平面電梯 - 用NXT模擬電梯的NXT-G程式

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平面電梯 - 用NXT模擬電梯的NXT-G程式

2013  探奇教室，這個課程是為了學習分區移動的概念。

電梯系統

探奇很早就想利用NXT樂高機器人製作電梯模型，但是因為一台NXT主機只能控制三顆馬達及最多四顆感應器，不能完整作出電梯的所有動作，只好分段進行。

電梯系統可以分為車廂，車廂通道以及各樓層的閘門，每個部分都有自己的機構及電控模組。我們首先從車廂開始思考，車廂中也有各種不同的控制，例如車廂門的開閉，除了馬達移動車廂門，也需要有感應器偵測車廂門是否關閉完全。又如車廂中的照明及風扇，長時間的待機狀態下可以自動暫停運轉主。

平面電梯

網路上有許多樂高做成的電梯模型，不論是使用繩子拉動，還是齒輪齒條的組合，似乎都需要很多積木才能完成，既然沒有時間及足夠的積木完成創作，那麼就在地板貼出三條黑線，玩玩「平面電梯」，讓機器人在三條黑線中任意來回移動，應該也是很有趣的挑戰。

樓層選擇按鍵

 

整個車廂中對乘客最重要的就是「樓層選擇按鍵」。當乘客進入車廂後，會按下想抵達的樓層，電梯系統需要根據目前所在的樓層判斷電梯車廂需要上升還是下降？電梯車廂進行多少樓層的移動。

這聽起來好像很單純，事實上有點複雜。古人說：登高必自卑，我們先從基本開始，等到研究出一些結果，就可以擴充樓層數目。先將樓高設定為三層樓，依照目前電梯所在的樓層，當乘客進入電梯車廂後，按下想要到達的樓層，電梯的對應動作有多少種可能的組合呢？列表是一種最直接的解決方法：

電梯狀況組合表

	目前電梯所在樓層 Now	乘客想要去的樓層 Key	電梯需要的動作 Res
1	1樓	1樓	不用動
2	1樓	2樓	向上1樓
3	1樓	3樓	向上2樓
4	2樓	1樓	向下1樓
5	2樓	2樓	不用動
6	2樓	3樓	向上1樓
7	3樓	1樓	向下2樓
8	3樓	2樓	向下1樓
9	3樓	3樓	不用動

從上面的表格分析，三個樓層，總共有九種組合，小朋友可以直接將9種組合完全寫出來，程式就依照這就種組合進行判斷，例如：

如果電梯目前在1樓，乘客按下2樓，車廂就向上1層。

或者是這種狀況，如果電梯目前在3樓，乘客按下1樓，車廂就向下2層。

程式構想

平面電梯的程式分為幾個部分：1 接受按鍵，2 狀況決定，3 對應動作，4 更新現況。

接受按鍵

以NXT主機上的三個按鍵代表樓層按鈕，向左鍵是1樓，橘色鍵是2樓，向右鍵是3樓。除了NX主機的按鍵，也可以使用三個觸碰感應器代表樓層。或是使用其他感應器也更有趣喔！

在NXT-G中，只有Wait for Sensor能夠判別感應器的狀況，如果需要同時判別多個感應器，可以使用多個Switch Block 或是利用多工程式的寫法。

這裡先以多個Switch Block處理「接受按鍵」，順便也定義一些必要的變數，變數Key：代表乘客的按鍵；變數Now：表示現在樓層；變數Flag：表示是否已經按鍵；變數Res：狀況決定結果。

 

下圖是「接受按鍵」的程式，在迴圈中，不斷以Switch Block判別各個按鍵狀況，並且將按鍵結果儲存在變數Key，當按鍵按下時，同時也將變數Flag設定為真值，使程式跳出迴圈，進行後續動作。

 

狀況決定

「狀況決定」就是對照電梯狀況組合表，決定電梯需要的對應動作。這部分當然也是使用多個Switch Block 完成多種If Then情形。不過這裡先將結果儲存到變數Res，而不是將對應動作寫在這裡。原因是當NXT-G程式的動作太過複雜或是命令方塊太多時，很容易造成NXT-G軟體當機。將程式分成兩部分完成，除了減少軟體當機的風險外，程式也比較容易理解。

程式中第一個Switch Block以變數Now作判別，接著以變數Key作判別，總共有9種可能的情況。結果儲存到變數Res(1到9)。

 

對應動作

等到狀況已經決定，再使用一個單獨的Switch Block執行電梯的對應動作，例如向上一層，向下兩層，或是不動(發出警告聲)。

 

更新現況

電梯已經根據對應的動作進行移動，變數Now當然也要更新現況，所以程式的最後一部份需要將變數Key的數值存放在變數Now，也就是Now = Key。

 

電梯模式數學方式處理

上面的程式很直覺，也很直接地將所有情況列出來。

為了因應各種狀況的發生，當然要將所有組合寫出來，雖然可以寫出來，但是9種狀況還是多了一些，有沒有可能簡化呢？觀察下面的表格，實際上電梯需要的動作只有五種，將乘客想去的樓層減去目前的樓層，剛好得到一些數字。

	目前電梯所在樓層 Now	乘客想要去的樓層 Key	電梯需要的動作 Res = Key – Now
1	1樓	1樓	1-1=0  不用動
2	1樓	2樓	2-1=+1 上升1樓
3	1樓	3樓	3-1=+2 上升2樓
4	2樓	1樓	1-2=-1  下降1樓
5	2樓	2樓	2-2=0  不用動
6	2樓	3樓	3-2=+1 上升1樓
7	3樓	1樓	1-3=-2 下降2樓
8	3樓	2樓	2-3=-1 下降1樓
9	3樓	3樓	3-3=0  不用動

這五種情況分別是：下降2樓(-2)，下降1樓(-1)，不動(0)，上升1樓(+1)，上升2樓(+2)。

正負符號對應上升或下降，數字對應樓層數目。數學還真是好用啊！

(這裡要說明一下，因為負數是上了國中才學習的，國小學生不一定全部都有負數的概念，所以有必要以加減的想法對國小學童說明負數的符號意義，就是「不夠，不足」。在這個題目，正負符號恰好是上升或下降的意思。)

改寫「狀況決定」部分的程式，變得超級簡單，就是將Key減掉 Now，得到Res的狀況數字。還可以直接連線到「對應動作」的Switch Block。

同時對應動作的Switch Block也由9個選項減少至5個選項，大大減輕選項的管理負擔。

 

完成了三條黑線的平面電梯任務，還可以挑戰擴充更多的電梯樓層，試試看，是不是很輕鬆就能完成呢？

對應到WRO比賽

看到平面電梯的三條黑線，似乎跟2013 WRO國小組比賽色瓶分類區域的三條黑線很類似，其實只要將紅藍綠顏色對應到123的數字，就能將彩色感應器所感應到的色瓶(色塊)顏色，與機器人目前所在區域的顏色，一起判別，如此機器人就能走到對應的顏色區域，接著將色塊射出，就能完成任務。請大家參考看看！

探奇舊文章延伸閱讀：

2013 WRO 國小組比賽題目訓練教案

2013 WRO 國小組任務 課程教學的想法