Como criar um jogo em Java usando como controle um arduino com um sensor ultrassônico para plataforma Windows

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1 Criando um jogo em Java com controlador Arduino Como criar um jogo em Java usando como controle um arduino com um sensor ultrassônico para plataforma Windows Carlos André Braile Przewodowski Filho Bauru (2015)

2 1. INTRODUÇÃO Para começar o processo criativo, é preciso preparar o ambiente de programação. Será necessário instalar: NOME LINK DESCRIÇÃO JRE 8.4 Máquina Virtual Java oads/jre8-downloads html JDK 8.4 oads/jdk8-downloads html Kit de desenvolvimento Eclipse java Ambiente de Desenvolvimento (IDE) Java Arduino Ambiente de Desenvolvimento (IDE) Arduino NewPin g Lib https://www.eclipse.org/downloads/packages/eclipseide-java-developers/lunasr2 https://code.google.com/p/arduino-newping/downloads/detail?name=newping_v1.5.zip&can=2 &q= Biblioteca que fornece as funções para o arduino interpretar o sensor HC-SR04 Baixe tudo e vá instalando na order: primeiro o JRE, depois o JDK e assim por diante. Entre no site clique em Windows e faça o download do RXTXcomm.jar e do rxtxserial.dll, escolhendo de forma correta se seu sistema é x32 ou x64. Depois disso, Copie o arquivo rxtxserial.dll para: C:\Program Files\Java\jdkx.x.x\bin, onde x.x.x é a versão do JDK, por exemplo C:\Program Files\Java\jdk1.6.40\bin; C:\Program Files\Java\jrex\bin, onde x é a versão do JRE, por exemplo C:\Program Files\Java\jre7\bin; C:\Windows\System32; C:\Windows\SysWOW64 (caso sistema operacional 64-bits (x64)). Copie o arquivo RXTXcomm.jar para: C:\Program Files\Java\jrex\lib\ext,onde x é a versão do JRE, por exemplo C:\Program Files\Java\jre7\lib\ext. (trecho copiado descaradamente do site embarcados.com que se encontra dentre as referências feitas deste artigo não-necessariamente-científico).

3 2. ARDUINO A programação do Arduino é feita por uma linguagem que se aproxima muito da linguagem C, mas não é C. Os programas são feitos nessa linguagem e, pro Arduino receber as instruções que queremos que ele execute, precisamos compilar o programa e enviar o byte code. Pois bem: abra a IDE Arduino (que, provavelmente, foi instalada no começo desse artigo talvez-um-pouco-científico). O funcionamento de um programa em arduino é, basicamente: o programa inicia pelo método setup( ). Neste método são executadas as instruções as quais se tem pretenção de que sejam executadas uma única vez e antes de todas as outras. Normalmente a comunicação serial e a definição de quais são as portas que serão usadas como entrada ou saída são feitas neste método. Depois de executar o setup( ), entra-se numa repetição do método loop( ). Nele são executados os comandos que deveriam ser executados o tempo todo.

4 2.1 Primeiro Programa O primeiro programa a ser feito será algo como o Hello World dos Arduinos: uma aplicação que acende e apaga um led ligado no Arduino. Para começar monte o circuito como na imagem abaixo: Coloque a parte negativa do led (cabeça achatada) ligada na porta 8 do GND do Arduino e a parte positiva(cabeça arredondada) ligada a um resistor e este será conectado na porta 8 do Arduino. No programa, você precisa avisar para ele que o pino 8 é o que você vai usar para saída, então: int pino_saida = 8; void setup() pinmode(pino_saida,output); Vamos por partes: Comando int pino_saida = 8; pinmode(pino_saida,output); Descrição Criou uma variável que só pode ter números inteiros e colocou nela o valor 8. O método pinmode(n, IO) determina se um pino (determinado por um número N) é de entrada ou saída (determinado por IO). Assim, colocamos no lugar do N o valor 8 (que está no nosso pino_saida) e no lugar de IO colocamos OUTPUT. Não esquecendo que o nome da variável poderia ser qualquer coisa.

5 Precisamos agora que, a cada 2 segundos, o Arduino acenda ou apague o led.acrecentaremos no código: void loop() digitalwrite(pino_saida, HIGH); delay(2000); digitalwrite(pino_saida, LOW); delay(2000); Comando digitalwrite(pino_saida, HIGH); delay(2000); digitalwrite(pino_saida, LOW); delay(2000); Descrição digitalwrite é o comando que faz a magia acontecer: ou ele manda uma corrente no pino de saída (HIGH) ou ele deixa de mandar(low). Neste caso ele deixa o pino 8 enviando corrente e isso acenderá o led. Realiza um atraso de 2000 milisegundos (ou 2 segundos). Escreve na saída 8 (pino_saida) o valor LOW, ou seja, deixa de mandar corrente para led, apagando-o. Espera mais 2000 milisegundos. Esse é o código que irá fazer seu led piscar de 2 em 2 segundos. Clique em Verificar e, se não aparecer nenhuma mensagem de erro, clique Carregar. Seu Arduino será carregado com as instruções escritas por você e irá executar automaticamente.

6 2.1 Programa com o Sensor Continuando com esse artigo provavelmente-nada-científico, o próximo passo será criar um programa que irá ler os dados do sensor ultrassônico e enviar esses dados para o computador. Para tanto, é preciso importar uma biblioteca (NewPing) que trata da manipulação do sensor. Na IDE do Arduino, selecione Sketch > Importar Biblioteca > Adicionar Biblioteca e escolha o arquivo NewPing.rar. Pronto, você incluiu a biblioteca na sua IDE do Arduino, mas ainda não significa que seu projeto reconhece os comandos desta biblioteca. Em um novo projeto, digite no começo do arquivo : #include <NewPing.h> Este comando inclui a biblioteca NewPing para seu projeto. Ao incluir essa biblioteca, você terá acesso aos seguintes comandos: Comando NewPing x (pino_trigger,pino_echo,distancia_maxima_cm); x.ping(); x.convert_cm(tempo); Descrição Tecnicamente falando, não é um comando: é um construtor, ele é cria uma variável do tipo NewPing. Por padrão usaremos 255. Retorna um valor inteiro da distância de um objeto até o sensor em microssegundos. Retorna a distância que estava o objeto do sensor dado o tempo em

7 microssegundos obtido por x.ping() Além desses comandos é importante se ter o conhecimento de um comando chamado Serial.begin(baud_rate) que inicia uma comunicação serial entre o Arduino e o computador na frequência dada baud_rate; e o comando Serial.write(dado), que envia o dado pela comunicação serial. Assim, teremos que iniciar o programa indicando quais são nossas variáveis que vão ser usadas e quais serão seus valores. São as seguintes: int pino_trigger = 8; int pino_echo = 9; NewPing sensor(pino_trigger, pino_echo, 255); void setup() Serial.begin(9600); E, como sempre, vamos à nossa tabela de descrição: Comando int pino_trigger = 8; Descrição Declara uma variável chamada pino_trigger e atribui o valor dela como sendo 8. Vamos usar ela sempre que quisermos referenciar o pino de trigger do sensor. Na prática nós só iremos usar uma vez para declarar o sensor pro Arduino. int pino_echo = 9; Declara a variável pino_echo e associa a ela o valor 9. Vamos usar ela para referenciar o pino de echo do sensor. NewPing sensor(pino_trigger, pino_echo, 255); Serial.begin(9600); Criamos uma instancia do objeto NewPing chamada sensor 1. Para tanto, é preciso indica nos parâmetros qual é o pino de trigger, de echo e qual é a distância máxima que o sensor pode captar, em cm. Inicia uma comunicação serial com o computador usando uma taxa de 9600 baud (unidade de medida usada para medir quantidade de informação transportada em um segundo). 1 Essa notação é oriunda dos paradigmas da Programação Orientada a Objeto. Nela, existem tipos complexos que possuem tipos e métodos próprios internos. Esses tipos complexos são conhecidos como Objetos e, para que se possa trabalhar com esses tipos complexos é necessário criar uma Instância do objeto ou seja alocar uma área de memória para que mesmo possa ser usado.

8 Com isso podemos continuar na produção do nosso programa de medição de distância que envia esta informação para o computador. void loop() int tempo = sensor.ping(); byte dist = sensor.convert_cm(tempo); Serial.println(dist); delay(10); Comando int tempo = sensor.ping(); byte dist = sensor.convert_cm(tempo); Serial.println(dist); delay(10); Descrição Cria uma variável inteira tempo que receberá o tempo calculado pelo sensor Cria uma variável do tipo byte dist que terá o valor em centímetros do tempo encontrado no comando acima. Envia para o computador o valor dado em dist como string. Como o sensor demora muito tempo para encontrar a distância, é preciso gerar um atraso. Assim nunca haverá inconsistência entre os dados obtidos do sensor e os dados enviados pelo Arduino Verificar e Carregar. Se o seu Arduino está corretamente conectado ao computador e se o código foi copiado corretamente, neste exato momento seu Arduino está enviando os dados obtidos pelo sensor pro seu computador. Você : Não creio! Eu: Acredite, meu bem. Duvida? Acreditando ou não, clique em Ferramentas > Monitor Serial e veja a mágica acontecendo. Se tiver uma régua por perto meça a distância do final do ultrassom do sensor até um objeto qualquer. Você verá que a distância é bem precisa.

9 Código da IDE Arduino e valores no monitor serial. Surpresa: com isso já configuramos nosso Arduino para o nosso jogo teste!

10 3. JAVA Java é uma linguagem de programação case sensitive, orientada a objeto e de alto nível. Com ela iremos desenvolver nossa aplicação gráfica que irá comunicar com o Arduino e criar nosso jogo. 3.1 Um pouco do básico A sintaxe do Java é, de certa forma, bem parecida com a sintaxe do Arduino. Segue, abaixo, uma lista com alguns dos comandos essenciais para a criação de programas Java: Comando if ( <expressão> ) <comandos do if> else <comandos do else> do <comandos> while(<expressão>); while(<expressão>) <comandos> Descrição O comando if verifica se <expressão> dada entre parênteses é verdadeira. Se for, então executa <comandos do if>. Se <expressão> for falsa, executa <comandos do else> Executa <comandos> e, se <expressão> for verdadeira executa novamente até que a expressão seja falsa. Se <expressão> for verdadeira, executa comandos até que a expressão seja falsa. Viu só? Os comandos não são tão diferentes das do Arduino. O que muda, na prática, é o conceito de programação orientada a objeto. Nela, cada programa precisa ter, no mínimo, uma classe e, pra que o programa execute, ela precisa ter um método main(string[] argumentos). Outro detalhe importante é a necessidade de declarar esse método como sendo público (public), estático (static) e que não retorna valores (void). A partir desse método você pode declarar instancias, Para entender melhor a linguagem, é uma boa ideia colocá-la em prática. Abra o Eclipse, vá em File > New > Java Project

11 Vai aparecer uma janela para criação de um projeto em Java. Em Project name escreva TesteJava e clique em Finish. Você pode perceber que ao lado esquerdo do workspace existe um Package Explorer e nele apareceu uma pasta com o nome TesteJava, que é o nome do projeto que criamos. Clique na seta ao lado dele para ver os arquivos que ele possui e você verá que ele possui dois items: um JRE System Library (gerado pelo Eclipse no ato da criação do projeto) e uma pasta src. É nesta pasta que iremos inserir os nossos códigos Java. Clique com o botão direito na pasta src, vá em New > Class

12 Vai aparecer uma janela para criação de classes. No campo Name digite Principal e selecione a primeira opção da pergunta: Which method stubs would you like to create?. Se tudo foi executado corretamente, você acabou de criar uma classe chamada Principal e ela irá conter o método main, que é o responsável por iniciar o programa. Você pode estar se perguntando O que é que é esse monte de palavra antes do método main?. A resposta está, pra variar, na tabela abaixo: Palavra Public Static Void Descrição Qualquer classe pode visualizar e executar o método main da nossa classe Principal. É um modificador. Você não precisa instanciar a classe Principal para usar o método main. É um modificador. O método main não retorna nenhum valor. É um tipo.

13 É claro que esses valores abrangem mais do que só o método main. Aliás, estes modificadores podem ser usados em variáveis, declaração de objetos e até mesmo classes (com excessão do void pra esta última). Enfim, dentro do método main digite o comando System.out.println( Hello World! );. O comando System.out.println(); escreve no console tudo o que estiver entre aspas (ou dentro de alguma variável) dentro dos parênteses. No caso ele vai escrever Hello World! logo que iniciar o programa. Vamos ao teste: clique com o botão direito no código e selecione RunAs > Java Application. Fique prestando atenção na janela console abaixo do editor de código. Não coma mosca. Se você perceber, ela irá ficar assim: Pronto: seu primeiro programa em Java está feito! Ainda assim, temos muito trabalho pela frente. 3.2 Janela de Gráficos O próximo passo desse tutorial talvez-com-quase-toda-certeza-nada-científico é saber desenhar nos gráficos de uma janela. Para tanto, crie uma nova classe (da mesma forma que você criou a primeira) com o nome JanelaPrincipal e desabilitando aquela primeira opção public static void main(string[] args). Como você desabilitou aquela opção, esta classe não tem um método main, aliás, ela está vazia.

14 Para começar, é necessário avisar para ela que ela vai ser como uma janela (ou JFrame). Escreva depois do public class JanelaPrincipal e antes do o trecho extends JFrame. Perceba que vai aparecer um sublinhado abaixo de JFrame como se ele tivesse sido escrito errado. Deixe o mouse por cima dele e irá aparecer uma janela falando que esse trecho possui erros e o que pode ser feito para resolve-los. Clique em Import JFrame (javax.swing). O erro ocorreu porque a classe JFrame não existe no contexto normal do Java, assim é preciso incluir uma biblioteca para para resolver esse problema (assim como no Arduino nós incluimos o NewPing). Além disso, pode ser que depois de resolver o erro do JFrame apareça uma mensagem de Warning sobre serialização da classe. Ignore. Dentro da classe JanelaPrincipal, digite o seguinte código: Image imgplayer; JanelaPrincipal() super( Minha Janela ); try this.setsize(800,600); this.setresizable(false); this.setvisible(true); this.setdefaultcloseoperation(exit_on_close); imgplayer = new ImageIO.read(new File( img/player.jpg )); catch(ioexception x) Comando Image imgplayer; JanelaPrincipal() super( Minha Janela ); Try Descrição A variável imgplayer irá conter a imagem do nosso jogador. No momento ela ainda não faz nada, mas será usada adiante. Construtor da classe. É com esse método que você vai gerar a instância dessa classe. Referência ao construtor da classe pai (JFrame). Ele vai criar a janela com o título usado como parâmetro Minha Janela. Inicia um tratamento de excessões que ocorrem

15 dentro do escopo delimitado. this.setsize(800,600); this é uma referência aos métodos e variáveis existentes na própria classe ou da classe pai. O setsize é um método da classe JFrame que muda o tamanho da janela para 800 pixels de largura e 600 de comprimento. this.setresizable(false); O método setresizable altera o evento de redimensionar a janela. Se o parâmetro passado for false, não é possível redimensionar a janela. this.setvisible(true); O método setvisible altera a visibilidade da janela. Caso o parâmetro seja true, a janela fica visível. this.setdefaultcloseoperation(exit_on_close); Este minúsculo comando setdefaultcloseoperation indica qual será a ação executada ao se fechar a janela. EXIT_ON_CLOSE é uma constante do JFrame que indica que ao fechar ele deseja que saia do imgplayer = new ImageIO.read(new File( img/player.jpg )); catch(ioexception x) programa. Cria uma instancia de Image e associa à imgplayer. Ele pega a imagem da leitura do arquivo passado pelo parâmetro para ImageIO.read(). Realiza o trecho de código digitado no escopo abaixo dele. Provavelmente irão aparecer erros como quando você incluiu o JFrame na sua classe. Para resolver coloque o ponteiro do mouse sob o Image que estiver sublinhado como erro e selecione Import Image (java.awt), no ImageIO selecione Import ImageIO (javax.imageio), no File selecione Import File (java.io) e no Graphics selecione Import Graphics (java.awt.graphics) Feito tudo isso, salve o arquivo (dê CTRL+S) e volte para o arquivo Principal. Dentro do método main, abaixo do System.out.println( Hello World! ); digite

16 JanelaPrincipal jan = new JanelaPrincipal(); Com isso você criou um objeto do tipo JanelaPrincipal e criou sua instância. Salve este arquivo e execute o programa (DICA: caso já tenha executado o programa alguma vez, clique na seta verde ao invés de clicar com o botão direito no arquivo etc etc etc) Ao clicar na seta verde, aparecerá (no canto superior esquerdo) sua primeira janela criada em Java. Paquere sua janela por mais uns cinco segundos antes de começarmos o próximo passo. Terminou? Feche a janela e volte para a classe JanelaPrincipal. Vamos colocar algumas imagens nela. Na pasta TesteJava do projeto, clique com o botão direito e selecione New > Folder, coloque o nome img e clique em Finish. É nesta pasta que iremos inserir nossas imagens. Procure dentre as pastas fornecidos junto com esse artigo-quase-um-pouco-casual a pasta que possui várias imagens (provavelmente é a pasta que tem imagens no nome). Arraste a imagem player.jpg até a pasta img que acabamos de criar pelo Eclipse. Vai aparecer uma janela perguntando se você quer copiar as imagens para o diretório ou se vai só criar uma referência das imagens no projeto. Selecione Copy Files e clique em OK.

17 Pronto. Sua imagem foi colocada na pasta img do projeto. No arquivo JanelaPrincipal.java digite antes do construtor o seguinte trecho de código: int posicao_x = 10; int posicao_y = 300; int tamanho = 50; int comprimento = 50; Declaramos duas variáveis que indicam a posição do player na janela e duas que indicam o tamanho e o comprimento da imagem. A classe JFrame possui um método que realiza o desenho dos componentes na tela. O nome desse método é paint e ele executa sempre que for necessário. Para trabalhar com o paint, é preciso realizar override (conhecido também como sobrecarga) do método, ou seja, declarar novamente ele como se não existisse e preencher com comandos que gostaríamos que ele realizasse. As operações gráficas do método paint se dão com o componente Graphics do JFrame. Abaixo o trecho de código que realiza o desenho na tela: public void paint(graphics graf) graf.drawimage(imgplayer, posicao_x, posicao_y, comprimento, tamanho,

18 null); Comando public void paint(graphics graf) graf.drawimage(imagem, posicao_x, posicao_y, comprimento, tamanho, null); Descrição Sobrecarga do método paint herdado da classe JFrame. Usando o graf, desenha uma imagem passada por parâmetro na posição X,Y da janela dado um comprimento e o tamanho dela. O parâmetro onde foi inserido null indica qual é a janela que observa esse frame. Como não temos nenhuma janela observando esta janela, declaramos como null. Insira na última linha do construtor o comando repaint();. Isso irá desenhar as alterações que você fez na tela (como desenhar a imagem do personagem). Confira se está tudo como na imagem abaixo (não esquecendo que esse código está dentro do escopo da classe JanelaPrincipal. Se tudo estiver de acordo, salve o programa e execute-o. Se tudo foi digitado corretamente, é para aparecer uma imagem há 10 pixels da borda esquerda e no meio dela.

19 Muito bom! Você já conseguiu desenhar o player no mapa! O proximo passo é mover ele para cima e para baixo usando o sensor. 3.3 Incluindo o Sensor Dando continuidade a esse artigo quem-sabe-um-dia-de-gente-grande, clique com o botão direito sobre a pasta do projeto TesteJava e selecione Build Path > Add External Archives.... Vai abrir uma janela para selecionar arquivos. Nesta janela procure o arquivo RXTXcomm.jar que está na pasta dos instaladores fornecida neste tutorial. IMPORTANTE 1 Não se esqueça de que é preciso copiar da mesma arquitetura que é seu sistema operacional (x86 ou x64); 2 Copie antes este arquivo para algum lugar que você não vai mais mexer. Este arquivo possui toda a interface de comunicação serial da nossa aplicação com o Arduino. Entretanto, por possuir muitas instruções consideradas de baixo nível, foi criada uma classe que faz o intermédio entre a aplicação e a comunicação com o arduino. É a SensorDriver.java. Ela possui uma classe ControlePorta que foi criada pelo pessoal da embarcados.com e levemente modificada por mim para que fosse possível ler os dados do Arduino. Para incluir essa classe, basta ir até a pasta Arquivos Java fornecida e arrastar o arquivo para a pasta src > (default package) do projeto (da mesma forma que foi feito com a imagem). Digite SensorDriver arduino; abaixo de Image imgplayer; e arduino = new SensorDriver(); abaixo de repaint();

20 Esse trecho de código gera um objeto da classe SensorDriver (que é a classe que fica realizando leitura do que o arduino está enviando para o computador) e o instancia. Agora é necessário que a janela receba o dado do Arduino, apague o desenho antigo do jogador e desenhe o jogador de novo na tela em sua nova posição. Só que isso, em tese, não pode ser feito no fluxo normal da janela. É preciso criar uma tarefa paralela que faça isso. Então é preciso informar ao sistema que a classe JanelaPrincipal implementa um tipo que tem mais de um fluxo chamado Runnable. Siga os passos: 1 Digite, após a declaração da classe (public class JanelaPrincipal extends JFrame), o trecho implements Runnable 2 Digite um novo método public void run. Dentro deste método serão implementadas as tarefas paralelas que desejamos que nossa janela faça. Além disso tudo, é preciso re-desenhar a tela para apagar a posição antiga do jogador antes de desenhar sua nova posição. Assim, dentro do método paint insira como primeiro comando try E no método run insira: do super.paint(graf); posicao_y = arduino.convertedistanciaemcontrole(600); repaint(); Thread.sleep(300); while( posicao_y > -1); catch(interruptedexception ex) Comando try do posicao_y = arduino.convertedistanciaemcontrole(600); repaint(); Descrição Inicia o tratamento de excessões do escopo dado Realiza as operações no escopo dado entre ele e o seu par while(<condição>). Seria um Execute o código abaixo enquanto <condição> for verdadeira. O nosso objeto arduino possui o método convertedistanciaemcontrole que recebe como parâmetro o tamanho da tela e retorna o valor em pixels proporcional à distância do sensor. Redesenha os gráficos.

21 Thread.sleep(300); while( posicao_y > -1); catch(interruptedexception ex) Espera 300 milissegundos antes de realizar o próximo passo. Fim do escopo do do. Se a condição for falsa, vai para a próxima instrução. Caso contrário, volta para a primeira instrução após o do. Teóricamente, esta condição será sempre true, visto que posicao_y será sempre maior ou igual à zero. Trata de qualquer excessão que seja encontrada ao longo da execução do código. Com isso só falta inserir depois do arduino = new SensorDriver; o comando new Thread(this).start();. Ele vai fazer com que o novo fluxo seja criado (ou seja, que as instruções no método run executem de forma paralela). Salve. Execute. Admire. Seu personagem já se move na tela conforme você interage com o sensor. A única coisa chata é que quando você move a mão para cima, o personagem vai para baixo e vice-versa. _Como resolver isso? Basta alterar (no método paint) o trecho graf.drawimage(...); para graf.drawimage(imgplayer,posicao_x, 600 posicao_y,...);. A inversão ocorria porque na programação das janelas, o eixo Y é crescente para baixo. Então subtraindo de 600 (que é o tamanho da tela) o valor de posicao_y, é possível inverter o sentido de locomoção do player. Se algo não deu certo, confira as imagens abaixo para verificar se copiou o código corretamente.

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23 FONTES - último acesso em 12/03/2015

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