Scratch案例——无人驾驶汽车

(本文为前一篇文章《理解编程语言只需四个词-编程知识体系介绍(带python及scratch案例)》的说明案例之一)

下面我们用Scratch做一个无人驾驶汽车的小程序来具体说明下编程系统。

7.1 程序编写步骤

第一步:确定这个程序的目标

这个案例中我们要做一个能够自己躲避障碍、决定速度的小车。

第二步:将目标分解

我们想要汽车具备如下几个功能:

(1)遇到障碍物自动换向;

(2)遇到屏幕边缘自动改变方向;

(3)前方无障碍物的时候,加速行驶;

(4)前方一定距离内有障碍物,减速行驶;

第三步:设计原型

用最简单的程序语言及图形实现程序核心功能,设计一个能判断到障碍物的距离并根据情况改变行驶方向的小车,即为原型。

第四步:完善程序

对原型进行扩展,包括功能完善及各种美化效果。

第五步:扩展程序

这个案例的进一步扩展,比如添加功能、以这个程序为基础做出其他案例等。

7.2 原型设计

下面我们开始制作原型。先新建一个长方形的角色,当我们的汽车原型,命名为“车”。把原来的猫命名为“障碍”。界面和代码如图4.2-4.3所示。

原型界面

汽车原型.PNG

点击小绿旗按钮,小车在快接近障碍物的时候能够自动改变方向,初步实现了避开障碍物的功能。在这个小程序中,通过侦测“到障碍物的距离”来获得“数据”;判断侦测的距离是否小于150属于“运算”;“重复执行”和“如果......那么”两个代码块为“控制部分”;“移动5步”及“右转15度”为“执行”语句。这个原型虽然只有几行代码,但是已经包含了“编程系统”四个主要组成部分:数据、运算、控制和执行。这个案例还要丰富一下,其本质也是通过“编程系统”四个主要部分的配合完成的。

7.3 不再撞墙

我们继续完成原型。当汽车达到舞台边框的时候居然穿过边框不知去向了,这不是我们想要的效果。我们只需要在“重复执行”语句中加入“遇到边缘就反弹”命令。运行程序,汽车再也不会消失了,看看程序也只是多了一行代码而已,如图4.4所示。

反弹

7.4 加速与减速

下面进行加速、减速的设置。基本原理也是通过判读汽车到障碍物的距离来决定车速的大小:当距离大于300的时候,速度加到8;当距离小于150的时候,速度降到2;当距离在150~300的时候,恢复正常默认速度5。在这里,我们用了一个变量“速度”,变量的相关内容会在后面额章节中详细讲解,这里只需要理解为代表速度,且大小可变就可以了。调整一下数值,代码如图4.5所示。

加速与减速代码

现在我们可以对照一下上文中制定的4个具体目标,基本上全部实现了。

7.5 紧急掉头

下面进入“完善程序的”的阶段,我们发现汽车大部分情况都能实现自动避开障碍物,但也会出现一些极端情况。当车与障碍物考的太近的时候,容易让车做圆周运动,反而反复从障碍物上方经过,这不和常理,究其原因,是因为在特殊的情况下汽车右转20度之后仍然符合旋转的条件,这样就造成了循环碾压障碍物的情况。针对这种情况,我们修改代码,当距离小于60的时候,直接转向相反方向,并前进80步,这样就基本上避免了上述问题。同时为了增加程序多样性,在程序开始的时候加入了旋转随机角度的命令,最终代码如图4.6所示。

汽车完整代码

7.6 添加一匹跑动的马

障碍物小猫移动不动站在那里实在无聊,我们可以换成一匹奔跑的马,这样就有趣多了。与小车一样,我们为这匹马也设定了遇到边缘就折返的命令,最后马的代码如图4.7所示。

马身上的代码.PNG

运行一下程序,有意思多了。可是我们的汽车还用一个方块代替,这时候我们可以做一些美化的工作了,将方块修改成小汽车,最后的界面如图4.8所示。小汽车尾部的线是它的运行轨迹,记录轨迹的方法我们会在“画笔”的相关章节详细讲解。

界面.PNG

7.7 辅助工具的使用

我们在做几何题的时候需要添加辅助线来寻找解题思路。在编写程序的过程中我们也可以用一些辅助的工具来提高我们的编程效率。而这些辅助工具一般都是我们根据需要自己设计编写的。如在本案例中,你一定疑惑程序中条件语句“道障碍物的距离<150”中数值150是如何得到的。你当然可以通过不停地改数值、运行、调整来找到最合适的数字。但这不是最佳的方法,我们可以创造一个辅助的工具,如下图4.9所示。

辅助工具1

这样,我们只需拖动小车到合适的位置,点击角色,就会直接显示相应的距离,简单快捷。

本案例还用了另一个辅助工具,当你按下键盘上A键时,小车就会回到坐标(0,0)的位置。这个小工具在程序调试阶段发挥了重要作用,如图4.10所示。

辅助工具2

这个案例完成了么?其实一个程序永远没有真正完成的时候,可以一直变得更好。我们想一想怎样把这个程序改的更好?下面是一些提示:

1.增加障碍物数量,并让其位置随机分布;

2.将汽车和马换成猫和老鼠试试;

3.加入一些故事情节。

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