做做AI，造造人 - 动力老男孩的博客

上次提到了“甜美的声音”，今天介绍一下如何让萝卜头发出声音。NXT的发声装置就是盒子上那个小喇叭，因为喇叭质量不是很高，所以别太指望萝卜头能演奏世界名曲。从开发角度来说，NXT内置了很多种发声的方式，详细内容可以参考leJOS中文教程 – 播放声音。例如，我们用下面的代码就可以让NXT蜂鸣两声：

Sound.twoBeeps();

NXT还可以直接播放8位的wav文件，播放命令是：

Sound.playSample(new File("Start.wav"));

下面介绍一下如何制作这样的wav文件。

首先要录制声音，用手头的任意录音工具都可以，例如手机，mp3，其实电脑本身也可以录音。萝卜头一共需要三句台词：“开始”、“结束”和“出错啦”。可以一次录完，把三段声音录在一起，每句台词之间留一点停顿，后期容易裁剪。

录好音之后，一般会生成*.wav或者*.mp3的文件。这种直接录好的文件一般都是双声道，而且采样频率比较高。这种高级音频萝卜头是没法识别的，要适当压缩成萝卜头可以处理的格式。

强烈推荐一款叫“CoolEdit”的音频处理工具，打开录好的音频文件，可以看到有声音的部分是波形图，中间停顿的部分几乎是平的直线。可以用鼠标拖动选择相应的音频，然后在菜单中选择“选中部分另存为..”，保存的格式选择“Wave PCM unsigned 8 bit,8000HZ,64kbps,单声道”，就可以生成相应的wav文件了。最后可以生成以下三个文件：

Start.wav
End.wav
Error.wav

下面把这几个文件下载到NXT中，在命令行中运行：E:\lejos_nxj\bin\nxjbrowse.bat。如果萝卜头开机的话，这个工具的“download”功能，依次把三个文件都保存到NXT中。

最后在程序的相应地方加入播放代码即可，上一篇中已经看到了出错信息的播放，“开始”和“结束”的播放程序为：

if(hasCube && isChaotic)
{
	//The cube is read, init the error status
	hasError = false;

	//Play some sound to notice the "Start"
	Thread.sleep(1000);
	Sound.twoBeeps();
	Thread.sleep(1000);
	Sound.playSample(new File("Start.wav"));

	//Ignore solve cube codes......

	if(!hasError)
	{
		//The cube has been solved
		isChaotic = false;

		Sound.playSample(new File("End.wav"));
		Thread.sleep(1000);

		//Rotate the cube two circles for annoucement
		Robot.RotateBottom(8);
	}
}

现在我们的工作已经接近尾声了，看看怎么把电脑变成一个NXT的蓝牙遥控器。这个部分大家其实可以自由发挥，我设计的数据通讯流程是这样的：

1，蓝牙连接成功
2，NXT扫描魔方，发送6个面，每个面9块共54组颜色数据到电脑
3，NXT发送一个字节（0xFF）到电脑，表示颜色读取完毕
4，电脑开始计算解法，得到解魔方的步骤，一共N步
5，电脑发送一个字节N到NXT
6，NXT进行从1到N的循环，每次发送一个字节n到电脑，请求第n步操作
7，电脑发送第n步操作给NXT
8，NXT执行完全部N个操作，发送一个字节(0xFE)到电脑，通知解魔方完成
9，电脑清空步骤和颜色数组，准备迎接下一次任务
10，按下Escape按钮，NXT发送三个(0XFF)给电脑，关闭蓝牙连接并退出

同学们松了一口气，核心算法都搞定了，这点任务算啥，准备十分钟交卷吧。。。。

且慢，我们得到的步骤是类似F1 U2 F2 D3 L2 D1 F1 U3 L2 D1这样的序列，但是萝卜头永远只能旋转最下面一层，怎么办？

这个也简单，把相应的面翻到底面就好了，毕竟萝卜头的胳膊也不是个摆设。

问题又来了，第一步F1时，把F变成了底面；这时候魔方已经经过了某些翻转操作，那么第二步U2该转哪一面呢？这下有点麻烦了…

如果每次都还原到原来的位置，会增加非常多的步骤。

最好的方法是每次都通过最近的路径把需要旋转的面翻到最底层，然后旋转它。

所以我们需要保存一个坐标系，在翻转魔方的时候，让这个坐标系永远跟魔方的真实位置同步，请看CenterColor类，用来记录六个面的中心位置：

public class CubeCenter
{
    public string[] CenterColor = new string[6] { "U", "R", "D", "L", "F", "B" };

    public void RotateBottom(bool colockwise)
    {
        if (colockwise)
        {
            string n = CenterColor[5];
            CenterColor[5] = CenterColor[1];
            CenterColor[1] = CenterColor[4];
            CenterColor[4] = CenterColor[3];
            CenterColor[3] = n;
        }
        else
        {
            string n = CenterColor[5];
            CenterColor[5] = CenterColor[3];
            CenterColor[3] = CenterColor[4];
            CenterColor[4] = CenterColor[1];
            CenterColor[1] = n;
        }
    }

    public void RotatePaw()
    {
        //Only can move forward
        string n = CenterColor[0];
        CenterColor[0] = CenterColor[3];
        CenterColor[3] = CenterColor[2];
        CenterColor[2] = CenterColor[1];
        CenterColor[1] = n;
    }

    public int FindCenter(string position)
    {
        int center = -1;
        for (int i = 0; i < 6; i++)
        {
            if (CenterColor[i] == position) center = i;
        }
        return center;
    }
}

有了这个参考坐标系，我们就可以把URDLFB表示法的解魔方步骤，转化成萝卜头能识别的PBS表示法。嗯，不用去Google搜索，这个PBS表示法是我发明的（也就是瞎编的^_^ ），它表示
P: Paw 爪子翻动一次
B：RotateBottom 从底面旋转魔方，后面需要接一个1~3的数字
S：RotateBottomSide 旋转魔方的底面，跟B的区别是这时候爪子抓住上两层，然后旋转底面

下面这段代码描述了从URDLFB操作到PBS操作的转换：

int findSidePosition = CenterStatus.FindCenter(targetSide);

//Rotate to corrent bottom
switch (findSidePosition)
{
    case 2:
        //Do Nothing
        break;
    case 1:
        CenterStatus.RotatePaw();
        Steps.Add(new MoveStep(MoveType.RotatePaw, 0));
        break;
    case 0:
        CenterStatus.RotatePaw();
        Steps.Add(new MoveStep(MoveType.RotatePaw, 0));
        CenterStatus.RotatePaw();
        Steps.Add(new MoveStep(MoveType.RotatePaw, 0));
        break;
    case 3:
        CenterStatus.RotateBottom(true);
        CenterStatus.RotateBottom(true);
        Steps.Add(new MoveStep(MoveType.RotateBottom, 2));
        CenterStatus.RotatePaw();
        Steps.Add(new MoveStep(MoveType.RotatePaw, 0));
        break;
    case 4:
        CenterStatus.RotateBottom(true);
        Steps.Add(new MoveStep(MoveType.RotateBottom, 1));
        CenterStatus.RotatePaw();
        Steps.Add(new MoveStep(MoveType.RotatePaw, 0));
        break;
    case 5:
        CenterStatus.RotateBottom(false);
        Steps.Add(new MoveStep(MoveType.RotateBottom, 3));
        CenterStatus.RotatePaw();
        Steps.Add(new MoveStep(MoveType.RotatePaw, 0));
        break;
}
Steps.Add(new MoveStep(MoveType.RotateBottomSide, Convert.ToInt32(rotateCount)));
Steps[Steps.Count - 1].OrginStep = currentStep;

下面是一个PBS表示法的步骤示例，基本上一个URDLFB旋转操作，会对应1~3个PBS操作：
P B3 P S2 B1 P S1

为了减少发送的数据量，我们用下面的规则来发送PBS表示法的步骤，每个步骤用一个字节来描述：

switch (MoveType)
{
    case MoveType.RotatePaw:
        return (byte)10;
    case MoveType.RotateBottom:
        return (byte)(20 + Count);
    case MoveType.RotateBottomSide:
        return (byte)(30 + Count);
    default:
        return (byte)0;
}

在NXT上对应的解析操作是：

//Get result
int step = BlueTooth.ReadBytes()[0];
if(step==10)
{
	//Rotate paw
	Robot.RotatePaw();
}
else if(step>=20 && step<30)
{
	//Rotate Bottom
	int count = step - 20;
	if(count == 3) count = -1;
	Robot.RotateBottom(count);
}
else if(step>=30 && step<40)
{
	//Rotate Bottom Side
	int count = step - 30;
	if(count == 3) count = -1;
	Robot.RotateBottomSide(count);
}

开始编译工程，佛祖&上帝&安拉&比尔盖子同时保佑，程序编译通过了。如果运气好的话，蓝牙连接成功以后，萝卜头就可以顺利解魔方了。

好了，所有的代码都介绍完了，之后还会介绍一些收尾和改进的工作，主要包括：
1，用超声波测距传感器（就是那对眼睛）制作“开关”；
2，读色错误，卡住等情况的异常处理
3，语音提示，让萝卜头开口说话
4，暂停功能，帮助我们进行调试

在上一篇攻略中，我们使用了一些角度的配置信息，例如：

//the motor angle for paw to hold the cube
static int PawHoldPosition = 56;
//the motor angle for paw to rotate the cube
static int PawTurnOverPosition = 110;

这些用于Motor.rotate(n)的角度，都是相对于电机的原始位置而言的。在我的代码里，初始位置是这样定义的：

颜色传感器和魔方底座的初始位置

爪子的初始位置

在最初的版本里，我是在断电状态下，手动把电机拧到指定的初始位置。（程序一旦开始运行，角度信息就已经开始记录了，而且拧电机会有很大的阻力）
随后问题就来了，如果初始位置不准确的话，那么必然会导致旋转之后的位置不准确。其中最省心的是爪子的初始化位置，因为它是贴在后支架上，这个参照物非常稳定。

颜色传感器的杆很长，目测很难判断是否已经平行。魔方底座更是转十几次以后，误差越来越大。所以我们需要一段程序，把稍有偏差的初始位置纠正回来。

首先看一下如何修正魔方底座的误差。我们曾经介绍过，在魔方底座的下方安装了一个亮度传感器，当底座在某些位置的时候，会挡在亮度传感器的上面，再转过一定角度，就又把它露出来。亮度传感器有一个红色的小灯，可以通过light.setFloodlight(bool);来点亮或者关闭它。通过对比点亮和关闭前后的读数差，就可以判断出底座什么时候被挡住（在底座的下方需要贴一圈白纸，增强反光）。读数的曲线图是这样的：

读数的示意图

也就是说，随着传感器被慢慢的挡住，这个亮度差值会越来越大，理论上最大值就是被挡住的中心位置。考虑到传感器的读数是有误差的，所以不能只取一个最大值点来计算，需要设置一个阀值，把最大的N个点都找到，那么它的中心位置就比较准确了。

//Fix the position of cube base
public static void FixBasePosition() throws Exception
{
int step = 3;
int tolerance = 4;
light.setFloodlight(false);
bottom.rotate(-50);
int angle = 0, minLight = 10000;
int realtimeLight = ReadLightDifference();
while(realtimeLight < minLight + tolerance)
{
bottom.rotate(step);
realtimeLight = ReadLightDifference();
if(realtimeLight < minLight)
{
minLight = realtimeLight;
angle = 0;
}
else
{
angle += step;
}
}
bottom.rotate(- angle/2 - FixBasePositionOffset);
}

//Read the light difference between light on and light off
private static int ReadLightDifference() throws Exception
{
int l1 = 0, l2 = 0;
l1 = light.readValue();
light.setFloodlight(true);
Thread.sleep(20);
l2 = light.readValue();
light.setFloodlight(false);
return l1-l2;
}

可以测试一下，把魔方底座手动拧歪一个小角度（正负十几度^_^），运行这段代码之后，底座会还原到和爪子平行的位置。

颜色传感器的位置修正比较简单：让它慢慢的靠近魔方，在传感器下方遇到魔方之前，它的读数都是0。所以一旦发现有读数，我们让它返回32度，就回到了爪子平行的位置，这个度数通过几次实验就可以试出来。

//Fix color sensor position
  public static void FixColorSensorPosition() throws Exception
  {
   int tolerance = 5;
   ColorMotorBaseAngle = -25;
   monitor.rotateTo(ColorMotorBaseAngle);
   Thread.sleep(100);
   monitor.setSpeed(50);
   int r = color.getRawRed();
   int g = color.getRawGreen();
   int b = color.getRawBlue();
   int baseColor = r + g + b;
   int TargetExists = 0;
   while(TargetExists < baseColor + tolerance && ColorMotorBaseAngle > -50)
   {
    monitor.rotateTo(ColorMotorBaseAngle--);
    r = color.getRawRed();
    g = color.getRawGreen();
    b = color.getRawBlue();
    TargetExists = r + g + b;
   }
   monitor.rotateTo(ColorMotorBaseAngle + 32);
  }

下面也做一个实验，把颜色传感器的位置拧歪，它也能回复到指定的位置。点此下载这个例子的全部代码。实验方法为：按Left键修正魔方底座位置，按Right键修正颜色传感器位置，按Escape键退出。

时间仓促，每次贴的功能都不多，下一次介绍如何把魔方的颜色读取到数组中。

这次不说废话了，直接上图，节约时间：

一大堆散件

组装起来

横杆加固，另外点缀些颜色

一组连杆，注意蓝色的那根需要磨得薄一点

组装好的连杆

与悬臂的连接

大体框架已经搭成了！

加个小人点缀一下

今天刚刚听说lego有一个叫做LDD的软件，可以直接生成搭建图。三人行必有我师，在这里感谢一下程序猎人。

真是应了一句老话“独学而无友，孤陋而寡闻”。从我决定开始做魔方机器人以来，基本上都是自己闭门造车。后来为了发攻略，又重头搭建了一遍，途中拍了无数照片。早知道就不费这个牛劲了，更郁闷的是搭完以后程序员的兽性大发，改了n多地方和无数代码。。。。

不过话说回来，牛劲既然已经费了，我还是坚持把这一系列照片发完，嘿嘿。大家先凑合看，如果有时间的朋友愿意帮我转成LDD的搭建图，本人将不胜感激。

下面是萝卜头小爪子的驱动电机搭建过程：

准备一个电机

连接电机轴，引出动力

几个连接件

不知道该说啥，照葫芦画瓢吧

这是下面的支架

和大底盘的对接过程

看！搭起来了，请注意这里的角度和距离都是计算过的，最好不要变化

这是两个悬臂

两个悬臂的安装位置

悬臂安装以后，为了更结实，又增加了一个

安装完成了

绕到后面看一眼

这个版本的爪子电机，可以看出是由电机直接连转轴驱动的。在很多次朋友参观的过程中，这个爪子由于力气不够大，被魔方卡住了，让我感到非常没有面子（算了，萝卜头表现欠佳，归根结底还是我没培养好）
下面就是兽性大发的部分了：改用了一对3：1的齿轮组，把萝卜头的臂力增强了3倍，所以现在彻底解决了爪子被卡住的问题。搭建过程没有再拍照了，只能看看结果照片，大家自由发挥吧：

添加了减速齿轮组的爪子电机

换个角度来个特写

接下来的任务是安装驱动颜色传感器的电机。为什么我们要把这这部分安装在斜面支架上呢？因为颜色传感器是用来读魔方颜色的，按照说明书的要求，读数时必须距离2~3厘米，并垂直于目标物体的表面。所以魔方是斜的，传感器也必须是斜的。

有人给我提意见，怎么每次都只更新这么一点，一次多发点吧。

其实帖子就像姑娘的裙子，太短了盖不住主题，太长了又没有吸引力，差不多就行啦:)

之前我试过发特别长的攻略，我家娘子打开页面的时候，被不断缩短的滚动条吓的手一哆嗦。。。。又关掉了。。。

下面进入正题：

准备一个延长杆和一个直角连杆准备好电机和一些连接件

准备好电机和一些连接件

神奇吧，电机正好连上，不过还有点晃晃悠悠的真是两个加固的小件

这步有点费解，刚才的两个小件是加到了连杆的下面，另外因为件不够了，我把上面的普通横杆换成了疙里疙瘩的连杆

准备延长底座，一直要延伸到爪子那边

延长后的底座，正好顺路看看刚才比较费解的电机连接部分

这一部分拍的照片有点少，不过乐高积木就是有这点好处，你想怎么蹂躏它都可以，只要接在一起就可以了，不一定非要完全按照我的接法。下一篇我们将要连上驱动爪子的电机！

底座完工以后，需要把它连接到电机上。需要注意的是，我们还需要把这个底座变成一个40度左右的斜坡。为什么要有坡度呢，肯定不是吃饱了撑的。因为萝卜头只有一个爪子用来翻转魔方，有了坡度以后，借助重力作用，轻轻一推就可以翻过去。
经过我多次实验，坡度太大的时候魔方容易滚出台外，坡度太小了又翻不过去，这个40度左右刚刚好。

说起这个，我想起前不久的老同学聚会，有些同学太“爽快”，聚会非要喝到人仰马翻为止。其实任何事物都要掌握一个度，所谓“酒饮微醉，花看半开”。不喝酒没气氛，喝多了太伤身，还鬼哭狼嚎的。。。就像这个斜坡似的，恰到好处最合适。

又扯远了，先远观一下我们即将要做的部分（下图的右边部分）

接下来要介绍右侧的电机和斜坡支架

好，接下来继续看图说话：

在底盘背面加上四个转向固定连杆

插上以后的效果

电机连接需要的配件

电机连接效果

后来发现那个大直角插件有问题，换成黄色的这个了，懒得再拍一遍，凑合看吧

连上以后的效果，领会精神吧，自己试试

支架需要的配件组装后的支架

我最爱的转向“插销”，又结实又好用

支架和电机连接

加一个蓝色插销加强一下

连上一个大直角，这个是以后用的，先放着

准备做另一边的支架

组装后的第二个支架

支架与电机连接

这些是固定宽度的撑杆

这个支架还没有完全连起来，给它添加一个直角连接，连接的照片忘拍了，自己试试吧

完工了！看看四脚朝天的效果图

接下来的几篇攻略会以图片为主，基本上每个步骤都加上了下一个步骤需要的颗粒，相信聪明的你肯定能理解。
首先要制作的是魔方的底座，就是下面这个东东：

可旋转的魔方底座

（我家娘子看了上面这张图，第一反应是“结婚戒指呢？”。哭，好不容易找的角度，居然被慧眼如炬的识破了……:)
下面是看图说话环节：

双层的齿轮盘+两个连杆

这个是背面，接上转向连接件

没啥好说的

装上了“擂台的四个柱子”

这些将是“擂台的围栏”

两个围栏的最后合影，从此天各一方

另外两个围栏

四面围栏搞定，准备开始铺地砖

定位销钉

这是几块“地砖”

继续铺地砖

地砖安装前

大功告成，看看效果

两点说明：
1，这样装完的底盘是有沟壑的，翻转魔方的时候会有很大摩擦力，需要铺上一层光滑的纸或塑料；我从零食盒上剪了一块方形的塑料贴上了。
2，就在我制作的过程中，国甲魔方出了第二代，比标准的魔方小一点，为56mm（标准Rubik’s是57.15mm）。因为这一点点误差，萝卜头回国以后一直水土不服，直到我把四周的护栏缩小了一圈。各位同学到时候请根据自己买的魔方来做相应调整。

这是最近的样子：

调整后最新的样子

有了想法，接下来该怎么行动呢？我建议的方式是：
考查 -> 确定方案 -> 架构 -> 实现 -> 改进

我们先开始考查，随便Bing一下 rubik+cube+robot 。你可以找到各种奇奇怪怪的魔方机器人，例如：

各种神奇的魔方机器人(无聊的人还真不少)

需要链接的请点这里：
http://www.switched.com/2009/09/17/teens-rubiks-cube-robot-solves-classic-puzzle/
http://video.google.com/videoplay?docid=-2084071621500271233#
http://www.youtube.com/watch?v=jkft2qaKv_o
http://www.engadget.com/2007/12/17/kawasaki-robot-solves-rubiks-cube-in-six-seconds-flat/
http://tiltedtwister.com/

我决定参考（请注意是参考而不是抄袭）图中左下的方案，该方案基于Lego公司的NXT Mindstorm机器人套装制作，有以下优点：
1，成熟产品，无需设计电路和焊接
2，积木式设计，扩展性超强
3，三组电机，多种传感器，蓝牙连接，功能很完善
4，有很多第三方的开发包，编写代码很方便
5，价格可以承受(2k左右)

它的缺点：
1，个头小，功率不高，转魔方没问题，干重体力活就不行了
2，塑料连接件，容易出现误差
3，想进一步扩展电子设备较困难

万丈高楼平地起，确定方案就是迈出了第一步！请注意：貌似最轻松的这一步恰恰是最关键的，因为它会影响到之后的所有工作。这个考查阶段，我大概用了一星期的时间查阅资料，对比和估算了各种方案需要的时间和经费；另外还需要一个大概的可行性分析，确定这个方案可以行的通。

现在回过头来看，可行性分析非常重要但也不要钻牛角尖，因为做一件事很少能一帆风顺，总会遇到各种出乎意料的问题。只要不轻言放弃，开发人员永远都可以兵来将挡，水来土掩。

接下来就准备掏银子采购吧，像泡妞一样，该出手时就出手！

在开始介绍方案之前，我先回答一个问题。有人问我，为什么你无端端的会想起做一个解魔方的机器人呢？

（嗖~~镜头切换到1990年）
玩具店里，一个小P孩正呆呆的看着一架模型飞机。他的眼睛里充满了渴望，小伙儿追求姑娘的眼神也不过如此。
但是他没有哭闹着要买，因为他知道家里没有多少钱（哈哈，这娃真懂事啊）
最后他挑了一个很便宜的魔方，这个魔方成了他几年内唯一的玩具。
那个时代没有网络，信息匮乏，这个不算聪明也不算太笨的小P孩，自己一个人闷头玩了两年，终于找到了还原的方法。

（嗖~~镜头又切换到1996年）
在座如果有北航的校友，应该知道冯如杯科技制作竞赛，每年各系都有老师组织并指导学生参赛。
航空发动机系的新生：老师，我想做一个能转魔方的机器人
指导老师（观察中：这个学生真是特别啊–看上去特别呆）：
嗯，你的想法非常好，不过我觉得实现起来很难，而且没有什么实用价值，另外咱们系也没多少经费……
于是这个不切实际的想法就这样被咔嚓了。
题外话：其实当时计算机还在Dos时代，Internet更是还没在北京出现，做这样的机器人确实非常困难。我后来参加的Atar9C发动机实体模型项目，获得了冯如杯的二等奖。
这个发动机至今还展览在北航三号教学楼的发动机陈列室里，回想起来还是无法抑制的臭美啊！

（镜头再次切换）
某公司老板酷爱长跑，为了迎接新加坡马拉松大赛，他组织了一次公司内的热身长跑活动。
在这次活动里，只要跑完20公里，就可以获得几百大洋的奖金。
有一位年轻人恰好出差到此，跑两小时就有几百大洋入账，不赚白不赚啊！
不幸的事情发生了，半路上他亲眼目睹了一个同事倒下，心脏病突发。
虽然这种事在长跑中很常见，虽然和这位同事素不相识，但是年轻人还是被震撼了
人生如白驹过隙，你曾经想过要做一些事情，但是“有空了再说吧”，“有钱了再说吧”。。懒人的借口总是好找的。
当然，大多数人不会以这种突然的方式离去，他们只是在不知不觉中变老，然后有一天，他们会“突然”发现自己没多少时间了。
所以他决定做点事情，从十多年前被鄙视的小心愿开始做起。
题外话：世事就像变幻莫测的魔方，一串貌似毫不相关的因，可能会结出一个莫名其妙的果。这就是传说中的蝴蝶效应吧！