FutureCar
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FB Informatik Prof. Dr. R.Nitsch Programmieren 2 Future Car Projekt Reiner Nitsch [email protected] FutureCar-Projekt - Einführung FB Informatik Prof. Dr. R.Nitsch • Ein FutureCar (FC) ist ein autonomes fahrerloses Fahrzeug, das im Straßenverkehr selbständig fahren kann, ohne dabei mit anderen FutureCars zusammen zu stoßen. • Allgemeine Vorgaben/Einschränkungen: • Die FCWelt soll rechteckig sein. Sie ist unterteilt in virtuelle Parzellen (s. Abbildung). In diesen gibt es zunächst nur Strassen (' ') , Häuser ('#') und FutureCars. Alle Strassen sind zweispurig und verlaufen senkrecht zueinander. Sie werden begrenzt durch Häuser. Für den ersten Entwurf verwenden Sie die rechts abgebildete FCWelt. • Alle FCs haben ein Kennzeichen (A bis Z) und haben eine Breite/Länge von 1 Parzelle (=Schreibstelle auf Konsole). • FCs 1 Parzelle (=Schreibstelle auf Konsole). • Die FCs fahren parzellenweise weiter. • FCs sind mit einem Laser-Scanner ausgerüstet, der die umgebenden Parzellen im Bereich seines Sichtfeldes abtasten und u.a. den dort festgestellten Hindernisse die Merkmale "TRAVERSABLE", "NOTTRAVERSABLE", "MOBILE" und "UNDEF" zuordnen kann. 09.10.2008 Projekt FutureCar ######################################## # # # C # #D ####### ##E #### ######## ##### # # ####### ## ####E ######## ##### # # ####### ## #### ######## ##### # # ####### ## ############## ##### # # ## ## # # ## ## A # # ####### ######## ######## ##### # # ####### F # ######## ##### # # ####### # ######## ##### # # ################# ######## ##### # # ## # # # ## # B # # ####### ################## ##### # # ####### ######## ######## ##### # # ####### ######## ######## ##### # # ####### ######## ######## ##### # # # ## # # # ## # # ################# ######## ##### # # ####### ######## ######## ##### # # ####### ######## ######## ##### # # ####### ######## ######## ##### # # # # # # # # # # ####### ################## ##### # # ####### ######## ######## ##### # # ####### ######## ######## ##### # # # # 2 # ######################################## FutureCar-Projekt - Einführung FB Informatik Prof. Dr. R.Nitsch • FCs verfügen über einen Autopiloten, der die Informationen des Laser-Scanners verwendet, um sich in der FCWelt zu orientieren. • Ausser geradeaus zu fahren können FCs rechts/links Abbiegen und wenden. • Der Autopilot jedes FC arbeitet im Modus "Blaue Reise", d.h. in jeder Parzelle wählt er aus den möglichen Fahrtrichtungswechseln zufällig einen aus. • Um einen realistischen Verkehrsfluss zu simulieren entscheidet der Autopilot häufiger gerade aus zu fahren (falls möglich). Die Rechts-oder-Links-Entscheidung wird mit gleicher Häufigkeit getroffen ("Fahrt ins Blaue"). Gewendet wird nur bei längerem Stillstand wegen zu hoher Verkehrsdichte (Stau) und in Sackgassen. • Für FCs gelten folgende Verkehrsregeln: – Rechtsfahrgebot – Rechts vor Links – Beim Wenden und Links-Abbiegen hat der Gegenverkehr Vorfahrt. – Nur Parzellen ohne feste Hindernisse (TRAVERSABLE) dürfen befahren werden. – Zusammenstöße sind natürlich verboten. Diese Bedingung ist durch geeignete Zusicherungen mittels assert vor jeder Weiterfahrt zu überwachen. 09.10.2008 Projekt FutureCar ######################################## # # # C # #D ####### ##E #### ######## ##### # # ####### ## ####E ######## ##### # # ####### ## #### ######## ##### # # ####### ## ############## ##### # # ## ## # # ## ## A # # ####### ######## ######## ##### # # ####### F # ######## ##### # # ####### # ######## ##### # # ################# ######## ##### # # ## # # # ## # B # # ####### ################## ##### # # ####### ######## ######## ##### # # ####### ######## ######## ##### # # ####### ######## ######## ##### # # # ## # # # ## # # ################# ######## ##### # # ####### ######## ######## ##### # # ####### ######## ######## ##### # # ####### ######## ######## ##### # # # # # # # # # # ####### ################## ##### # # ####### ######## ######## ##### # # ####### ######## ######## ##### # # # # 3 # ######################################## Allgemeine Hinweise und Empfehlungen FB Informatik Prof. Dr. R.Nitsch • Treffen Sie realitätsnahe Design-Entscheidungen Beispiele: – Das Auto hat einen Scanner, nicht umgekehrt. – Der Fahrer (=Autopilot) trifft die Richtungsentscheidungen, ein Navi gibt nur Empfehlungen. – Der Fahrer fährt das Auto und nicht der Scanner • Achten Sie auf ein sorgfältiges Design. Sorgfältig designte Software – läßt sich leicht an neue/andere Anforderungen anpassen – ist leicht skalierbar – unterstützt Wiederverwendung von Code und/oder nutzt wiederverwendbare Codeteile – gute Dokumentation Ihrer Entscheidungen und Algorithmen (Schlecht dokumentierte Software ist fast wertlos, da sie kaum wartbar ist. Nachlässigkeiten haben Sie selbst auszubaden!) – … (siehe Vorlesung "Objektorientierte Analyse und Design" ) • Ausblicke – selbst lenkende Linienbusse mit fest vorgegebener Fahrstrecke – selbst lenkende Limousinen, die auf kürzestem Weg zu vorgegebenen Zielen navigieren – Die optische Darstellung der Straßenkarte kann angepasst werden (z.B. █ statt # für Gebäude oder farbige Konsole). – Ein- und Ausgabe eines kompletten Simulationsstatus mittels Dateioperationen 09.10.2008 Projekt FutureCar 4 Praktikum 1 - class World FB Informatik Prof. Dr. R.Nitsch class World { private: std::string name; int height, width; char parcels [MAXHEIGHT][MAXWIDTH]; // oder vector< ? > parcels; public: void create(const std::string& name="FC-City") ; char getID(const Location& loc); void setID(const Location& loc, const char& id ); } ostream& operator<<(ostream& os, const World& w); • Location? • Darstellung von FCWelt-Objekten wird sich wahrscheinlich ändern. Neue Objekte (z.B. Bäume) können hinzu kommen. Konsequenzen für Entwurf? 09.10.2008 Projekt FutureCar ######################################## # # # # # ####### ##E #### ######## ##### # # ####### ## #### ######## ##### # # ####### ## #### ######## ##### # # ####### ## ############## ##### # # ## ## # # ## ## # # ####### ######## ######## ##### # # ####### # ######## ##### # # ####### # ######## ##### # # ################# ######## ##### # # ## # # # ## # # # ####### ################## ##### # # ####### ######## ######## ##### # # ####### ######## ######## ##### # # ####### ######## ######## ##### # # # ## # # # ## # # ################# ######## ##### # # ####### ######## ######## ##### # # ####### ######## ######## ##### # # ####### ######## ######## ##### # # # # # # # # # # ####### ################## ##### # # ####### ######## ######## ##### # # ####### ######## ######## ##### # # # # # 5 ######################################## Praktikum 1 - class World - Testanwendung #include "ID.h"; typedef char Ikon; int main() { World world; world.create("FC-City"); cout << world << endl; cout << "Testsuite for class World\n"; cout << "\tWorld::getwidth\t" << (world.getWidth()==40 ? "PASSED":"FAILED") << endl; cout << "\tWorld::getHeight\t" << (world.getHeight()==33 ? "PASSED":"FAILED") << endl; cout << "\tWorld::getID\t" << ( ( world.getID(Location( 3, 3)==Ikon('#') && world.getID(Location(-1,-1)==Ikon('#') && world.getID(Location(50,50)==Ikon('#') ) ? "PASSED" : "FAILED") << endl; world.setID(Location(1,1), ID('Z')); cout << "\tWorld::setID\t" << (world.getID(Location(1,1))==Ikon('Z') ? "PASSED":"FAILED") << endl; return 0; 09.10.2008 Projekt FutureCar FB Informatik Prof. Dr. R.Nitsch ######################################## # # # # # ####### ##E #### ######## ##### # # ####### ## #### ######## ##### # # ####### ## #### ######## ##### # # ####### ## ############## ##### # # ## ## # # ## ## # # ####### ######## ######## ##### # # ####### # ######## ##### # # ####### # ######## ##### # # ################# ######## ##### # # ## # # # ## # # # ####### ################## ##### # # ####### ######## ######## ##### # # ####### ######## ######## ##### # # ####### ######## ######## ##### # # # ## # # # ## # # ################# ######## ##### # # ####### ######## ######## ##### # # ####### ######## ######## ##### # # ####### ######## ######## ##### # # # # # # # # # # ####### ################## ##### # # ####### ######## ######## ##### # # ####### ######## ######## ##### # # # # 6 # ######################################## Praktikum 1 - Scanner FB Informatik Prof. Dr. R.Nitsch • • • • Scanner haben ein begrenztes Sichtfeld (Fielf of view) Scanner haben eine begrenzte Entfernungsauflösung Scanner tasten ihre Umgebung nach Objekten ab Scanner identifizieren die gefundenen Objekte (Strasse, Haus, Fahrzeugkennzeichen, …) • Scanner für Fahrzeuge können für die gefundenen Objekte Merkmale (Traits) extrahieren (TRAVERSABLE, NONTRAVERSABLE, MOBILE, … ) 09.10.2008 Projekt FutureCar 7 Praktikum 1 - class Scanner FB Informatik Prof. Dr. R.Nitsch Sichtfeldadrressierung für alle 4 Fahrtrichtungen 1 2 3 4 15 16 17 18 19 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 10 11 12 13 14 5 9 8 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 7 6 5 2 1 0 4 4 4 3 3 9 2 2 8 1 1 7 3 9 0 6 Codierung der Richtung Süd Implementierung des Sichtfelds? Implementierung scanForID? 0 8 5 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 Ost 7 15 16 17 18 19 6 Nord 0 West enum Direction { N=0, E=90, S=180, W=270, UNKNOWN=-1 }; N=0 W=270 A E=90 Wie kann man - rechts abbiegen - links abbiegen kodieren? S=180 09.10.2008 Projekt FutureCar 8 Praktikum 1 - class Scanner - Implementation 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 0 6 1 7 2 8 3 9 4 Ost 5 Projekt FutureCar 1 10 11 12 13 14 09.10.2008 Nord 0 15 16 17 18 19 ID Scanner::scanForID(…) { switch (dir) { case N: switch(fieldOfView) { case 0: return world.getID[loc.x-2, loc.y-2]; case 1: return world.getID[loc.x-1, loc.y-2]; … } case E: switch(fieldOfView) { case 0: return world.getID[loc.x+2, loc.y-2]; case 1: return world.getID[loc.x-2, loc.y-1]; … case S: … } FB Informatik Prof. Dr. R.Nitsch 9 Praktikum 1 - class Scanner - Testanwendung World world; void main() { world.create("testUnit_Scanner"); Scanner sc; bool passed = true; for(int fieldOfView =0; fieldOfView<20; ++ fieldOfView) Fahrtrichtung FB Informatik Prof. Dr. R.Nitsch ######################################## # ABCDE EJOT PKFA TSRQP # # FGHIJ DINS QLGB ONMLK # # KLMNO CHMR RMHC JIHGF # # PQRST BGLQ SNID EDCBA # # AFKP TOJE # # # ######################################## FC-Ort if( sc.scanForID(fieldOfView, N, Location( 5, 3)).getIkon() != char('A'+ fieldOfView) ) passed=false; for(int fieldOfView =0; fieldOfView <20; ++ fieldOfView) if( sc. scanForID(fieldOfView, W, Location(14,3)).getIkon() != char('A'+ fieldOfView)) passed=false; for(int fieldOfView =0; fieldOfView <20; ++ fieldOfView) if( sc. scanForID(fieldOfView, E, Location(20,3)).getIkon() != char('A'+ fieldOfView)) passed=false; for(int fieldOfView =0; fieldOfView <20; ++ fieldOfView) if( sc. scanForID(fieldOfView, S, Location(28,2)).getIkon() != char('A'+ fieldOfView)) passed=false; cout << "\tScanner:: scanForID \t\t" << ( passed ? "PASSED" : "FAILED: FieldOfView addressing error" ) << endl; , bool isThrownException = false; try { sc. scanForID ( 21, S, Location(28,2)).getIkon(); } catch (const std::out_of_range&) { isThrownException=true; } cout << "\tScanner:: scanForID \t\t" << (isThrownException ? "PASSED" : "FAILED: Exception not thrown") << endl; } 09.10.2008 10 Projekt FutureCar Prinzip des kleinsten Wissens FB Informatik Prof. Dr. R.Nitsch Principle of Least Knowledge – talk only to your immediate friends! (a.k.a. Law of Demeter or "use only one dot" rule ) Begründung: Im obigen Test-Programm findet man öfter die Anweisung sc.scanForID( fieldOfViewNo, N, Location(x,y)).getIkon(); Nachteil: Nutzer des Scanners (z.B. Klasse AutoPilot) müssen auch die Schnittstelle der ID-Klasse kennen. Besser: Scanner-Schnittstelle erweitern um sc.scanForIkon( fieldOfViewNo, N, Location(x,y)); Nur noch 1 dot-Operator! 09.10.2008 Projekt FutureCar 11 Praktikum 1 - FutureCars • • • • FB Informatik Prof. Dr. R.Nitsch Objekte dieser Klasse kennen ihre aktuelle Position der FCWelt (loc), ihre aktuelle Fahrtrichtung (dir) und natürlich ihr Kennzeichen (id), d.h. das Symbol, mit dem sie in der FCWelt dargestellt sind 09.10.2008 Projekt FutureCar 12 Praktikum 1 - class FutureCar - Testanwendung (Auszug) World world; // Globales Objekt (hier sinnvoll) void main(void) { world.create(""); char c; FCCompact fc(ID('A'), Location(2,1), W); cout << world; while(true) { 1 Parzelle nach West fc.step(); cout << world; fc.setDir(S); ab jetzt Richtung Süd 7 Parzellen nach Süd for( int i=0; i< 7; ++i) { fc.step(); cout << world; } fc.setDir(E); ab jetzt Richtung Ost 10 Parzellen nach Ost for( int i=0; i<10; ++i) { fc.step(); cout << world; } fc.setDir(N); ab jetzt Richtung Nord for( int i=0; i< 7; ++i) { fc.step(); cout << world; } 7 Parzellen nach Nord ab jetzt Richtung West fc.setDir(W); for( int i=0; i< 9; ++i) { fc.step(); cout << world; } 9 Parzellen nach Nord if(_kbhit()) { // Checks the console for keyboard input (include <conio.h>) // more: http://msdn.microsoft.com/en-us/library/58w7c94c(VS.80).aspx c = _getch(); // Gets a character from the console without echo // http://msdn.microsoft.com/en-us/library/078sfkak(VS.80).aspx break; // beendet Endlosschleife } } // END while(true) } 09.10.2008 Projekt FutureCar FB Informatik Prof. Dr. R.Nitsch Wenn zwischenzeitlich eine bel. Taste gedrückt wurde … … hole das Zeichen vom Eingabepuffer 13
