Programmieren 2 Future Car Projekt

1. Programmieren 2Future Car Projekt Reiner Nitsch  r.nitsch@fbi.h-da.de

2. 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 Sichtfeldesabtasten und u.a. den dort festgestellten Hindernisse die Merkmale "TRAVERSABLE", "NOTTRAVERSABLE", "MOBILE" und "UNDEF" zuordnen kann. ######################################## # # # C # #D ####### ##E #### ######## ##### # # ####### ## ####E ######## ##### # # ####### ## #### ######## ##### # # ####### ## ############## ##### # # ## ## # # ## ## A # # ####### ######## ######## ##### # # ####### F # ######## ##### # # ####### # ######## ##### # # ################# ######## ##### # # ## # # # ## # B # # ####### ################## ##### # # ####### ######## ######## ##### # # ####### ######## ######## ##### # # ####### ######## ######## ##### # # # ## # # # ## # # ################# ######## ##### # # ####### ######## ######## ##### # # ####### ######## ######## ##### # # ####### ######## ######## ##### # # # # # # # # # # ####### ################## ##### # # ####### ######## ######## ##### # # ####### ######## ######## ##### # # # # # ######################################## FutureCar-Projekt - Einführung Projekt FutureCar

3. FutureCar-Projekt - Einführung • 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. ######################################## # # # C # #D ####### ##E #### ######## ##### # # ####### ## ####E ######## ##### # # ####### ## #### ######## ##### # # ####### ## ############## ##### # # ## ## # # ## ## A # # ####### ######## ######## ##### # # ####### F # ######## ##### # # ####### # ######## ##### # # ################# ######## ##### # # ## # # # ## # B # # ####### ################## ##### # # ####### ######## ######## ##### # # ####### ######## ######## ##### # # ####### ######## ######## ##### # # # ## # # # ## # # ################# ######## ##### # # ####### ######## ######## ##### # # ####### ######## ######## ##### # # ####### ######## ######## ##### # # # # # # # # # # ####### ################## ##### # # ####### ######## ######## ##### # # ####### ######## ######## ##### # # # # # ######################################## Projekt FutureCar

4. Allgemeine Hinweise und Empfehlungen • 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 Projekt FutureCar

5. Praktikum 1 - class World ######################################## # # # # # ####### ##E #### ######## ##### # # ####### ## #### ######## ##### # # ####### ## #### ######## ##### # # ####### ## ############## ##### # # ## ## # # ## ## # # ####### ######## ######## ##### # # ####### # ######## ##### # # ####### # ######## ##### # # ################# ######## ##### # # ## # # # ## # # # ####### ################## ##### # # ####### ######## ######## ##### # # ####### ######## ######## ##### # # ####### ######## ######## ##### # # # ## # # # ## # # ################# ######## ##### # # ####### ######## ######## ##### # # ####### ######## ######## ##### # # ####### ######## ######## ##### # # # # # # # # # # ####### ################## ##### # # ####### ######## ######## ##### # # ####### ######## ######## ##### # # # # # ######################################## 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? Projekt FutureCar

6. Praktikum 1 - class World - Testanwendung #include "ID.h"; typedefchar 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; ######################################## # # # # # ####### ##E #### ######## ##### # # ####### ## #### ######## ##### # # ####### ## #### ######## ##### # # ####### ## ############## ##### # # ## ## # # ## ## # # ####### ######## ######## ##### # # ####### # ######## ##### # # ####### # ######## ##### # # ################# ######## ##### # # ## # # # ## # # # ####### ################## ##### # # ####### ######## ######## ##### # # ####### ######## ######## ##### # # ####### ######## ######## ##### # # # ## # # # ## # # ################# ######## ##### # # ####### ######## ######## ##### # # ####### ######## ######## ##### # # ####### ######## ######## ##### # # # # # # # # # # ####### ################## ##### # # ####### ######## ######## ##### # # ####### ######## ######## ##### # # # # # ######################################## Projekt FutureCar

7. Praktikum 1 - Scanner • 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, … ) Projekt FutureCar

8. Süd 0 0 0 0 1 1 1 1 2 2 2 2 3 3 3 3 4 4 4 4 5 5 5 5 6 6 6 6 7 7 7 7 8 8 8 8 9 9 9 9 10 10 10 10 11 11 11 11 12 12 12 12 13 13 13 13 14 14 14 14 15 15 15 15 16 16 16 16 17 17 17 17 18 18 18 18 19 19 19 19 Ost West N=0 W=270 A E=90 S=180 Praktikum 1 - class Scanner Sichtfeldadrressierung für alle 4 Fahrtrichtungen Implementierung des Sichtfelds? Nord Implementierung scanForID? Codierung der Richtung enum Direction { N=0, E=90, S=180, W=270, UNKNOWN=-1 }; Wie kann man - rechts abbiegen - links abbiegen kodieren? Projekt FutureCar

9. 0 0 1 1 2 2 3 3 4 4 5 5 6 6 7 7 8 8 9 9 10 10 11 11 12 12 13 13 14 14 15 15 16 16 17 17 18 18 19 19 Praktikum 1 - class Scanner - Implementation 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: … } Nord Ost Projekt FutureCar

10. Fahrtrichtung FC-Ort 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) 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; } ######################################## # ABCDE EJOT PKFA TSRQP # # FGHIJ DINS QLGB ONMLK # # KLMNO CHMR RMHC JIHGF # # PQRST BGLQ SNID EDCBA # # AFKP TOJE # # # ######################################## Projekt FutureCar

11. Nur noch 1 dot-Operator! Prinzip des kleinsten Wissens 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)); Projekt FutureCar

12. Praktikum 1 - FutureCars • 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 Projekt FutureCar

13. Wenn zwischenzeitlich eine bel. Taste gedrückt wurde … … hole das Zeichen vom Eingabepuffer 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) { fc.step(); cout << world; fc.setDir(S); for( int i=0; i< 7; ++i) { fc.step(); cout << world; } fc.setDir(E); for( int i=0; i<10; ++i) { fc.step(); cout << world; } fc.setDir(N); for( int i=0; i< 7; ++i) { fc.step(); cout << world; } fc.setDir(W); for( int i=0; i< 9; ++i) { fc.step(); cout << world; } 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) } 1 Parzelle nach West ab jetzt Richtung Süd 7 Parzellen nach Süd ab jetzt Richtung Ost 10 Parzellen nach Ost ab jetzt Richtung Nord 7 Parzellen nach Nord ab jetzt Richtung West 9 Parzellen nach Nord Projekt FutureCar