加第一个行为：连接到NXT。点击 ConnectListPicker将显示已配对的机器人列表，选中一个，将在应用与机器人之间建立蓝牙连接。
显示机器人列表
使用ConnectListPicker组件来显示机器人列表。ListPicker的外表像按钮，被点击后则显示列表项，并允许进行单选。
使用BluetoothClient1.AddressesAndNames块来提供列表，列表项是已经与Android设备配对的蓝牙设备的名称及地址。由于NXT已经将轮驱动及超声波组件的BluetoothClient属性设定为BluetoothClient1，因此AddressesAndNames属性列表中的设备会自动限定为这类机器人，其他类型的蓝牙设备（如耳机）将不会出现在列表中。表12-3列出了所需要的块。
表12-3 在应用中添加ListPicker列表所需要的块
| 块的类型 | 所在抽屉 | 作用 |
|---|---|---|
| ConnectListPicker.BeforePicking | ConnectListPicker | 当ConnectListPicker被点击时，触发该事件 |
| set ConnectListPicker.Elements to | ConnectListPicker | 为ConnectListPicker设置可供选择的列表项 |
块的作用
点击ConnectListPicker将触发ConnectListPicker.BeforePicking事件，并显示可选项列表。将ConnectListPicker.Elements属性设置为 BluetoothClient1.AddressesAndNames块，来设定可选项；ConnectListPicker将显示已经与Android设备配对的机器人列表。
图 12-3 显示机器人列表
测试：在手机上点击“连接”，看看会发生什么，你会看到所有已经与手机配对的机器人列表。
如果只见黑屏，说明手机尚未与任何机器人配对；如果见到其他蓝牙设备，如蓝牙耳机，说明 NxtDrive1与 NxtUltrasonicSensor1的BluetoothClient属性设置有误。
建立蓝牙连接
从列表中选择一个机器人，应用将通过蓝牙与机器人连接。如果连接成功，用户界面将发生变化：隐藏ConnectListPicker，并显示用户界面的其余部分。如果机器人开关没有打开，则连接失败，会弹出错误信息。
使用call BluetoothClient1.Connect块与机器人进行连接。ConnectListPicker.Selection属性提供了选中机器人的地址和名称信息。
使用ifelse块来测试连接是否成功。ifelse块需要连接三个不同的块：“if”、“then”及“else”。“if”与BluetoothClient1.Connect块连接，“then”区域放置连接成功时要执行的块；“else”区域放置连接失败时要执行的块。
如果连接成功，使用Visible属性来隐藏 ConnectListPicker并显示VerticalArrangement1（其中放置了除ConnectListPicker之外的所有组件）。如果连接失败，则使用Notifier1.ShowAlert块来显示错误信息。表12-4列出了设置上述行为所需的块。
表12-4与机器人建立蓝牙连接所需的块
| 块的类型 | 所在抽屉 | 作用 |
|---|---|---|
| ConnectListPicker.AfterPicking | ConnectListPicker | 当从ConnectListPicker选中一个机器人时触发 |
| ifelse | Control | 检验蓝牙连接是否成功 |
| call BluetoothClient1.Connect | BluetoothClient1 | 连接到机器人 |
| ConnectListPicker.Selection | ConnectListPicker | 选中的机器人的地址及名称 |
| set ConnectListPicker.Visible to | ConnectListPicker | 隐藏ConnectListPicker按钮 |
| false | Logic | 插入set ConnectListPicker.Visible to块 |
| set VerticalArrangement1.Visible to | VerticalArrangement | 显示“连接”按钮之外的所有组件 |
| true | Logic | 插入set VerticalArrangement1.Visible to块 |
| Notifier1.ShowAlert | Notifier1 | 用来弹出错误信息 |
| “无法建立蓝牙连接。” | Text | 错误信息。 |
块的作用
选中机器人后将触发ConnectListPicker.AfterPicking事件，见图12-4，BluetoothClient1.Connect块用于建立与机器人之间的蓝牙连接。如果连接成功，执行“then”块：隐藏ConnectListPicker按钮并显示VerticalArrangement1内的所有组件，即，设置ConnectListPicker.Visible属性为false，设置VerticalArrangement1.Visible属性为true。如果连接失败，执行“else”块：用Notifier1.ShowAlert块弹出错误信息。
图 12-4 建立蓝牙连接
与NXT断开连接
让Android设备与NXT机器人连接着实让人兴奋，不过“断开连接”是我们下面要添加的行为，这样便于对连接与断开进行连续测试。
当点击DisconnectButton时，应用将关闭蓝牙连接，用户界面将发生变化：ConnectListPicker按钮将重新出现，而用户界面上的其余组件将被隐藏。
表12-5列出了构建BluetoothClient1.Disconnect（断开蓝牙连接）所需的块。设置Visible属性来显示 ConnectListPicker按钮并隐藏VerticalArrangement1中包含的所有组件。
表12-5 与机器人断开连接所需的块
| 块的类型 | 所在抽屉 | 作用 |
|---|---|---|
| DisconnectButton.Click | DisconnectButton | 当点击DisconnectButton时触发该事件 |
| BluetoothClient1.Disconnect | BluetoothClient1 | 断开与机器人的蓝牙连接 |
| set ConnectListPicker.Visible to | ConnectListPicker | 显示ConnectListPicker（“连接”按钮） |
| true | Logic | 插入set ConnectListPicker.Visible to块 |
| set VerticalArrangement1.Visible to | VerticalArrangement | 隐藏用户界面上的其余组件 |
| false | Logic | 插入set VerticalArrangement1.Visible to |
块的作用
点击DisconnectButton将触发DisconnectButton.Clicked事件，如图12-5所示，断开蓝牙连接要用BluetoothClient1.Disconnect块，之后设置ConnectListPicker.Visible属性为true来显示 ConnectListPicker，设置VerticalArrangement1.Visible属性为false来隐藏VerticalArrangement1。
图 12-5 与机器人断开连接
单击“断开连接”按钮：控制机器人的按钮会消失，“连接”按钮则重新出现。
操控机器人
下面是真正有趣的部分：添加前进、后退、左右转动及停止行为。不要忘记“停止”，否则你手中的机器人会失去控制！
NxtDrive组件提供了五个块，用来驱动机器人的电机：
-
MoveForwardIndefinitely块：驱动两个电机前进；
-
MoveBackwardIndefinitely块：驱动两个电机后退；
-
TurnCounterClockwiseIndefinitely块：驱动机器人左转：让右侧电机向前而左侧电机后退；
-
TurnClockwiseIndefinitely块：驱动机器人右转：让左侧电机向前而右侧电机后退；
- Stop将停止电机。
每个移动及转向块都有一个Power参数，需要与数字块配合使用，来设定机器人电机的输出功率，取值范围可以从 0到100。但如果设置的功率太小，电机会发出吱吱声而不运转。在本例中建议使用90（百分比）。表12-6中列出了所需的块。
表12-6 用于控制机器人的块
| 块的类型 | 所在抽屉 | 作用 |
|---|---|---|
| ForwardButton.Clic | ForwardButton | 点击ForwardButton时触 |
| NxtDrive1.MoveForwardIndefinitely | NxtDrive1 | 驱动机器人前进 |
| 数字90 | Math | 功率值 |
| BackwardButton.Click | BackwardButton | 点击BackwardButton时触发 |
| NxtDrive1.MoveBackwardIndefinitely | NxtDrive1 | 驱动机器人后退 |
| 数字90 | Math | 功率值 |
| LeftButton.Click | LeftButton | 点击LeftButton时触发 |
| NxtDrive1.TurnCounterClockwiseIndefinitely | NxtDrive1 | 驱动机器人逆时针转动 |
| 数字90 | Math | 功率值 |
| RightButton.Click | RightButton | 点击RightButton时触发 |
| NxtDrive1.TurnClockwiseIndefinitely | NxtDrive1 | 驱动机器人顺时针转动 |
| 数字90 | Math | 功率值 |
| StopButton.Click | StopButton | 点击StopButton时触发 |
| NxtDrive1.Stop | NxtDrive1 | 让机器人停止 |
块的作用
如图12-6所示，点击ForwardButton按钮时触发ForwardButton.Clicked事件，此时调用NxtDrive1.MoveForwardIndefinitely块，让机器人以90％的功率前进，其余按钮的事件处理程序与此类似，并以相同的功率驱动机器人后退及左右转动。点击StopButton时触发StopButton.Clicked事件，调用NxtDrive1.Stop块让机器人停止运动。
图 12-6 操控机器人
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