基于C語言的多功能智能機器甲蟲的研制

摘要:科學闡述了多功能智能機器甲蟲的設計思路和方法，并利用C語言編程實現了甲蟲的定軌跡行走、自由躲避障礙行走和尋找光源等智能性功能，該智能甲蟲的開發和應用有著寓教于樂的重要意義，為利用C語言開發智能玩具提出了較好的技術路線，具有較廣泛的實際應用價值。

關鍵詞:C語言;機器甲蟲;智能玩具;復合式;仿生學

中圖分類號:TP18文獻標識碼:A文章編號:1009-3044(2009)26-7489-03

Development of Multi-Function Intelligent Machines Beetles Based on C Language

WANG Jun， CHEN Chao-xiang

(College of Information Science Technology， Zhejiang Shuren University， Hangzhou 310015， China)

Abstract: The paper elaborate on multi-functional design of an intelligent machines beetles' ideas and methods， and the beetle's functions of walking track， free to avoid obstacles walking and looking for intelligent light is realized using for C language programming. The intelligent development and application of beetles has put teaching on the importance of playing， which has developed a better smart toy technology line for the use of C language to Intelligent toys and will be a wider range of practical applications.

Key words: c language; machine beetles; intelligent toy; compound; bionics

隨著人們生活水平的不斷提高，信息技術的高速發展，電子玩具在人們生活中得到普及，傳統的電子玩具有遙控飛機、遙控汽車等[1]，但是傳統的玩具功能單一，汽車只能開，飛機只能飛，而且因為操控者是兒童或者青少年，所以玩具很容易對操控者造成傷害，玩具自身也很容易損壞，另外基于操控者年齡尚小，很容易丟失玩具。玩具的可玩性不高，教育意義不大，操控者玩過一段時間后會對玩具產生厭惡感，或者不屑感。綜上所述，現在電子玩具安全性不高，智能性不強，可玩性不高，教育意義不大。為解決傳統玩具存在的問題，本課題采用C語言編程環境，設計出了具有多功能的智能機器甲蟲，該甲蟲具有極高的安全性能，擁有者不容易丟失玩具，智能度高[2]，甲蟲能根據外界信息作出反應，可玩性高，甲蟲具有多種不同的功能，還具有一定的教育意義，了解一般昆蟲的生活習性，同時甲蟲的音樂模塊能激發兒童對音樂的喜好，培養藝術的天份。

1 多功能甲蟲的設計思路

1.1 甲蟲的起步以及模式的轉換

甲蟲的起步可以有2種情況，一種是先放置地面然后啟動，另一種是拿在手上啟動后放置地面，因為甲蟲的行走模式也有2種，一種是先左輪開始動1秒然后右輪動1秒，循環后可看到甲蟲先右轉1秒時間，然后走直線，這種方式叫做“直線行走”，另一種是先左輪開始動1秒左輪停止然后右輪動1秒右輪停止，循環后可看到甲蟲左右擺動著走，這種方式叫做“搖擺行走”。模式即代表了功能，模式有定軌跡行走，自由躲避行走，尋找光源，音樂模塊，模式之間的切換全憑聲控和光控的結合，在一般有光情況下，甲蟲頭部2個光感接受到光照后，前部2個LED燈即眼睛，都會發射出紅色光亮，用手指遮住一邊的光感后，同一邊的眼睛也不會發射出紅色光亮，甲蟲前端還有一個聲音接受器，接受到聲音后便能執行某一模式。當甲蟲兩眼都亮時，接受聲音后，啟動定軌跡行走模式，當甲蟲兩眼都不亮時，接受聲音后，啟動尋找光源的模式，當只有甲蟲左眼亮時，接受聲音后，啟動自由躲避障礙行走，當甲蟲只有右眼亮時，接受聲音后，啟動音樂模式。

1.2 甲蟲的定軌跡行走

甲蟲的定軌跡行走，簡單的讓擁有此甲蟲的人了解機器甲蟲能作怎樣的行走以及機器甲蟲的基本感官，甲蟲的起步可以有2種情況，一種是先放置地面然后啟動，另一種是拿在手上啟動后放置地面，甲蟲啟動后，起先會做一種正方形的軌跡行走，正方形的軌跡行走難點在于做一個直角的轉彎，因為考慮到地面及其他外界因素，所以甲蟲只能做近似直角的轉彎，甲蟲在做第一種方式行走即直線行走時，循環一定時間后進入轉彎的模塊[3]，即一邊輪子停止，另一邊的輪子繼續滾動延時N單位時間(此時間根據各種地面情況及硬件情況而得到的適合作直角轉彎的最佳值)。一直循環這2個模塊達到4次，即完成了一個趨于正方形的軌跡。另外可以附加一些行走中發出音樂，或者轉彎時甲蟲眼睛不停地閃爍，這樣使得整個流程看起來更富有動態更加吸引人的注意。在完成正方形軌跡N圈后，甲蟲自動轉入圓形軌跡行走，圓形軌跡難點是作有弧度的行走，這樣就用到甲蟲的第二種行走方式“搖擺行走”，在搖擺行走的基礎上，調整滾動輪的延時時間，使得左右輪的單位行走時間發生極短的偏差，圓形的構成是360度的曲線，如果把曲線分成360段即每一段為1度，而發生偏差后的甲蟲每2次就形成一個度數(度數是根據各種地面情況及硬件情況而得到的適合作圓角轉彎的最佳值)，這個度數在理想情況下是固定的，即在經過數次循環后最后能回到起始點作出圓形的軌跡，同樣在此過程中加入額外元素模塊使得看起來更具生動性。

1.3 甲蟲的自由躲避障礙行走

甲蟲的自由躲避障礙行走，當啟動這個模式后，甲蟲會沿著任意方向前進直至碰到障礙后，會停止，然后躲避障礙后，再沿一方向前進。這模式關鍵在于處理碰到障礙后甲蟲的躲避行為，同時用到了甲蟲的兩個觸角一個尾巴，前端左右方向各一個，后方也有一個。當甲蟲前2個觸角碰到障礙物時，甲蟲將先停下來，然后用搖擺行走作一個延時單位的后退行走，這個延遲時間也是固定的值，值的測算是根據甲蟲頭部到觸角頭部的距離然后除以一個甲蟲當時選擇的行走方式的速度，即在甲蟲后退后觸角已遠離障礙物，接著，甲蟲作一個轉向動作，繼續循環下去。這樣就達到了躲避障礙的行走。在躲避行走的同時，我們也可以附加一些聲音、燈閃爍，另外加入一種安全機制，當甲蟲的尾巴感應到觸碰后，甲蟲將立即停止，因為甲蟲的行進路線是直線，排除一些特殊情況(甲蟲從高空掉落、被物體壓到等)后，只有人為才能使甲蟲尾巴感應到，一般想象為某兒童抓住了甲蟲的尾巴，如果兒童抓住甲蟲的尾巴，而甲蟲還在執行程序，這樣會對兒童產生一定的不安全因素，所以當甲蟲尾巴有觸碰感應時，甲蟲停止行走并放出音樂以取悅孩童。

1.4 甲蟲的尋找光源

甲蟲的尋找光源的啟發來自于昆蟲一般具有的趨光性，他會朝著有光亮的地方走去，就像飛蛾撲火一樣。這一模式利用了甲蟲的光感器，頭部左右各一個光感器。比較左右光感器接受的光源的值，如果左邊的光強度大于右邊的，則說明光源位于甲蟲的左方向，這時甲蟲應該左轉，右機動輪滾動。同樣，如果右邊的光強度大于左邊的，則說明光源位于甲蟲的右方向，這時甲蟲應該右轉，左機動輪滾動。重復這個循環后，會看到甲蟲一直調節方向最終行走到一個光源處停止，停止的主要依據兩個光感的值達到一定數值后，這個數值的取值是根據測量一般室內燈光和一般陽光的光亮得出。停止后附加一些警報來提醒主人，這種情況可以理解為孩童在玩甲蟲的時候甲蟲跑到陽臺上或者室外，如果甲蟲繼續行走孩童也會在陽臺上或者室外玩耍，這樣就有不安全因素。

1.5 甲蟲的音樂模式

甲蟲的音樂模式其實是將甲蟲身體的三個觸角感應器組成了七個音符，三個觸角各自接受觸碰時各自為一個音符，三個觸角兩兩觸碰后可以組成3組音符，最后三個觸角同時觸碰時又組成一個音符，一共為7個音符。這個模式的可玩性主要在于低齡的孩童他們對音樂可能很陌生，但是又具有很強的好奇心，甲蟲這樣的設計一方面促進孩童對音樂的好奇心，另一方面挖掘孩童在音樂方面的天賦。

2 多功能甲蟲的實現

2.1 甲蟲自由躲避障礙行走的實現

void xjjbza(void)

{ unsigned charzcj=0;//觸角狀態的變量，默認為0，碰觸時為1

unsigned charycj=0;

intjs=0; //計數

inti=0;//計數

NoteA(2，1，0);//發聲函數

while(1)

{ Leftmotorfor(); //機動輪滾動

DelayNs(1);//延時

Rightmotorfor();

zcj=Lefttentacle(); //變量接受狀態值

ycj=Righttentacle();

if((zcj==1)||(ycj==1)) //左觸角或右觸角的狀態為1時執行

{ while(i==5)

{ LeftRedLEDon(); //左led燈亮起

RightRedLEDon();

DelayNs(1);

RightRedLEDoff();//右led燈熄滅

LeftRedLEDoff();

Leftmotorstop();//左機動輪停止

Rightmotorstop();

DelayNs(2);

i=i+1; }

while(js<=3)

{ Leftmotorback(); //左機動輪后退

DelayTenth(1);

Leftmotorstop();

Rightmotorback();

DelayTenth(1);

Rightmotorstop();

js=js+1; }

js=0; }

else

{……}

}}

以上的過程為實現甲蟲自由躲避障礙行走[4]，甲蟲啟動行走后檢測觸角的觸碰狀態，如有一觸角觸碰則把狀態值1賦值給狀態變量，檢測到任一狀態變量為1時，程序首先會做一個甲蟲停止前進并亮燈的舉動，然后，甲蟲做一個后退的動作，當觸碰次數高于4次時甲蟲的后退程序會失效，甲蟲便停止動作。

2.2 甲蟲尋找光源的實現

void xzgy(void)

{ unsigned charRL=255;//設定光感值，值越大，光強度越弱

unsigned charLL=255;

NoteA(2，1，0);

while(1)

{ LL=Leftsensitive(); //接受左光感測得的值

RL=Rightsensitive();

if(RL

{ Leftmotorfor();//左機動輪啟動

DelayTenth(5);

Leftmotorstop();

NoteC(2，1，0);}

else

{ if(LL

{ Rightmotorfor();//右機動輪啟動

DelayTenth(5);

Rightmotorstop();

NoteE(2，1，0); }

else

{ if((RL<=50)(LL<=50)) //左右光強度同時小于50執行

{while(1)

{ Leftmotorstop();//左機動輪停止

Rightmotorstop(); //右機動輪停止

LeftRedLEDon();//左led燈亮

RightRedLEDon();

NoteB(2，1，0);//發出聲音

DelayNs(2);

RightRedLEDoff();

LeftRedLEDoff(); }}}}}}

以上的過程為實現甲蟲尋找光源，甲蟲啟動行走后檢測光感的狀態，將檢測到的光強度值傳給變量，值越大說明光強度越弱，離光源越遠。如果左邊的值小于右邊的值，甲蟲就向左跨一步，如果右邊的值小于左邊的值，甲蟲就向右跨一步，直到兩個變量值都小于50(這數值是在室內經過多次測量比較得到的光源值)，甲蟲停止活動，并發出聲音以及兩個led燈亮起。

3 總結

多功能甲蟲作為適合孩童加速大腦發育的一個新型玩具，不但具有功能多樣性、效果多樣化、安全又智能的可玩性極高的現代玩具，而且加入一些類昆蟲的特性，很好的啟發孩童對于學習的樂趣，也豐富了孩童對于昆蟲世界的認知。除了這些外，甲蟲加入光控和聲控，孩童處于敏感期時對于光和聲的刺激是最直接影響孩童身心發育的關鍵部分[5]。音樂具有獨特的魅力和明顯的促進智力發育的作用。它對孩子的健康成長也有很大的幫助?？傊⑼蚯嗌倌暝谕嫠６喙δ軝C器甲蟲的同時，無論從生長發育還是后天培養都起到了一個正向的幫助，而且玩具獨到的特性使得其可玩性得到長久的保持。本課題已被列入浙江省大學生創新項目，我們對甲蟲的功能設計完全立足于玩具的可玩性、安全性、教育性，但是因為我們自身能力有限還不能更好的對甲蟲的各種特性作到完美的詮釋，在功能的開發整合上也有一定的缺陷，在安全性上，基于未能在大環境中作跟蹤調查，我們將在今后的研究中更加深入地去調查和研究。

參考文獻:

[1] 王世華，胥布工，劉云輝.基于Internet機器人視覺伺服系統仿真實現[J].系統仿真學報，2008，20(2):353-356.

[2] 張濤.微型仿生六足機器人的運動控制的軟件設計[J].計算機測量與控制，2006，14(7):135-137.

[3] 張濤，顏國正，劉華.新型微型六足機器人的運動原理及控制程序[J].計算機工程，2006，32(23):241-243.

[4] 楊宜民.智能玩具研發動態及思考[J].廣東工業大學學報，2004，21(3):36-41.

[5] 賈玉贊.淺議智能機器人發展及應用[J].太原科技，2003，21(3):21.