用Java控制樂高機器人

用Java控制樂高機器人
文∕趙英傑

本文將使用Lego Mindstorms機器人套件與leJOS實作一個碰碰車。這台小車運用兩個碰撞感測器（銜接在RCX的接頭1及接頭3），以及兩個馬達（銜接在A與C接頭），如下圖所示：

碰碰車運作的影片收錄在筆者的《碼上就會：Flash 8 動畫設計寶典》書籍光碟。當RCX的Run按鈕被按下時，碰碰車會持續前進；若左邊（接在接頭1的）碰撞感測器碰到東西時，碰碰車會先後退1秒鐘，然後在原地向右旋轉1.5秒後，再次向前行走。

使用Behavior介面

leJOS提供了一個稱為Behavior（行為）的介面（完整合法名稱：josx.robotics.Behavior），讓我們定義機器人元件的行為（例如：馬達向前進、碰撞感測器撞到東西的反應…），並撰寫出易於維護和擴充的機器人Java程式。

用Behavior定義行為後，再透過另一個Arbitrator（仲裁者）類別（完整合法名稱：josx.robotics.Arbitrator）來決定各個行為的先後執行順序。

底下先說明Behavior的方法，並撰寫碰碰車的一些行為，再說明Arbitator類別：

• boolean takeControl()：傳回代表是否讓此行為掌控機器人動作的布林值；或者說，是否要啟動此行為程式。
• void action()：行為被啟動之後所要執行的程式。
• void suppress()：事件程式執行過程中，若有另一個等級更高的事件被觸發，這個方法將被自動執行，以便取消當前執行的行為。

底下是採用Behavior介面撰寫的碰撞偵測程式。當銜接在S1接頭的感應器傳回true時，action()方法將被執行，控制馬達倒退及原地旋轉：

import josx.robotics.*;
import josx.platform.rcx.*;

public class HitS1 implements Behavior {
 public boolean takeControl() {
   // 傳回S1接頭的偵測值
   return Sensor.S1.readBooleanValue();
 }

 public void suppress() {
   Motor.A.stop();
   Motor.C.stop();
 }

 public void action() {
   // 後退
   Motor.A.backward();
   Motor.C.backward();
   try {
     // 持續1秒
     Thread.sleep(1000);
   } catch (Exception e) {
   }
   /* A（左邊的）馬達前進
      C（右邊的）馬達仍舊後退
      讓機器人在原地向右轉    */
   Motor.A.forward();
   try {
     // 持續1.5秒
     Thread.sleep(1500);
   } catch (Exception e) {
   }
  }
}

我們可以運用相同的程式結構，輕易地撰寫機器人的其他行為，例如，底下是感測銜接在S3（右邊）的碰撞感測器的行為程式：

import josx.robotics.*;
import josx.platform.rcx.*;

public class HitS3 implements Behavior {
  public boolean takeControl() {
   return Sensor.S3.readBooleanValue();
  }

  public void suppress() {
   Motor.A.stop();
   Motor.C.stop();
  }

  public void action() {
   // 後退
   Motor.A.backward();
   Motor.C.backward();
   try {
     // 持續1秒
     Thread.sleep(1000);
   } catch (Exception e) {
   }
   /* C（右邊的）馬達前進
      A（左邊的）馬達仍舊後退
	  讓機器人原地向左轉     */
   Motor.C.forward();
   try {
     // 持續1.5秒
     Thread.sleep(1500);
   } catch (Exception e) {
   }
  }
}

下面是讓機器人的左右兩邊馬達前進的程式。在一般的狀態下，我們希望這個機器人能持續前進，所以把takeControl()方法的傳回值設定成true，讓主程式一開始就先執行這個行為裡的action()方法。

import josx.robotics.*;
import josx.platform.rcx.*;

public class DriveForward implements Behavior {

  public boolean takeControl() {
   return true;
  }

  public void suppress() {
   Motor.A.stop();
   Motor.C.stop();
  }

  public void action() {
   Motor.A.forward();
   Motor.C.forward();
  }
}

使用Arbitator類別決定各個行為的執行時機

Arbitator類別的建構函數能接收所有Behavior物件，並將它們存放在陣列中；位於陣列越後面的元素，其執行的優先權也越高。例如，假設S1和S3接頭的感測器同時被觸發，HitS3的action()方法將被執行。建立收集了所有Behavior物件的陣列後，再呼叫start()方法，即可啟動Arbitator的執行緒開始運行程式。

import josx.robotics.*;

public class BumperCar {
  public static void main(String [] args) {
   // 建立行為物件
   Behavior b1 = new DriveForward();
   Behavior b2 = new HitS1();
   Behavior b3 = new HitS3();
   // 把所有行為物件存入bArray陣列
   Behavior [] bArray = {b1, b2, b3};
   // 建立Arbitator物件，並傳遞bArray給它。
   Arbitrator arb = new Arbitrator(bArray);
   arb.start();
  }
}

將上面四段程式命名儲存成HitS1.java, HitS3.java, DriveForward.java及BumperCar.java，並透過lejosc指令編譯後，最後執行lejos指令上傳程式到RCX，即可進行測試。

改良碰撞感測程式

上面的HitS1與HitS3類別（偵測左、右感測器的類別）之間，僅有少部分不同，因此其實我們可以將這兩個類別合併成一個，如下所示：

import josx.robotics.*;
import josx.platform.rcx.*;

class CheckSensor implements Behavior {
 private int sensorNum;
 // 建立兩個「常數」，存放感測器接頭的編號。
 static final int S1 = 1;
 static final int S3 = 3;
 // 從建構函數決定要檢測的感測器
 CheckSensor (int sensorNum) {
  this.sensorNum = sensorNum;
 }
 public boolean takeControl() {
  boolean s = false;
  if (sensorNum == S1) {
   s = Sensor.S1.readBooleanValue();
  } else if (sensorNum == S3) {
   s = Sensor.S3.readBooleanValue();
  }
   return s;
  }
  public void suppress() {
   Motor.A.stop();
   Motor.C.stop();
  }
  public void action() {
   Motor.A.backward();
   Motor.C.backward();
   try {
     Thread.sleep(1000);
   } catch (Exception e) {
   }
   if (sensorNum == S1) {
     Motor.A.forward();
   } else if (sensorNum == S3) {
     Motor.C.forward();
   }
   try {
     Thread.sleep(1500);
   } catch (Exception e) {
   }
 }
}

修改行為程式後，主程式當然也要跟著改變。底下是運用上面的CheckSensor類別的主程式碼：

import josx.robotics.*;

public class BumperCar2 {
  public static void main(String [] args) {
   Behavior b1 = new DriveForward();
   // 檢測S1接頭的碰撞感測器
   Behavior b2 = new CheckSensor(CheckSensor.S1);
   // 檢測S3接頭的碰撞感測器
   Behavior b3 = new CheckSensor(CheckSensor.S3);
   Behavior [] bArray = {b1, b2, b3};
   Arbitrator arb = new Arbitrator(bArray);
   arb.start();
  }
}

重新編譯並上傳程式到RCX，一台簡易的樂高碰碰車就完成了！