玩轉JetBot自動駕駛 （四）開動你的JetBot

本篇詳細講解，如何使用jupyter lab在瀏覽器上控制你的JetBot，如何通過python進行對JetBot的編程。

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認識Jupyter Lab的界面

我們在上一篇已經通過瀏覽器接觸過jupyter lab並使用了一些功能，接下來我們會一直使用這個工具，所有我們有必要了解一下jupyter lab的界面，對不同區域的名稱有個印象，將會讓你在之後的操作更得心應手。

 

大概說明一下：

• 頂部菜單：包含了jupyter lab的所有操作，例如新建，保存，關閉運行中的內核等等
• 控制檯：是一些快捷方式，在這裏可以快速新建一個notebook，打開一個Terminal（終端，或者叫命令行）等等。
• 快捷工具欄：是一些快捷方式，從左到右，分別表示「新建一個控制檯」、「創建文件夾」、「上傳文件」、「刷新」
• 側邊選項卡：可以分別點開「文件瀏覽器」、「運行中的核心列表」、「命令列表」、「窗口列表」

接下來，會解讀notebook裏面python的語句什麼意思，有什麼用。

完整的notebook，請在這裏瀏覽，樣式更好看：

https://github.com/ling3ye/jetbot/blob/master/notebooks/basic_motion/basic_motion.ipynb

也可以下載此notebook，覆蓋你的原有基礎移動notebook。

基本移動

歡迎來到基於jupyter lab的Jetbot編程界面。
這種類型文檔我們稱爲“jupyter Notebook”，是一種集合文本，代碼和圖形顯示於一身的文檔。比起只有代碼然後註釋的方式更整齊簡單明瞭， 如果你不熟悉‘Jupyter’ ，我建議你點擊頂部菜單欄的「help」的下拉菜單，這有很多關於Jupyter lab的使用參考。

而在這個notebook，將會介紹JetBot的基礎編程知識，以及如何使用python對你的JetBot進行編程。

加載Robot類

準備開始JetBot爲編程前，我們需要導入“Robot”類。這個類允許我們輕鬆控制JetBot的電機！ 這包含在“jetbot”的package中。

如果你是一名Python新手，一個package就是一個包含代碼文件的文件夾。
這些代碼文件稱爲modules（模型）

要加載Robot類，請高亮顯示下面的單元格，並按下ctrl + enter或上面的play圖標。 這操作將執行單元格中所包含的代碼

from jetbot import Robot

現在已經加載Robot類，我們可以用一下語句初始化這個instance（實例）

robot = Robot()

 通過編程控制機器人（JetBot）

現在我們已經創建了一個名爲“Robot”的Robot實例，我們可以使用這個實例去控制我們的機器人（JetBot），執行下面的命令可使JetBot按最大速度的30%逆時針轉動。

注意：這個命令將會使機器人發生移動，請保證有足夠的平面給機器人移動，避免跌落損壞，或者乾脆就放在地上

robot.left(speed=0.3)

 

很好，你現在應該見到JetBot在逆時針轉動了！

如果你的機器人沒有向左轉，這意味着其中一個或者兩個電機接線出現問題。嘗試關閉電源。找出不正確轉動的電機，交換其正負極的接線。

提醒：請務必仔細檢查接線，線的拔插也需要在切斷電源的狀態下進行。

現在，執行以下stop方法，就可以使機器人停止。

robot.stop()

 有時可能我們只想在一段時間內移動機器人，爲此，我們可以使用Python的time package。執行以下代碼，加載time

import time

 

這個package定義了sleep函數，它導致代碼執行時停止指定的秒數再運行下一個命令。 嘗試以下命令的組合，使機器人僅向左轉半秒鐘。

robot.left(0.3)
ime.sleep(0.5)
robot.stop()

 非常好。你應該見到JetBot左轉了一會兒，然後停了下來。

這個robot類也有right，forward和backwards方法。 嘗試創建自己的單元格，參考之前的代碼，讓機器人以50％的速度向前移動一秒鐘。

通過鼠標點擊側邊的高亮條並按下“b”或按notebook上方的工具欄“+”圖標來創建一個新單元格。 完成後，嘗試輸入您認爲會使機器人以50％的速度向前移動一秒鐘的代碼，再執行驗證所輸入的代碼是否正確。

單獨控制電機

上面我們看到了如何使用left，right等命令控制JetBot。但是如果我們想要單獨設置每個電機速度怎麼辦？其實，有兩種方法可以做到這一點。

第一種方法是調用set_motors方法。 例如，左轉一秒，我們可以將左電機速度設置爲30％，將右電機設置爲60％，這將實現不同弧度的轉向方式，如下所示。

robot.set_motors(0.3, 0.6)
time.sleep(1.0)
robot.stop()

 非常好！你應該見到JetBot向左轉。但實際上我們可以使用另一種方式來完成同樣的事情。

在Robot類中還有兩個名爲left_motor和right_motor的屬性，分別表示左電機和右電機的速度值。 這些屬性是Motor類實例中的，每一個實例都包含一個value值。當這個value發生了變化就會觸發events，重新分配電機的速度值。

所以在這個電機類中，我們附加的一個函數，只要值發生變化就會更新電機命令。因此，爲了完成我們上面所做的完全相同的事情，我們可以執行以下操作

robot.left_motor.value = 0.3
robot.right_motor.value = 0.6
time.sleep(1.0)
robot.left_motor.value = 0.0
robot.right_motor.value = 0.0

 

您應該看到JetBot以相同的方式移動！

使用traitlets庫連接到HTML控件操作電機

接下來介紹一個非常酷的功能，就是在Jupyter Notbooks中可以讓我們在這個頁面上製作一些圖形小按鈕（控件），而使用traitlets可以連接這些小部件進行控制操作。這樣，我們就可以通過網頁的按鈕，去控制我們的小車，這將會變得非常方便好玩。

爲了說明如何編寫程序，我們先創建並顯示兩個用於控制電機的滑塊。

import ipywidgets.widgets as widgets
from IPython.display import display

# create two sliders with range [-1.0, 1.0]
left_slider = widgets.FloatSlider(description='left', min=-1.0, max=1.0, step=0.01, orientation='vertical')
right_slider = widgets.FloatSlider(description='right', min=-1.0, max=1.0, step=0.01, orientation='vertical')

# create a horizontal box container to place the sliders next to eachother
slider_container = widgets.HBox([left_slider, right_slider])

# display the container in this cell's output
display(slider_container)

 

你應該看見兩個垂直的滑塊顯示在上面。

技巧提示：在Jupyter Lab，其實你可以把單元格彈出到其他窗口，例如這兩個滑塊。雖然不在同一窗口，但它仍然連接着這個notebook。具體操作是，鼠標移動到單元格（例如：滑塊）上右鍵，選擇「Creat new view for output」（爲輸出創建新窗口），然後拖動窗口到你滿意的地方即可。

嘗試單擊並上下拖動滑塊，會見到數值的變化。 請注意，當前我們移動滑塊時JetBot的電機是沒有任何反應的，那是因爲我們還沒有將它們連接到電機上！ 下面我們將通過使用traitlets包中的link函數來實現。

import traitlets

left_link = traitlets.link((left_slider, 'value'), (robot.left_motor, 'value'))
right_link = traitlets.link((right_slider, 'value'), (robot.right_motor, 'value'))

 

現在嘗試拖動滑塊（要先慢慢地拖動，以免你的JetBot突然衝出邊界造成損壞），您應該看到相應的電機在轉動！

我們上面創建的link函數實際上創建了一個雙向鏈接！ 那意味着， 如果我們在其他地方設置電機值，滑塊將會跟着更新！ 嘗試執行下面的代碼塊：

robot.forward(0.3)
time.sleep(2.0)
robot.stop()

 

執行上面代碼你應該看見滑塊也發生了改變，響應了電機的速度值。如果我們要斷開此連接，我們可以調用unlink方法逐一斷開連接。

left_link.unlink()
right_link.unlink()

但是如果我們不想要一個雙向的連接，比如說我們只想用滑塊來顯示電機的速度值，而不想用來控制，那麼要實現這種功能，我們就可以使用dlink函數，左邊是來源，右邊是目標，（數據來源於電機，然後要顯示在目標上）。  

left_link = traitlets.dlink((robot.left_motor, 'value'), (left_slider, 'value'))
right_link = traitlets.dlink((robot.right_motor, 'value'), (right_slider, 'value'))

 現在你可以上下移動滑塊，你應該看到機器人的電機是沒有一點反應。但當我們設置電機的速度值並執行的時候，滑塊將會作出響應的數值更新。

將函數添加到事件

另一種使用traitlets的方法是把函數附加到事件中(例如 forward) 。只要對對象發生改變，就會調用函數，並將傳遞改變了的一些信息，例如old 值和new值。

先讓我們創建一些用來控制機器人的按鈕顯示在notebook上。

# create buttons
button_layout = widgets.Layout(width='100px', height='80px', align_self='center')
stop_button = widgets.Button(description='stop', button_style='danger', layout=button_layout)
forward_button = widgets.Button(description='forward',
layout=button_layout)

backward_button = widgets.Button(description='backward', layout=button_layout)
left_button = widgets.Button(description='left', layout=button_layout)
right_button = widgets.Button(description='right', layout=button_layout)

# display buttons
middle_box = widgets.HBox([left_button, stop_button, right_button],
layout=widgets.Layout(align_self='center'))
controls_box = widgets.VBox([forward_button, middle_box, backward_button])
display(controls_box)

 

你應該看到上面顯示的一組機器人控制按鈕，但現在你點擊按鈕並不會做任何事。要做到控制，我們需要創建一些函數附加到按鈕on_click事件的中。

def stop(change):
    robot.stop()

def step_forward(change):
    robot.forward(0.4)
    time.sleep(0.5)
    robot.stop()
    
def step_backward(change):
    robot.backward(0.4)
    time.sleep(0.5)
    robot.stop()

def step_left(change):
    robot.left(0.3)
    time.sleep(0.5)
    robot.stop()

def step_right(change):
    robot.right(0.3)
    time.sleep(0.5)
    robot.stop()

現在我們已經定義了那些函數，讓我們把這些函數附加到每一個按鈕的on_click事件

# link buttons to actions
stop_button.on_click(stop)
forward_button.on_click(step_forward) backward_button.on_click(step_backward) left_button.on_click(step_left)
right_button.on_click(step_right)

執行以上代碼，現在當你點擊每一個按鈕時，你應該看到JetBot都會對應作出移動。

心跳開關

這裏我們顯示怎麼去使用’heartbeat’ package 來停止JetBot的的移動。這是檢測JetBot與瀏覽器的連接是否還存在的簡單方法。可以通過下面顯示的滑塊調整心跳週期（以秒爲單位），如果兩次心跳之內不能在瀏覽器之間往返通信的，那麼心跳的’status‘ （狀態）屬性值將會設置爲dead，一旦連接恢復連接，status屬性將設置爲alive。

from jetbot import Heartbeat
heartbeat = Heartbeat()

# this function will be called when heartbeat 'alive' status changes
def handle_heartbeat_status(change):
    if change['new'] == Heartbeat.Status.dead:
        robot.stop()

heartbeat.observe(handle_heartbeat_status, names='status')

period_slider = widgets.FloatSlider(description='period', min=0.001, max=0.5, step=0.01, value=0.5)
traitlets.dlink((period_slider, 'value'), (heartbeat, 'period'))
display(period_slider, heartbeat.pulseout)

嘗試執行以下這段代碼去啓動電機，然後降低滑塊去看看發生了什麼情況。你也可以嘗試關閉你的機器人或者電腦。

robot.left(0.2)

 

總結

這是一個簡單的notebook例子，希望能對你的JetBot編程建立信心。