子程序在虛擬機器人競賽中的應用探究

吳偉超

摘要：隨著虛擬仿真技術的發展，虛擬機器人已走進了中小學課堂，給信息技術教學注入了新的活力。本文以智能快車虛擬機器人為例，簡述了如何應用子程序高效地完成任務。

關鍵詞：子程序 虛擬機器人 智能快車

在2009年中小學電腦競賽中，廣州市增加了“3D仿真虛擬機器人”比賽項目。2010年，廣東省教育廳將虛擬機器人項目作為中小學電腦機器人競賽活動項目。近幾年，筆者輔導學生參加競賽，取得了不錯的成績。接下來，筆者以智能快遞虛擬機器人為例，結合小學生的特點，簡述了如何應用子程序高效地完成任務。

一、子程序的含義

在程序設計和編寫過程中，不同位置需使用一段完全相同的程序，而為了節約內存，避免多次出現同一段程序，人們將這段程序寫成獨立的程序片段，隨意調用這段程序，執行完這段相同程序再返回原主程序繼續運行，這樣獨立的程序段就稱為子程序，而調用子程序的程序則稱為主程序。由此可見，子程序的引入大大簡化了程序結構，增加了程序的可讀性，避免了重復性工作，縮短了整個程序。

在虛擬機器人程序設計中，由于經常用到一些重復的功能，這些功能相同的程序編成相同的代碼，所以子程序思想可以運用到虛擬機器人程序設計中。在調用子程序時，我們要注意一個問題，即參數傳送問題。在調用子程序時，主程序應先把有關參數放到某些約定的位置，當子程序運行時，我們可以從約定位置得到這些參數。另外，在虛擬機器人程序設計調用子程序時，我們要注意按規定的格式，在主程序中不能漏掉參數，否則程序就會出錯，不能執行。

二、智能快車虛擬機器人競賽任務分析

在智能快車綜合任務分析中，對如何定義子程序，筆者與學生進行了模塊的可視化編程，結合易時代3D仿真虛擬機器人軟件的任務地圖，把任務分解成可讓機器人完成直行、轉彎、避障、巡線、通過十字路口及收取快遞等子任務。下面，筆者以直行與轉彎為例，分別展示不同類型的子程序的結構和調用方法：第一，直行結構（讓機器人直行1秒），如圖1所示；第二，轉彎結構（讓機器人以一定的速度、角度進行轉彎，在轉彎過程中用應用指南針檢測地圖的角度，到達指定角度時直行出彎），如圖2所示。

從這兩個子程序的功能上不難看出，直行子程序運行的結果是單一的，轉彎子程序運行的結果會根據指定的不同角度達到不同的目的。通過參數的應用，讓原來同一段的程序更加靈活多變，進而簡化、優化程序，所以我們要根據子程序的功能構建子程序。如果功能是單一的，子程序就不需要參數，否則我們要根據情況增加對應的參數。

三、應用子程序注意的問題

使用易時代3D仿真虛擬機器人軟件定義子程序的過程中，我們要注意以下問題：首先，要確定子程序的命名，其命名不能使用與軟件內部命令重復的單詞。如要實現停車3秒的功能，子程序不能用“Stop”進行命名，否則會與內部命令發生沖突，導致編譯失敗。其次，只能在新建時定義子程序的參數，所以在定義子程序前，我們要考慮好參數的問題。最后，我們必須清楚子程序的從屬關系。在多年的輔導中，筆者了解到學生在編寫子程序的過程中，一般會出現如圖3、圖4、圖5的情況：

圖3是建立主程序“109”后定義一個子程序“GO”直行，學生一般不會出現什么問題。圖4是建立主程序“109”后定義一個子程序“GO”直行，馬上再定義另一個子程序“L”左轉，學生很容易出現子程序的從屬關系混亂。本來，“GO”和“L”都應該是“109”的子程序，因為軟件里新建的子程序“L”是當前窗口程序的子程序，如果剛才是編寫“GO”這個子程序，現在新建的子程序“L”就變成了“GO”的子程序。由于從屬關系的錯誤，子程序“L”就不會在主程序“109”里出現。圖5里的從屬關系就更加復雜了。為此，在定義子程序的過程中，教師應要求學生定義完一個子程序，必須保存、關閉，然后再定義另一個子程序，以保證子程序跟主程序的正確從屬關系。不僅如此，每定義一個子程序，學生都應在主程序中引用并進行編譯，如果有誤，只要檢驗最新定義的子程序即可，從而快速有效地校正程序。

四、應用子程序實例分析

下面，筆者以2017年廣州市賽小學智能快遞地圖為例（如圖6所示），說說如何應用子程序快速、高效完成任務。

第一，任務分析。圖中有快遞8件，根據布局可設計以下三種方案：方案一，成功收取快遞①～⑥，并送達終點，可以得12000分+時間分；方案二，在方案①的基礎上增加收取余下的⑦⑧兩個快遞，全部收取并送終點可以得到16000分+時間分；方案三，備用方案，當實行方案二因時間不夠未能完成任務時，在方案一的基礎上增加收取⑦一個快遞，若成功，則得14000分+時間分。根據三個方案做出流程草圖，在編寫流程圖時，教師需要標注子程序參數的參考數值（如表1所示）。另外，地圖中沒有障礙物，可以不用定義避障的子程序。

第二，根據分析，首先快速建立機器人模型，傳感器配備光電傳感器、遠紅外傳感器、指南針，然后在桌面建立主程序，定義直行、左轉、右轉、巡線、抓取快遞等5個子程序。其中，直行和巡線不需要預設參數，左轉、右轉和抓取快遞都設置了一個參數。在定義子程序時，我們要注意根據任務，把相同作用的程序（動作）劃分為一個個子程序，尤其在劃分的時候要考慮可執行性強、兼容性強等特點，這樣子程序應用起來才快捷方便。

第三，根據方案一的流程圖進行主程序的編程。由于應用子程序進行編程的流程是線性的，所以第一步要巡線行走，引用巡線的子程序；第二步需要左轉彎，引用左轉彎的子程序……（如表1所示）

在編寫程序的過程中，教師應要求學生每完成一個子程序的引用時，都要畫“√”進行記錄，以免錯漏。通過對照流程圖，一步一步應用已有的子程序進行編程，便于學生理解和運用。

第四，方案的檢驗與優化。已經編寫好的程序經過編譯就可以在仿真處進行驗證，由于易時代3D仿真虛擬機器人軟件引入了物理引擎和隨機參數，所以仿真的結果會有微小的變化。又因為物理引擎的慣性作用，在優化程序的時候必須按順序修改，不可以更改后面參數再修改前面的參數。這樣一來，在慣性的作用下，后面的參數可能就無效了。在仿真檢驗中，方案一順利通過后，教師可要求學生做好備份，然后用方案一的拷貝文件修改成方案二，如果成功，就以方案二做備份后進行最后優化并上交；如果方案二因時間不足，學生可以利用方案一進行備份，嘗試修改成方案三，修改成功，則以方案三備份優化并上交；如果方案二和方案三都無法完成，那至少保證有方案一可以上交得分。

五、結語

在程序的編寫過程中，子程序的引入大大簡化了程序結構，增加了程序的可讀性，避免了重復性工作，縮短了整個程序，并增強了程序的可移植性。一些常用的運算程序寫成子程序形式，可以隨時引用、參考。因為子程序的應用，學生可以從程序的順序結構、分支結構、重復結構等復雜結構的思維方式回歸到只有順序結構的線性思維方式，方便學生學習和理解，從而有效提高任務的完成度。但是，子程序的應用也有不足的地方，如定義了的子程序功能單一，雖然參數的預設可以優化這方面的短板，但如果參數過多，在引用時也容易出現錯漏。

參考文獻：

[1]張嘉志，王同聚.讓機器人走近學生——3D仿真虛擬機器人：普及機器人教育的新途徑[J].中小學信息技術教育，2010，（6）.

[2]龍麗嫦.虛擬機器人：讓信息技術教育更豐盈[J].中國現代教育裝備，2012，（18）.

（作者單位：廣州市南沙區金隆小學）