Przewodnik po kodowaniu

Ten dokument opisuje RobomationLAB — platformę edukacyjną do programowania robotów, będącą częścią opracowanego przez Robomation „silnika wykonawczego i zintegrowanego środowiska twórczego dla usługi strumieniowania ruchów robota".

Szczegółowy opis pojawia się w następującej kolejności:

• najważniejsze cechy RobomationLAB
• sposób programowania robotów w RobomationLAB
• podstawy składni programowania robotów w RobomationLAB

Spis treści

1. RobomationLAB — platforma edukacyjna do programowania robotów
   1-1) Programy do kodowania robotów
   1-2) Dwukierunkowy przekład bloki ↔ Python na żywo
   1-3) Najważniejsze cechy programów do kodowania
   1-4) Sterowanie robotem na żywo

2. Sposób programowania robotów w RobomationLAB
   2-1) Wykonywanie sekwencyjne i równoległe
   2-2) Funkcja setup
   2-3) Funkcja loop

3. Podstawy składni programowania robotów w RobomationLAB
   3-1) Import pakietu robomation
   3-2) Tworzenie instancji robota
   3-3) Metody sterowania robotem
   3-4) Odczyt czujników i stanu
   3-5) Wykrywanie zdarzeń
   3-6) Czekanie na zakończenie działania (wait)
   3-7) Funkcje narzędziowe (Utils)

RobomationLAB — platforma edukacyjna do programowania robotów

RobomationLAB to platforma przygotowana pod edukację w zakresie AI, robotyki i oprogramowania,
udostępniająca zintegrowane środowisko twórcze w przeglądarce Chrome, przeznaczone do nauki programowania robotów w szkole podstawowej i średniej.

RobomationLAB udostępnia programy edukacyjne do kodowania robotów na różne sposoby: kodowanie blokowe, kodowanie skryptowe i inne.
Pozwala nie tylko poznać teorię programowania, ale też realnie poruszać robotami Robomation i nimi sterować,
czyli uczyć się programowania i robotyki naraz.

Programy do kodowania robotów

Block Composer

Block Composer to narzędzie, w którym łatwo i szybko sterujesz robotami Robomation za pomocą kodowania blokowego i poznajesz podstawy sterowania robotem.

• środowisko twórcze przygotowane pod physical computing

• kodowanie przeciąganiem bloków, proste nawet dla początkujących

• nauka od podstawowych pojęć, bez błędów składniowych

• automatyczny przekład na kod skryptowy w Pythonie

• zestawy bloków z gotowymi funkcjami dla każdego robota i wiele przykładów do wypróbowania

• podgląd wyniku na żywo podczas wykonywania kodu

• rozwijanie umiejętności rozwiązywania problemów i kreatywności przez układanie bloków

• dopasowane wskazówki dzięki analizie kodu skryptowego przez AI

Script Composer

Script Composer to narzędzie, w którym łatwo i szybko sterujesz robotami Robomation w Pythonie i poznajesz podstawy składni Pythona oraz programowania robotów.

• edytor Pythona

• automatyczne uzupełnianie kodu i wstawianie kodu dla każdego języka

• wiele przykładowych kodów do wypróbowania dla każdego robota

• podgląd wyniku na żywo podczas wykonywania kodu

• dopasowane wskazówki dzięki analizie kodu skryptowego przez AI

Najważniejsze cechy programów do kodowania

Programy do kodowania robotów w RobomationLAB mają następujące cechy.

1. działają w przeglądarce Chrome, więc nie zależą od systemu operacyjnego
2. dzięki komunikacji Web Serial sterują sprzętem robota bezpośrednio przez adapter USB
3. obsługują jednoczesne sterowanie wieloma robotami — bez ograniczeń co do rodzaju i liczby robotów
4. przy zapisie pliku wynik jest przekształcany na tekstowy plik JSON

Sterowanie robotem na żywo

Programy do kodowania robotów w RobomationLAB sterują robotem na żywo w następujący sposób.

1. W kodowaniu blokowym albo skryptowym piszesz kod, który ustawia wartości obiektów Effector i Command sterujących robotem albo korzysta z wartości Sensor i zdarzeń Event robota.
2. Uruchamiasz kod.
3. Przez komunikację Web Serial program odbiera od robota pakiety z danymi Sensor i Event i zapisuje je w obiekcie Device robota.
4. Kod jest interpretowany na bieżąco: dane w obiektach Effector i Command są nadpisywane, a wartości obiektów Sensor i Event odczytywane.
5. Program tworzy pakiet z danymi obiektu Device robota, wysyła go do robota przez Web Serial i sprawdza, czy robot naprawdę zadziałał.
6. Przez cały czas wykonywania kodu kroki 3, 4 i 5 powtarzają się mniej więcej co 10-20 ms.

Dwukierunkowy przekład bloki ↔ Python na żywo

RobomationLAB udostępnia jednocześnie edytor kodu blokowego i edytor kodu Python, a oba są na bieżąco synchronizowane w obie strony.

• Gdy dodasz, zmienisz albo usuniesz blok w edytorze kodu blokowego, zmiana od razu pojawia się w kodzie Python.
• I odwrotnie: gdy zmienisz kod w edytorze Pythona, zmiana od razu pojawia się w blokach.

Ponieważ bloki i kod Python odpowiadają sobie jeden do jednego i są przekładane w obie strony,
można szybko ułożyć całą strukturę z bloków, a potem dopracować szczegóły w Pythonie albo uczyć się składni Pythona, porównując ją z blokami —
czyli pracować, swobodnie przechodząc między kodowaniem blokowym a skryptowym.

Uwaga: przekład Python → bloki działa tylko dla kodu, który da się wyrazić blokami.
(Przy błędnej składni albo kodzie, którego nie da się zamienić na bloki, przejście może się nie udać.
Więcej znajdziesz w dokumencie Zasady kodowania.)

Sposób programowania robotów w RobomationLAB

Wykonywanie sekwencyjne i równoległe

Roboty programuje się na dwa sposoby: sekwencyjnie i równolegle.
Wykonywanie sekwencyjne to takie, w którym następna czynność zaczyna się po zakończeniu poprzedniej; nadaje się do programowania prostych zachowań.
Jeśli na przykład robot ma pojechać do przodu, a potem zatrzymać się i zapalić diodę LED, potrzebne jest wykonywanie sekwencyjne, żeby ułożyć kod poszczególnych czynności po kolei i wykonać je w czasie.

Wykonywanie równoległe to takie, w którym kilka czynności dzieje się naraz; jest potrzebne przy programowaniu bardziej złożonych i zaawansowanych zachowań.
Jeśli na przykład chcesz zaprogramować chód robota dwunożnego, potrzebne jest kodowanie równoległe, bo chód wymaga jednoczesnego ruchu stóp i nóg robota.

Programy do kodowania robotów w RobomationLAB opierają się na strukturze setup / loop, podobnej do środowiska programowania sprzętu w Arduino,
i obsługują jednocześnie wykonywanie sekwencyjne i równoległe.

Po pierwszym wejściu do Block Composera w obszarze roboczym widać dwa puste bloki funkcji:
blok „funkcja setup" odpowiada funkcji setup, a blok „funkcja loop" — funkcji loop.

Bloki są na bieżąco przekładane na kod Python,
a kod ma następującą strukturę podstawową.

# podstawowa struktura kodu Python
from robomation import *

# umieść tutaj kod konfiguracji wykonywany jeden raz:
def setup():
    pass

# umieść tutaj kod sterujący wykonywany cyklicznie:
def loop():
    pass

Żeby sterować robotem, umieść na samej górze kodu from robomation import * i zadeklaruj używanego robota jako instancję. (np. hamster_s = HamsterS(0))

Funkcja setup

Funkcja setup wykonuje się tylko raz, w chwili uruchomienia kodu.
W funkcji setup umieszcza się przede wszystkim kod, który nadaje zmiennym wartości początkowe albo ustawia tryb i funkcje robota.
Na przykład sterując robotem jeżdżącym na kołach, można w funkcji setup ustawić początkową prędkość kół.

Jeśli w funkcji potrzebne jest odczekanie czasu, funkcja Utils.wait(...) pozwala pisać kod, który wykonuje się po kolei w czasie, jakby synchronicznie.
Utils.wait(...) czeka podany czas (w sekundach), a potem wykonuje dalszy kod, czyli budzi się po ustalonym czasie albo po zakończeniu czynności i wykonuje kod dalej.
Połączenie tego z funkcją loop, która działa równolegle, pozwala nie tylko na proste wykonywanie sekwencyjne, ale też na naprawdę rozbudowane programowanie robotów.

Poniżej przykład kodu, w którym robot HamsterS jedzie sekundę do przodu, a potem sekundę do tyłu.
Zaprogramowanie tego w równolegle działającej funkcji loop wymagałoby mieszania obliczeń czasu z kodem sterującym, przez co kod stałby się bardzo zawiły.
Zamiast tego wystarczy w funkcji setup użyć funkcji opóźnienia Utils.wait i napisać kod, który wykonuje się po kolei w czasie, jakby synchronicznie.
( Funkcję Utils.wait opisujemy jeszcze raz dalej, w części Funkcje narzędziowe (Utils). )

Przykładowy kod (Python)

from robomation import *

hamster_s = HamsterS(0)

# umieść tutaj kod konfiguracji wykonywany jeden raz:
def setup():
    # jazda do przodu z prędkością obu kół ustawioną na 50
    hamster_s.set_wheel_speed('both', 50)
    Utils.wait(1)   # czekaj sekundę
    # jazda do tyłu z prędkością obu kół ustawioną na -50
    hamster_s.set_wheel_speed('both', -50)
    Utils.wait(1)   # czekaj sekundę
    hamster_s.stop()

# umieść tutaj kod sterujący wykonywany cyklicznie:
def loop():
    pass

( Składnię instancji i metod robota opisujemy jeszcze raz dalej, w części Podstawy składni programowania robotów w RobomationLAB. )

Funkcja loop

Funkcja loop obsługuje wykonywanie równoległe i powtarza się mniej więcej co 10 ms przez cały czas działania kodu.
W funkcji loop umieszcza się przede wszystkim kod, który cyklicznie ustawia wartości zmiennych albo wykrywa i obsługuje zdarzenia robota.

Poniżej przykład kodu, w którym prędkość kół i kolor diod LED robota HamsterS zmieniają się z upływem czasu.
( Zmienną zadeklarowaną poza funkcjami setup i loop trzeba wewnątrz funkcji zadeklarować słowem kluczowym global, żeby dało się ją zmienić. )

from robomation import *

hamster_s = HamsterS(0)
frame = 0

# umieść tutaj kod konfiguracji wykonywany jeden raz:
def setup():
    global frame
    frame = 0

# umieść tutaj kod sterujący wykonywany cyklicznie:
def loop():
    global frame
    frame += 1  # przy każdym wywołaniu funkcji loop wartość zmiennej frame rośnie o 1

    # nowa wartość frame ustawia prędkość obu kół i wartości RGB obu diod LED
    hamster_s.set_wheel_speed('both', frame % 100)
    hamster_s.set_led_color('left', frame % 256, 0, 0)
    hamster_s.set_led_color('right', 0, 0, frame % 256)

( Składnię instancji i metod robota opisujemy jeszcze raz dalej, w części Podstawy składni programowania robotów w RobomationLAB. )

Poniżej przykład kodu, w którym lekkie stuknięcie w obudowę robota HamsterS (zdarzenie Tap) zapala diody LED na czerwono.

from robomation import *

hamster_s = HamsterS(0)

# umieść tutaj kod konfiguracji wykonywany jeden raz:
def setup():
    pass

# umieść tutaj kod sterujący wykonywany cyklicznie:
def loop():
    # w chwili stuknięcia wykrywane jest zdarzenie
    if hamster_s.tap():               # przy wykryciu zdarzenia True
        hamster_s.set_led_color('both', 'red')   # zapal obie diody LED na czerwono
    else:
        hamster_s.turn_off('both')               # zgaś obie diody LED

( Składnię wykrywania zdarzeń (tap()) i pozostałe opisujemy jeszcze raz dalej, w części Podstawy składni programowania robotów w RobomationLAB. )

Podstawy składni programowania robotów w RobomationLAB

Pisząc kod w programach do kodowania robotów w RobomationLAB, trzeba trzymać się poniższych podstaw składni.
Robotem steruje się przez pakiet Pythona robomation:
najpierw tworzy się instancję robota, a potem wywołuje jej metody.

Import pakietu robomation

Żeby korzystać z klas (robotów) i narzędzi (Utils) potrzebnych do sterowania robotem, umieść na samej górze kodu ten jeden wiersz.

from robomation import *

Tworzenie instancji robota

Zadeklaruj używanego robota jako instancję.
Nazwa klasy oznacza rodzaj robota, a liczba w nawiasie — indeks instancji (licząc od 0).

hamster_s = HamsterS(0)   # jeden robot HamsterS

Nazwy klas i domyślne nazwy zmiennych dla poszczególnych robotów są następujące.

Robot	Nazwa klasy	Domyślna nazwa zmiennej
HamsterS	HamsterS	hamster_s
Hamster	Hamster	hamster
Piobot	Pio	pio
Turtle	Turtle	turtle
Beagle	Beagle	beagle
RaccoonBot	RaccoonBot	raccoon
Cheese Stick	CheeseStick	cheesestick

Używając kilku robotów tego samego rodzaju, zwiększaj indeksy: 0, 1, 2 …

hamster_s = HamsterS(0)
hamster_s_1 = HamsterS(1)

Metody sterowania robotem

Robotem steruje się, wywołując metody instancji.
Metody wykonują czynności robota: ustawiają prędkość kół, jadą, sterują diodami LED, dźwiękiem i tak dalej.

hamster_s.set_wheel_speed('both', 50)    # ustawienie prędkości obu kół
hamster_s.move_distance(10, 'cm')        # jazda 10 cm do przodu
hamster_s.set_led_color('both', 'red')   # obie diody LED na czerwono

Listę metod i parametrów dostępnych dla danego robota znajdziesz w jego dokumencie (np. „HamsterS").

Odczyt czujników i stanu

Wartości czujników i stan robota też odczytuje się przez metody, które zwracają tę wartość.

left = hamster_s.floor('left')        # odczyt lewego czujnika podłoża
dist = hamster_s.proximity('right')   # odczyt prawego czujnika zbliżeniowego

Wykrywanie zdarzeń

Zdarzenia wynikające ze zmiany stanu albo otoczenia wykrywa się tak,
że odpowiednia metoda zdarzenia zwraca True w chwili jego wystąpienia.

if hamster_s.tap():        # True w chwili wystąpienia zdarzenia stuknięcia (Tap)
    hamster_s.set_led_color('both', 'red')

Czekanie na zakończenie działania (wait)

Metody, których wykonanie trwa — jazda, obrót, odtwarzanie dźwięku — mają parametr wait.

• wait=True (domyślnie): czeka na zakończenie czynności, a potem wykonuje dalszy kod.
• wait=False: rozpoczyna czynność i od razu wykonuje dalszy kod.

hamster_s.move_distance(10, 'cm', wait=True)    # czeka, aż jazda się skończy
hamster_s.move_distance(10, 'cm', wait=False)   # rozpoczyna jazdę i od razu wykonuje dalszy kod

Funkcje narzędziowe (Utils)

Wspólne funkcje niezależne od rodzaju robota — odczekanie czasu, odtworzenie dźwięku, zapis w dzienniku, kolory — wywołuje się przez metody klasy Utils.

Utils.wait(1)              # czekaj sekundę
Utils.speak('Dzień dobry') # odtworzenie mowy (TTS)
Utils.log(0, '', '')       # zapis w dzienniku konsoli