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没有俺走不出的迷宫--做一个月饼迷宫机器人

我正在参加中秋创意投稿大赛,详情请看:中秋创意投稿大赛

很久没有产出,这次中秋活动本来也是兴致勃勃的参加。但是回头一看,好像又没有什么有趣的技术积累。准备放弃的时候突然想起来之前帮朋友做了个小作业做的一个迷宫机器人。虽然不高级但是还是挺好玩的。而且因为没找到合适的兔子素材,所以就用之前的图片素材了。地图是找了个月饼素材来绘制的而成。下面就给大家分享一下过程。

地图绘制

首先定义出地图的宽和高,利用一个二维数组来保存地图的地形。 spawnMarker 用于存储机器人出生点位置。 robots 用于存放迷宫中机器人的当前状态。 controller 用于接收键盘/鼠标事件并传给 World。 Renderer 用于将 2D 字符地图渲染成图形。

public class World {

    private int width, height;
    private char[][] terrain;
    private final char FIRST_TERRAIN = ' ', LAST_TERRAIN = '~'; //地图上能展示的ASCII 方便用于机器人说话
    private Position[] spawnMarker = new Position[10]; //from digits 0 to 9

    private List<Robot> robots = new ArrayList<>();
    private Controller controller = new Controller(this);
    private Renderer renderer;

    private int targetFrametime = 16;
    private boolean pause = true;
    private long currentFrame = 0;
    private long pauseAtFrame = -1; //will pause if current frame equals this, set to <0 to not use

    private Method work, memoryToString;
}
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上述工作做完之后,我们就来看一下如何将下面的 2D 字符渲染成图案。

String mazeMap =

        "###################\n" +
        "#  0H  #   ##    #  $\n" +
        "#  #a ##   ## ## #  #\n" +
        "####p  # #     #   ##\n" +
        "#  yp  #    ## ##   #\n" +
        "#  #  Mid # ##Automn#\n" +
        "#####################";

World world = new World(mazeMap);
Robot robot = makeMazeRunner();
robot.spawnInWorld(world, '0');
world.run();
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首先通过 World 的构造函数将地图数据构建出来,并放置机器人出生点,并默认渲染地图数据。

//constructs the world from the "2D" String
public World(String mapData) {
    this(mapData, true);
}

//you should probably leave shouldRender to true, otherwise you will not see anything
public World(String mapData, boolean shouldRender) {
    if (shouldRender)
        renderer = new Renderer();

    width = mapData.lines().mapToInt(String::length).max().orElseThrow();
    height = (int) mapData.lines().count();

    terrain = new char[width][height];
    String[] rows = mapData.lines().map(s -> s + " ".repeat(width - s.length())).toArray(String[]::new);
    for (int y = 0; y < height; y++) {
        for (int x = 0; x < width; x++) {
            char c = rows[y].charAt(x);
            if ('0' <= c && c <= '9')
                spawnMarker[c - '0'] = new Position(x + 0.5, y + 0.5);
            terrain[x][y] = c;
        }
    }

    try {
        work = Robot.class.getMethod("work");
        memoryToString = Robot.class.getMethod("memoryToString");
    } catch (NoSuchMethodException e) {
        /* student has not implemented these methods yet */
    }
}
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接着通过 World 的 run() 方法来渲染地图数据。具体的 Renderer 类细节就不描述了,整体的源码链接我会贴在文章结尾。渲染后地图大致是这个样子:

image.png

俯视图是这样的:

image.png

public void run() {
    if(renderer != null)
        renderer.setup();

    try {
        while (true) {
            if(renderer != null) {
                // wait until unpaused
                while (pause || currentFrame == pauseAtFrame)
                    Thread.sleep(50);

                long before = System.currentTimeMillis();

                simulateFrame();
                renderer.render();

                long frametime = System.currentTimeMillis() - before;
                long sleepTime = targetFrametime - frametime;
                if (sleepTime > 0)
                    Thread.sleep(sleepTime);
            } else
                simulateFrame();
        }
    } catch (InterruptedException e) {
        /* Intentionally left blank */
    }
}
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迷宫机器人

接着我们来看 Robot 类。机器人的变量相对而言就变得比较简单,name 和 size 用于描述机器人的姓名大小。 position ,direction ,world 描述机器人当前状态。memory 和 sensors 用于存储机器人的记忆和感知。 todo 和 program 用于存储机器人要做的一系列指令。

public class Robot {
 
    private final String name;
    private final double size;

    private Position position = new Position();
    private double direction;
    private World world;

    // memory expand
    private List<Memory<?>> memory = new ArrayList<>();

    // sensor expand
    private List<Sensor<?>> sensors = new ArrayList<>();
    
    private Queue<Command> todo = new ArrayDeque<>();
    private Function<Robot, List<Command>> program = new Function<Robot, List<Command>>() {
        @Override
        public List<Command> apply(Robot robot) {
            List<Command> commands = new ArrayList<>();
            commands.addAll(todo);
            return commands;
        }
    };

}
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既然机器人要走迷宫,那走和调整方向的方法肯定是必不可少的。这里 turnBy 表示在当前方向上面顺延多少角度,turnTo 表示直接转向新的方向。

/// Pre-programmed Commands
public boolean go(double distance) {
    //step can be negative if the penguin walks backwards
    double sign = Math.signum(distance);
    distance = Math.abs(distance);
    //penguin walks, each step being 0.2m
    while (distance > 0) {
        position.moveBy(sign * Math.min(distance, 0.2), direction);
        world.resolveCollision(this, position);
        distance -= 0.2;
    }
    return true;
}

public boolean turnBy(double deltaDirection) {
    direction += deltaDirection;
    return true;
}

public boolean turnTo(double newDirection) {
    direction = newDirection;
    return true;
}
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这里还给机器人加了一个 say 的方法,因为之前 World 中定义了有一些字符在地图中是可以直接打印并且不被渲染的。当机器人走到这个字符上,我希望能够让机器人说出这个字符。因为最后是一个 gui 的打印所以还是调用了 World 中的 say方法来渲染这个字符。

public boolean say(String text) {
    world.say(this, text);
    return true;
}
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我调整了一下 ASCII 的打印范围,让地图能够顺利渲染出中秋快乐的文字,让我们来看一下这个机器人是如何说出中秋快乐的吧:

中秋2.gif

接下来就开始我们最重要的走迷宫环节啦。在不知道迷宫复杂度的情况,又不能人为预设路线。所以需要我们对于未知路线,如何让机器人做出正确指令有一些思考。

我当时应该是参考了这个图片,但是具体的算法应该还是与这个有些出入的。奈何自己没有做注释,现在都看不懂当时是怎么想的了。所以作为一名 coder,注释真的很重要! image.png

这是我当时的代码,比较好玩的是,只要地图是可以通向终点的,哪怕地图内部不通,但是多一个口从外部也能连接终点。机器人也是可以找到终点的。

public static Robot makeMazeRunner() {

    Robot panicPenguin = new Robot("Maze!", 0, 0.5);

    // create memory
    Memory<Character> terrain = panicPenguin.createMemory(new Memory<>("terrain", '0'));
    Memory<Character> end = panicPenguin.createMemory(new Memory<>("end", '$'));
    // create and attach sensors
    panicPenguin.attachSensor(new TerrainSensor().setProcessor(terrain::setData));
    panicPenguin.attachSensor(new TerrainSensor().setProcessor(end::setData));

    // program the robot
    panicPenguin.setProgram(robot -> {
        Position position = robot.getPosition();
        List<Command> commands = new ArrayList<>();

        if (Objects.equals(end.getData().toString(), "$")) {
            return commands;
        }
        switch (dir) {
            case 0:
                if ('#' != robot.getWorld().getTerrain(position.x + 1, position.y)) {
                    commands.add(r -> r.turnTo(0));
                    commands.add(r -> r.say(terrain.getData().toString()));
                    commands.add(r -> r.go(1));
                    dir = 1;
                    return commands;
                } else {
                    if ('#' != robot.getWorld().getTerrain(position.x, position.y - 1)) {
                        commands.add(r -> r.turnTo(1.5 * Math.PI));
                        commands.add(r -> r.say(terrain.getData().toString()));
                        commands.add(r -> r.go(1));
                        return commands;
                    } else {
                        commands.add(r -> r.turnTo(Math.PI));
                        commands.add(r -> r.say(terrain.getData().toString()));
                        commands.add(r -> r.go(1));
                        dir = 3;
                        return commands;
                    }
                }
            case 1:
                if ('#' != robot.getWorld().getTerrain(position.x, position.y + 1)) {
                    commands.add(r -> r.turnTo(Math.PI * 0.5));
                    commands.add(r -> r.say(terrain.getData().toString()));
                    commands.add(r -> r.go(1));
                    dir = 2;
                    return commands;
                } else {
                    if ('#' != robot.getWorld().getTerrain(position.x + 1, position.y)) {
                        commands.add(r -> r.turnTo(0));
                        commands.add(r -> r.say(terrain.getData().toString()));
                        commands.add(r -> r.go(1));
                        return commands;
                    } else {
                        commands.add(r -> r.turnTo(1.5 * Math.PI));
                        commands.add(r -> r.say(terrain.getData().toString()));
                        commands.add(r -> r.go(1));
                        dir = 0;
                        return commands;
                    }
                }
            case 2:
                if ('#' != robot.getWorld().getTerrain(position.x - 1, position.y)) {
                    commands.add(r -> r.turnTo(Math.PI));
                    commands.add(r -> r.say(terrain.getData().toString()));
                    commands.add(r -> r.go(1));
                    dir = 3;
                    return commands;
                } else {
                    if ('#' != robot.getWorld().getTerrain(position.x, position.y + 1)) {
                        commands.add(r -> r.turnTo(Math.PI * 0.5));
                        commands.add(r -> r.say(terrain.getData().toString()));
                        commands.add(r -> r.go(1));
                        return commands;
                    } else {
                        commands.add(r -> r.turnTo(0));
                        commands.add(r -> r.say(terrain.getData().toString()));
                        commands.add(r -> r.go(1));
                        dir = 1;
                        return commands;
                    }
                }
            case 3:
                if ('#' != robot.getWorld().getTerrain(position.x, position.y - 1)) {
                    commands.add(r -> r.turnTo(1.5 * Math.PI));
                    commands.add(r -> r.say(terrain.getData().toString()));
                    commands.add(r -> r.go(1));
                    dir = 0;
                    return commands;
                } else {
                    if ('#' != robot.getWorld().getTerrain(position.x - 1, position.y)) {
                        commands.add(r -> r.turnTo(Math.PI));
                        commands.add(r -> r.say(terrain.getData().toString()));
                        commands.add(r -> r.go(1));
                        return commands;
                    } else {
                        commands.add(r -> r.turnTo(Math.PI * 0.5));
                        commands.add(r -> r.say(terrain.getData().toString()));
                        commands.add(r -> r.go(1));
                        dir = 2;
                        return commands;
                    }
                }
        }
        return commands;
    });
    return panicPenguin;
}
复制代码

下面来一起看一下各种好玩的效果图吧。

中秋.gif

中秋3.gif

源码链接

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