Python实现自动扫地机器人模拟系统

引言

在这篇文章中，我们将使用Python和Pygame库来实现一个简单但有趣的自动扫地机器人模拟系统。这个系统模拟了扫地机器人如何在房间中自主移动、探测并收集垃圾的过程。

系统设计

1. 核心组件

系统主要包含三个核心类：

• CleaningRobot：扫地机器人类
• Debris：垃圾类
• SimulationSystem：模拟系统类

2. 机器人功能

2.1 自动寻路

机器人具有以下关键功能：

def detect_debris(self, debris_list):
    # 在雷达范围内检测最近的垃圾
    nearest_debris = None
    min_distance = float('inf')
    
    for debris in debris_list:
        distance = math.sqrt((self.x - debris.x)**2 + (self.y - debris.y)**2)
        if distance <= self.radar_range and distance < min_distance:
            min_distance = distance
            nearest_debris = debris
    
    return nearest_debris

2.2 移动控制

机器人的移动逻辑如下：

def move_to_target(self):
    if self.target is None:
        # 没有目标时随机游走
        self.wander_timer += 1
        if self.wander_timer >= 60:  
            self.direction = random.randint(0, 360)
            self.wander_timer = 0
    else:
        # 计算并调整到目标的角度
        target_angle = math.degrees(math.atan2(
            self.target.y - self.y,
            self.target.x - self.x
        ))

3. 系统功能

3.1 垃圾生成

def generate_debris(self, count):
    for _ in range(count):
        x = random.randint(0, self.width)
        y = random.randint(0, self.height)
        self.debris_list.append(Debris(x, y))

3.2 状态更新

def update(self):
    # 更新机器人状态
    nearest_debris = self.robot.detect_debris(self.debris_list)
    self.robot.target = nearest_debris
    self.robot.move_to_target()

    # 检查垃圾收集
    for debris in self.debris_list[:]:
        distance = math.sqrt((self.robot.x - debris.x)**2 + 
                           (self.robot.y - debris.y)**2)
        if distance < (self.robot.size + debris.size) / 2:
            self.debris_list.remove(debris)
            self.robot.collected_count += 1

视觉效果

系统使用Pygame进行可视化展示：

• 蓝色方块：表示扫地机器人
• 绿色线条：表示机器人朝向
• 灰色圆圈：表示雷达探测范围
• 红色圆圈：表示垃圾
• 左上角计数器：显示已收集的垃圾数量

运行效果

运行后，你将看到：

1. 机器人自动在地图上巡航
2. 当发现垃圾时，自动追踪并收集
3. 没有目标时，随机游走探索地图
4. 垃圾被收集后会自动补充新的垃圾

如何运行

1. 首先安装必要的库：

pip install pygame

2. 将完整代码保存为Python文件并运行

可能的改进方向

1. 添加障碍物系统
2. 实现更复杂的寻路算法
3. 添加充电站功能
4. 优化探测算法
5. 添加多机器人协同功能

完整代码

import pygame
import random
import math

class CleaningRobot:
    def __init__(self, x, y, size=20):
        self.x = x
        self.y = y
        self.size = size
        self.radar_range = 100
        self.speed = 2
        self.direction = 0
        self.target = None
        self.wander_timer = 0
        self.collected_count = 0

    def detect_debris(self, debris_list):
        # 在雷达范围内检测最近的垃圾
        nearest_debris = None
        min_distance = float('inf')
        
        for debris in debris_list:
            distance = math.sqrt((self.x - debris.x)**2 + (self.y - debris.y)**2)
            if distance <= self.radar_range and distance < min_distance:
                min_distance = distance
                nearest_debris = debris
        
        return nearest_debris

    def move_to_target(self):
        if self.target is None:
            # 没有目标时随机游走
            self.wander_timer += 1
            if self.wander_timer >= 60:  # 每60帧改变一次方向
                self.direction = random.randint(0, 360)
                self.wander_timer = 0
        else:
            # 计算到目标的角度
            target_angle = math.degrees(math.atan2(
                self.target.y - self.y,
                self.target.x - self.x
            ))
            
            # 调整方向
            angle_diff = (target_angle - self.direction) % 360
            if angle_diff > 180:
                angle_diff -= 360
            self.direction += min(2, max(-2, angle_diff))  # 限制转向速度
            
        # 移动
        self.x += math.cos(math.radians(self.direction)) * self.speed
        self.y += math.sin(math.radians(self.direction)) * self.speed
        
        # 确保机器人不会离开屏幕
        self.x = max(0, min(self.x, 800))
        self.y = max(0, min(self.y, 600))

class Debris:
    def __init__(self, x, y, size=10):
        self.x = x
        self.y = y
        self.size = size

class SimulationSystem:
    def __init__(self, width=800, height=600):
        pygame.init()
        self.width = width
        self.height = height
        self.screen = pygame.display.set_mode((width, height))
        pygame.display.set_caption("扫地机器人模拟系统")
        
        # 初始化机器人和垃圾
        self.robot = CleaningRobot(width//2, height//2)
        self.debris_list = []
        self.generate_debris(10)  # 生成10个垃圾
        self.font = pygame.font.Font(None, 36)

    def generate_debris(self, count):
        for _ in range(count):
            x = random.randint(0, self.width)
            y = random.randint(0, self.height)
            self.debris_list.append(Debris(x, y))

    def update(self):
        # 更新机器人状态
        nearest_debris = self.robot.detect_debris(self.debris_list)
        self.robot.target = nearest_debris
        self.robot.move_to_target()

        # 检查是否收集到垃圾
        for debris in self.debris_list[:]:  # 使用切片创建副本以便安全删除
            distance = math.sqrt((self.robot.x - debris.x)**2 + 
                               (self.robot.y - debris.y)**2)
            if distance < (self.robot.size + debris.size) / 2:
                self.debris_list.remove(debris)
                self.robot.collected_count += 1

        # 如果垃圾太少，生成新的
        if len(self.debris_list) < 5:
            self.generate_debris(5)

    def run(self):
        running = True
        clock = pygame.time.Clock()

        while running:
            for event in pygame.event.get():
                if event.type == pygame.QUIT:
                    running = False

            # 更新游戏状态
            self.update()

            # 绘制
            self.screen.fill((255, 255, 255))
            
            # 绘制机器人
            pygame.draw.rect(self.screen, (0, 0, 255), 
                           (self.robot.x - self.robot.size//2, 
                            self.robot.y - self.robot.size//2,
                            self.robot.size, self.robot.size))
            
            # 绘制机器人朝向
            end_x = self.robot.x + math.cos(math.radians(self.robot.direction)) * 20
            end_y = self.robot.y + math.sin(math.radians(self.robot.direction)) * 20
            pygame.draw.line(self.screen, (0, 255, 0), 
                           (self.robot.x, self.robot.y), 
                           (end_x, end_y), 2)
            
            # 绘制雷达范围
            pygame.draw.circle(self.screen, (200, 200, 200), 
                             (int(self.robot.x), int(self.robot.y)), 
                             self.robot.radar_range, 1)

            # 绘制垃圾
            for debris in self.debris_list:
                pygame.draw.circle(self.screen, (255, 0, 0), 
                                 (int(debris.x), int(debris.y)), 
                                 debris.size)

            # 显示收集的垃圾数量
            text = self.font.render(f"已收集: {self.robot.collected_count}", 
                                  True, (0, 0, 0))
            self.screen.blit(text, (10, 10))

            pygame.display.flip()
            clock.tick(60)

        pygame.quit()

if __name__ == "__main__":
    simulation = SimulationSystem()
    simulation.run()

结语

这个简单的模拟系统展示了如何使用Python实现基本的机器人控制逻辑。通过这个项目，我们可以理解扫地机器人的基本工作原理，并为进一步开发更复杂的机器人系统打下基础。