第7章人機交互接口智慧物流系統(tǒng)：從設計到實現(xiàn)教學內容CONTENTS1電子人機交互方式2應用軟件控制與編程3

章節(jié)目標熟悉并理解人機交互的定義與方式；理解并掌握物流機器人與應用軟件的通信流程；了解并學習數(shù)據(jù)傳輸與內存管理的方式策略。4人機交互：人機交互（Human-ComputerInteraction，縮寫HCI），是一門研究系統(tǒng)與用戶之間交互關系的學問。系統(tǒng)可以是各種各樣的機器，也可以是計算機化的系統(tǒng)和軟件。HCI領域的研究人員觀察了人類與計算機交互的方式，設計了能使人類以更新穎的方式與計算機交互的技術。人機交互界面通常是指用戶可見的部分，用戶通過人機交互界面與系統(tǒng)交流，并進行操作。1電子人機交互方式5一、LEDLED為LightEmittingDiode的簡稱，即發(fā)光二極管，由含鎵（Ga）、砷（As）、磷（P）、氮（N）等的化合物制成。這種電子元件早期只能發(fā)出低光度的紅光，之后發(fā)展出其他單色光，時至今日能發(fā)出的光已遍及可見光、紅外線及紫外線，光度也有了很大的提高。隨著技術的不斷進步，用途也由初時作為指示燈、顯示板等，到目前廣泛地應用于顯示器和照明。1電子人機交互方式發(fā)光二極管6發(fā)光二極管的基本構造與PN結功能：發(fā)光二極管的核心構造為P型半導體與N型半導體組成的晶片，其間存在過渡層即PN結。在半導體內部，空穴與電子的擴散在PN結處形成勢壘，有效抑制其進一步擴散。正向電壓施加于PN結時，勢壘降低，促使電子從N區(qū)注入P區(qū)，空穴則從P區(qū)注入N區(qū)，這一過程稱為少數(shù)載流子注入。1電子人機交互方式一、LED二極管PN結7發(fā)光原理與單向導電性：注入P區(qū)的電子與P區(qū)空穴、注入N區(qū)的空穴與N區(qū)電子分別復合，此復合過程伴隨光子能量的釋放，從而產(chǎn)生發(fā)光現(xiàn)象。當PN結承受反向電壓時，勢壘增強，少數(shù)載流子注入受阻，導致二極管不發(fā)光。因此，發(fā)光二極管具有單向導電性，僅在正向電壓作用下（即正向工作狀態(tài)）才會發(fā)光。1電子人機交互方式一、LEDPN結內部工作原理與結構8LED發(fā)光特性與工作限制：不同半導體材料中，電子與空穴的能量狀態(tài)各異，復合時釋放的能量越多，所發(fā)光波長越短。實際應用中，常選用發(fā)紅光、綠光或黃光的二極管。發(fā)光二極管的反向擊穿電壓通常超過5伏，其正向伏安特性曲線陡峭，故使用時需串聯(lián)限流電阻以調控電流，確保二極管正常工作。1電子人機交互方式一、LED二極管串聯(lián)限流電阻91電子人機交互方式

LED材料、化學表達式與顏色之間的關系10物流機器人使用的發(fā)光二極管LED可以發(fā)出三種顏色：1電子人機交互方式一、LEDLED綠色光LED藍色光LED紅色光11二、蜂鳴器蜂鳴器是一種一體化結構的電子訊響器，采用直流電壓供電，廣泛應用于計算機、打印機、復印機、報警器、電子玩具、汽車電子設備、電話機、定時器等電子產(chǎn)品中作發(fā)聲器件。按照構造方式的不同將蜂鳴器分為壓電式蜂鳴器和電磁式蜂鳴器兩種。1電子人機交互方式蜂鳴器外觀121.壓電式蜂鳴器壓電式蜂鳴器主要由多諧振蕩器、壓電蜂鳴片、阻抗匹配器及共鳴箱、外殼等組成。有的壓電式蜂鳴器外殼上還裝有發(fā)光二極管。多諧振蕩器由晶體管或集成電路構成。當接通電源后（1.5~15V直流工作電壓），多諧振蕩器起振，輸出100~500HZ的音頻信號，阻抗匹配器推動壓電蜂鳴片發(fā)聲。1電子人機交互方式2.電磁式蜂鳴器電磁式蜂鳴器由振蕩器、電磁線圈、磁鐵、振動膜片及外殼等組成。接通電源后，振蕩器產(chǎn)生的音頻信號電流通過電磁線圈，使電磁線圈產(chǎn)生磁場。振動膜片在電磁線圈和磁鐵的相互作用下，周期性地振動發(fā)聲。13二、蜂鳴器按照驅動方式的不同又將蜂鳴器分為無源他激型與有源自激型蜂鳴器兩種。1電子人機交互方式1.無源他激型其工作發(fā)聲原理是：方波信號輸入諧振裝置轉換為聲音信號輸出。無源他激型蜂鳴器內部不帶振蕩源，所以直接用直流信號無法令其鳴叫，需要方波信號驅動。無源他激型蜂鳴器工作原理14二、蜂鳴器按照驅動方式的不同又將蜂鳴器分為無源他激型與有源自激型蜂鳴器兩種。1電子人機交互方式2.有源自激型其工作發(fā)聲原理是：直流電源輸入經(jīng)過振蕩系統(tǒng)的放大取樣電路在諧振裝置作用下產(chǎn)生聲音信號。有源自激型蜂鳴器內部自帶振蕩源，所以接上額定電源便可持續(xù)發(fā)聲。有源自激型蜂鳴器工作原理15三、顯示屏顯示屏是實現(xiàn)人機對話的主要工具，既可以顯示鍵盤輸入的命令或數(shù)據(jù)，也能顯示計算機數(shù)據(jù)處理的結果。顯示屏根據(jù)發(fā)光的原理不同，分為多個不同的種類，目前最常用的是液晶（LiquidCrystalDisplay，LCD）顯示屏。物流機器人中所集成的顯示屏如右圖所示。1電子人機交互方式LCD顯示屏16從結構來看，LCD液晶面板由兩塊平行玻璃板構成，厚約1mm，其間由包含有液晶材料的5μm均勻間隔隔開。因為液晶材料本身并不發(fā)光，所以在顯示屏兩邊都設有作為光源的燈管，而在液晶顯示屏背面有一塊背光板(或稱勻光板)和反光膜。背光板由熒光物質組成，可以發(fā)射光線，其主要作用是提供均勻的背景光源。1電子人機交互方式液晶顯示屏原理17背光板發(fā)出光線，穿過第一層偏振過濾層后進入包含成千上萬液晶液滴的液晶層。液晶層中的液滴都被包含在細小的單元格結構中，一個或多個單元格構成屏幕上的一個像素。1電子人機交互方式液晶顯示屏原理18玻璃板與液晶材料之間是透明的電極，電極分為行和列。在行與列的交叉點上，通過改變電壓而改變液晶的旋光狀態(tài)，液晶材料的作用類似于一個個小的光閥。液晶材料周邊是控制電路部分和驅動電路部分。當LCD中的電極產(chǎn)生電場時，液晶分子產(chǎn)生扭曲，將穿越其中的光線進行有規(guī)則的折射，再經(jīng)過第二層過濾層后在屏幕上顯示出來。1電子人機交互方式液晶顯示屏原理19應用軟件Flex-PF與物流機器人通信過程：在智慧物流場景中，物流機器人的工作流程為，從等待區(qū)去貨架區(qū)搬運貨架以及貨物，再搬運貨架及貨物去取貨區(qū)，最后從取貨區(qū)返回貨架區(qū)。期間的通信過程包含：①物流機器人與應用軟件Flex-PF進行連接，物流機器人的編號出現(xiàn)在應用軟件Flex-PF中，表示連接成功。連接成功后，應用軟件Flex-PF就可以實時獲取物流機器人的數(shù)據(jù)信息。②應用軟件Flex-PF會將機器人的數(shù)據(jù)暫時存儲到“任務分配內存”中，用于后續(xù)調用“任務規(guī)劃算法”時的數(shù)據(jù)支持，數(shù)據(jù)信息包括坐標、階段等，如表所示數(shù)據(jù)信息內容。2應用軟件控制與編程202應用軟件控制與編程robotNodeList機器人坐標列表[[0,0],[0,1],[0,2]]robotToward機器人初始朝向[1,1,1]（0、1、2、3代表著四個方向）robotPhase機器人任務階段[1,1,1]shelveNodeList貨架坐標列表[[0,6],[1,6],[2,6],[3,6]]endNodeList取貨點坐標列表[[2,0]]obstacleNodeList障礙坐標列表[[0,6],[1,6],[2,6],[3,6][0,0],[0,1],[0,2],[2,0]]otherRobotPaths其他機器人路徑[[[0,6],[1,6],[2,6],[3,6]],[[0,6],[1,6],[2,6],[3,6]]]mapSize地圖尺寸[4,7]數(shù)據(jù)信息表21應用軟件Flex-PF與物流機器人通信過程：③“任務分配算法”讀取應用軟件Flex-PF存儲到內存中的數(shù)據(jù)，進行算法計算，并且返回計算后的數(shù)據(jù)結果。④“任務分配算法”得到的數(shù)據(jù)結果，暫時存儲在“路徑規(guī)劃算法”的內存當中，用于后續(xù)調用“路徑規(guī)劃算法”時的數(shù)據(jù)支持。⑤“路徑規(guī)劃算法”從內存中獲取到“任務分配算法”計算后得到的數(shù)據(jù)結果，繼續(xù)進行處理與計算，并且返回新的運算結果。⑥“路徑規(guī)劃算法”計算后的數(shù)據(jù)結果，存儲到“任務分配算法”的內存中，用于后續(xù)“任務分配算法”處理數(shù)據(jù)格式時使用。2應用軟件控制與編程22應用軟件Flex-PF與物流機器人通信過程：⑦“任務分配算法”從內存中獲取到“路徑規(guī)劃算法”傳遞過來的數(shù)據(jù)結果，進行最終的數(shù)據(jù)格式處理，將數(shù)據(jù)處理為物流機器人可識別和操作的數(shù)據(jù)格式。⑧“任務分配算法”把處理后的數(shù)據(jù)存儲到“應用軟件內存”中。⑨應用軟件Flex-PF把內存中經(jīng)過“任務分配算法”、“路徑規(guī)劃算法”的計算和處理后的數(shù)據(jù)結果，同步到物流機器人，指導物流機器人的行進方向。同步到機器人的數(shù)據(jù)結果如下表所示。2應用軟件控制與編程232應用軟件控制與編程adaptation最優(yōu)組合適應度45combinationList最優(yōu)組合[[[0,0],[1,6],[2,0]],[[0,1],[3,6],[2,0]],[[0,2],[0,6],[2,0]]paths最優(yōu)路徑[[[0,0],[1,6],[2,0]],[[0,1],[3,6],[2,0]],[[0,2],[0,6],[2,0]]]機器人中的數(shù)據(jù)結果表示24物流機器人內部數(shù)據(jù)傳輸?shù)牧鞒虉D如下所示。2應用軟件控制與編程算法執(zhí)行流程圖251.讀取內存和寫入內存在計算機中開辟出四塊內存，分別是應用軟件Flex-PF向任務分配算法傳輸數(shù)據(jù)的內存，任務分配算法向路徑規(guī)劃算法傳輸數(shù)據(jù)的內存，路徑規(guī)劃算法向任務分配算法回傳數(shù)據(jù)的內存，任務分配算法向應用軟件Flex-PF回傳數(shù)據(jù)的內存，并定義每塊內存的大小。利用內存來傳輸數(shù)據(jù)的方式有兩種，一種是在內存中寫入數(shù)據(jù)，另一種是讀取內存中的數(shù)據(jù)。2應用軟件控制與編程26讀取內存和寫入內存的位置如圖所示。2應用軟件控制與編程讀取和寫入內存流程圖27利用內存映射模塊mmap和管理上下文的模塊contextlib等相關的模塊，在計算機中開辟內存，定義內存大小，并利用上下文管理器模塊對內存寫入和讀取。編程代碼：2應用軟件控制與編程282.應用軟件Flex-PF向“任務分配算法”的內存中傳輸數(shù)據(jù)應用軟件Flex-PF在內存中寫入數(shù)據(jù)，任務分配算法讀取內存中的數(shù)據(jù)。任務分配算法需要監(jiān)測內存，不斷地讀取內存中的數(shù)據(jù)，當應用軟件Flex-PF在內存中寫入數(shù)據(jù)時，任務分配算法可以及時地發(fā)現(xiàn)。當內存中有數(shù)據(jù)時，任務分配算法會將數(shù)據(jù)讀取出來然后進行處理，并將處理的結果返回，進行任務分配。2應用軟件控制與編程29讀取數(shù)據(jù)流程所在位置所示。2應用軟件控制與編程30應用軟件Flex-PF在內存中寫入的數(shù)據(jù)格式為：[數(shù)據(jù)總長度，3*n個機器人的數(shù)據(jù)長度，[機器人x坐標]，[機器人y坐標]，[機器人當前朝向]，…，2*n個貨架的數(shù)據(jù)長度，[貨架x坐標]，[貨架y坐標]，…，2*n個障礙的數(shù)據(jù)長度，[障礙x坐標]，[障礙y坐標]，…，2*n個地圖的數(shù)據(jù)長度，[地圖的長度]，[地圖的寬度]]由任務分配算法向“任務分配內存”中讀取數(shù)據(jù)。詳細代碼可見教材P72。2應用軟件控制與編程313.任務分配算法向“路徑規(guī)劃算法”的內存中傳輸數(shù)據(jù)任務分配算法在內存中寫入數(shù)據(jù)，路徑規(guī)劃算法讀取內存中的數(shù)據(jù)。任務分配算法把執(zhí)行結果進行處理——改變數(shù)據(jù)格式，任務分配算法通過監(jiān)測內存中是否有數(shù)據(jù)。在內存中沒有數(shù)據(jù)的情況下，將數(shù)據(jù)寫入到“路徑規(guī)劃算法”的內存中。對應位置的算法執(zhí)行流程如圖所示。2應用軟件控制與編程32任務分配算法向“路徑規(guī)劃算法”的內存中傳輸數(shù)據(jù)。2應用軟件控制與編程333.任務分配算法向“路徑規(guī)劃算法”的內存中傳輸數(shù)據(jù)任務分配算法在內存中寫入的數(shù)據(jù)格式和應用軟件Flex-PF在內存中寫入的數(shù)據(jù)格式是一致的：[數(shù)據(jù)總長度，3*n個機器人的數(shù)據(jù)長度，[機器人x坐標]，[機器人y坐標]，[機器人當前朝向]，…，2*n個貨架的數(shù)據(jù)長度，[貨架x坐標]，[貨架y坐標]，…，2*n個障礙的數(shù)據(jù)長度，[障礙x坐標]，[障礙y坐標]，…，2*n個地圖的數(shù)據(jù)長度，[地圖的長度]，[地圖的寬度]]由任務分配算法向“任務分配內存”中讀取數(shù)據(jù)。詳細代碼可見教材P74。2應用軟件控制與編程344.路徑規(guī)劃算法向“路徑規(guī)劃算法”的內存中傳輸數(shù)據(jù)任務分配算法在內存中寫入數(shù)據(jù)之后，路徑規(guī)劃算法需要去讀取內存中的數(shù)據(jù)。路徑規(guī)劃算法需要監(jiān)測內存中是否有數(shù)據(jù)，在有數(shù)據(jù)的情況下讀取數(shù)據(jù)，之后將讀取到的數(shù)據(jù)進行處理，并將結果返回，進行路徑規(guī)劃。編程代碼詳見教材P75。對應位置的算法執(zhí)行流程如圖下所示。2應用軟件控制與編程35路徑規(guī)劃算法向“路徑規(guī)劃算法”的內存中讀取數(shù)據(jù)：2應用軟件控制與編程365.路徑規(guī)劃算法向“任務分配算法”的內存中傳輸數(shù)據(jù)路徑規(guī)劃算法在內存中寫入數(shù)據(jù)，任務分配算法讀取內存中寫入的數(shù)據(jù)。路徑規(guī)劃算法把計算出的結果進行整理，將結果數(shù)據(jù)寫入路徑規(guī)劃算法向任務分配傳輸數(shù)據(jù)的內存中，并且監(jiān)測路徑規(guī)劃算法向任務分配算法傳輸數(shù)據(jù)的內存。當該內存為空的時候，將任務分配算法向路徑規(guī)劃算法傳輸數(shù)據(jù)的內存值置為空。對應位置的算法執(zhí)行流程如下圖所示。2應用軟件控制與編程37路徑規(guī)劃算法向“任務分配算法”的內存中傳輸數(shù)據(jù)：2應用軟件控制與編程38路徑規(guī)劃算法在內存中寫入的數(shù)據(jù)格式為：[數(shù)據(jù)總長度，適應度和結束朝向的長度，適應度，結束朝向，機器人執(zhí)行坐標x坐標點長度，[x1]，…..，[xn],機器人執(zhí)行坐標y坐標點長度，[x1]，…..，[xn]]詳細代碼可見教材P76。2應用軟件控制與編程