玩转JetBot自动驾驶 （四）开动你的JetBot

本篇详细讲解，如何使用jupyter lab在浏览器上控制你的JetBot，如何通过python进行对JetBot的编程。

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认识Jupyter Lab的界面

我们在上一篇已经通过浏览器接触过jupyter lab并使用了一些功能，接下来我们会一直使用这个工具，所有我们有必要了解一下jupyter lab的界面，对不同区域的名称有个印象，将会让你在之后的操作更得心应手。

 

大概说明一下：

• 顶部菜单：包含了jupyter lab的所有操作，例如新建，保存，关闭运行中的内核等等
• 控制台：是一些快捷方式，在这里可以快速新建一个notebook，打开一个Terminal（终端，或者叫命令行）等等。
• 快捷工具栏：是一些快捷方式，从左到右，分别表示「新建一个控制台」、「创建文件夹」、「上传文件」、「刷新」
• 侧边选项卡：可以分别点开「文件浏览器」、「运行中的核心列表」、「命令列表」、「窗口列表」

接下来，会解读notebook里面python的语句什么意思，有什么用。

完整的notebook，请在这里浏览，样式更好看：

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

也可以下载此notebook，覆盖你的原有基础移动notebook。

基本移动

欢迎来到基于jupyter lab的Jetbot编程界面。
这种类型文档我们称为“jupyter Notebook”，是一种集合文本，代码和图形显示于一身的文档。比起只有代码然后注释的方式更整齐简单明了， 如果你不熟悉‘Jupyter’ ，我建议你点击顶部菜单栏的「help」的下拉菜单，这有很多关于Jupyter lab的使用参考。

而在这个notebook，将会介绍JetBot的基础编程知识，以及如何使用python对你的JetBot进行编程。

加载Robot类

准备开始JetBot为编程前，我们需要导入“Robot”类。这个类允许我们轻松控制JetBot的电机！ 这包含在“jetbot”的package中。

如果你是一名Python新手，一个package就是一个包含代码文件的文件夹。
这些代码文件称为modules（模型）

要加载Robot类，请高亮显示下面的单元格，并按下ctrl + enter或上面的play图标。 这操作将执行单元格中所包含的代码

from jetbot import Robot

现在已经加载Robot类，我们可以用一下语句初始化这个instance（实例）

robot = Robot()

 通过编程控制机器人（JetBot）

现在我们已经创建了一个名为“Robot”的Robot实例，我们可以使用这个实例去控制我们的机器人（JetBot），执行下面的命令可使JetBot按最大速度的30%逆时针转动。

注意：这个命令将会使机器人发生移动，请保证有足够的平面给机器人移动，避免跌落损坏，或者干脆就放在地上

robot.left(speed=0.3)

 

很好，你现在应该见到JetBot在逆时针转动了！

如果你的机器人没有向左转，这意味着其中一个或者两个电机接线出现问题。尝试关闭电源。找出不正确转动的电机，交换其正负极的接线。

提醒：请务必仔细检查接线，线的拔插也需要在切断电源的状态下进行。

现在，执行以下stop方法，就可以使机器人停止。

robot.stop()

 有时可能我们只想在一段时间内移动机器人，为此，我们可以使用Python的time package。执行以下代码，加载time

import time

 

这个package定义了sleep函数，它导致代码执行时停止指定的秒数再运行下一个命令。 尝试以下命令的组合，使机器人仅向左转半秒钟。

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

 非常好。你应该见到JetBot左转了一会儿，然后停了下来。

这个robot类也有right，forward和backwards方法。 尝试创建自己的单元格，参考之前的代码，让机器人以50％的速度向前移动一秒钟。

通过鼠标点击侧边的高亮条并按下“b”或按notebook上方的工具栏“+”图标来创建一个新单元格。 完成后，尝试输入您认为会使机器人以50％的速度向前移动一秒钟的代码，再执行验证所输入的代码是否正确。

单独控制电机

上面我们看到了如何使用left，right等命令控制JetBot。但是如果我们想要单独设置每个电机速度怎么办？其实，有两种方法可以做到这一点。

第一种方法是调用set_motors方法。 例如，左转一秒，我们可以将左电机速度设置为30％，将右电机设置为60％，这将实现不同弧度的转向方式，如下所示。

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

 非常好！你应该见到JetBot向左转。但实际上我们可以使用另一种方式来完成同样的事情。

在Robot类中还有两个名为left_motor和right_motor的属性，分别表示左电机和右电机的速度值。 这些属性是Motor类实例中的，每一个实例都包含一个value值。当这个value发生了变化就会触发events，重新分配电机的速度值。

所以在这个电机类中，我们附加的一个函数，只要值发生变化就会更新电机命令。因此，为了完成我们上面所做的完全相同的事情，我们可以执行以下操作

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

 

您应该看到JetBot以相同的方式移动！

使用traitlets库连接到HTML控件操作电机

接下来介绍一个非常酷的功能，就是在Jupyter Notbooks中可以让我们在这个页面上制作一些图形小按钮（控件），而使用traitlets可以连接这些小部件进行控制操作。这样，我们就可以通过网页的按钮，去控制我们的小车，这将会变得非常方便好玩。

为了说明如何编写程序，我们先创建并显示两个用于控制电机的滑块。

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)

 

你应该看见两个垂直的滑块显示在上面。

技巧提示：在Jupyter Lab，其实你可以把单元格弹出到其他窗口，例如这两个滑块。虽然不在同一窗口，但它仍然连接着这个notebook。具体操作是，鼠标移动到单元格（例如：滑块）上右键，选择「Creat new view for output」（为输出创建新窗口），然后拖动窗口到你满意的地方即可。

尝试单击并上下拖动滑块，会见到数值的变化。 请注意，当前我们移动滑块时JetBot的电机是没有任何反应的，那是因为我们还没有将它们连接到电机上！ 下面我们将通过使用traitlets包中的link函数来实现。

import traitlets

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

 

现在尝试拖动滑块（要先慢慢地拖动，以免你的JetBot突然冲出边界造成损坏），您应该看到相应的电机在转动！

我们上面创建的link函数实际上创建了一个双向链接！ 那意味着， 如果我们在其他地方设置电机值，滑块将会跟着更新！ 尝试执行下面的代码块：

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

 

执行上面代码你应该看见滑块也发生了改变，响应了电机的速度值。如果我们要断开此连接，我们可以调用unlink方法逐一断开连接。

left_link.unlink()
right_link.unlink()

但是如果我们不想要一个双向的连接，比如说我们只想用滑块来显示电机的速度值，而不想用来控制，那么要实现这种功能，我们就可以使用dlink函数，左边是来源，右边是目标，（数据来源于电机，然后要显示在目标上）。  

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

 现在你可以上下移动滑块，你应该看到机器人的电机是没有一点反应。但当我们设置电机的速度值并执行的时候，滑块将会作出响应的数值更新。

将函数添加到事件

另一种使用traitlets的方法是把函数附加到事件中(例如 forward) 。只要对对象发生改变，就会调用函数，并将传递改变了的一些信息，例如old 值和new值。

先让我们创建一些用来控制机器人的按钮显示在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)

 

你应该看到上面显示的一组机器人控制按钮，但现在你点击按钮并不会做任何事。要做到控制，我们需要创建一些函数附加到按钮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()

现在我们已经定义了那些函数，让我们把这些函数附加到每一个按钮的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)

执行以上代码，现在当你点击每一个按钮时，你应该看到JetBot都会对应作出移动。

心跳开关

这里我们显示怎么去使用’heartbeat’ package 来停止JetBot的的移动。这是检测JetBot与浏览器的连接是否还存在的简单方法。可以通过下面显示的滑块调整心跳周期（以秒为单位），如果两次心跳之内不能在浏览器之间往返通信的，那么心跳的’status‘ （状态）属性值将会设置为dead，一旦连接恢复连接，status属性将设置为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)

尝试执行以下这段代码去启动电机，然后降低滑块去看看发生了什么情况。你也可以尝试关闭你的机器人或者电脑。

robot.left(0.2)

 

总结

这是一个简单的notebook例子，希望能对你的JetBot编程建立信心。