裘炯濤 謝作如

2017年歲末，最熱門的游戲莫過于微信的“跳一跳”了（如圖1）。游戲的規(guī)則很簡單，游戲中的小人要從一個方塊跳到下一個方塊上，玩家通過按壓屏幕時間的長短來控制這個小人跳躍的距離，確保每次都能讓小人落到下一個方塊上，如能跳到方塊正中心還會有額外加分。

元旦假期，筆者也嘗試挑戰(zhàn)了這個游戲，但是屢試屢敗，得分很少能超過五十分?？粗笥讶锏暮糜讯寄芴絻扇俜?，筆者深覺自己有點笨手笨腳。作為學校的創(chuàng)客教育導師，稍作思考后，筆者就準備利用Arduino來挑戰(zhàn)“跳一跳”高分榜。

游戲分析

在“跳一跳”游戲中，小人要從當前方塊跳躍到下一個方塊的關鍵是控制跳躍距離。玩家通過按壓屏幕蓄力，按壓越久，蓄力越多，跳得也就越遠。經(jīng)過測試后，筆者發(fā)現(xiàn)按壓時間長短和跳躍距離呈線性關系。要獲得游戲高分，得設計一個可以替代人的手指，并能夠精確控制按壓屏幕時間的小裝置，也就是常說的“物理外掛”。

解決方案設計

人可以區(qū)分1秒與2秒的時間差，而區(qū)分10毫秒與20毫秒?yún)s很難，但是用Arduino之類的單片機來實現(xiàn)精確控制就很容易?？戳丝磩?chuàng)客空間的設備，筆者設置了一個大致的方案：

在舵機上綁定一支電容筆，用Arduino控制舵機按壓屏幕，按壓一定時間后抬起舵機，小人就可以跳到一定距離之外。而按壓時間根據(jù)需要跳躍的距離來推算，跳躍距離可以用尺子測量，并用旋鈕傳感器將距離輸入Arduino。Arduino將距離轉(zhuǎn)化成對應的按壓時間，最后用一個按鈕來控制舵機執(zhí)行這一按壓動作，所需元件如圖2所示。

步驟一：模擬手指

現(xiàn)在市面上的智能手機的屏幕絕大多數(shù)都是電容屏，電容觸摸筆是專門為手機、平板電腦設計的觸摸手寫筆，使用觸摸筆是最好的選擇（如圖3）。可以將電容筆固定在舵機臂上，用舵機帶動電容筆按壓手機屏幕。

電容筆是最理想的選擇，但是手頭如果沒有電容筆，還可以用導電銅箔或者導電膠布來代替。導電銅箔具有良好的導電性（如下頁圖4），將導電銅箔一端固定在舵機上，導電銅箔另一端與手指接觸。在舵機帶動下用銅箔按壓手機屏幕，通過導電銅箔的連接，相當于手指按壓了屏幕。

步驟二：搭建結(jié)構

筆者找了個紙盒做這一裝置的平臺，盒子上面放了各種元件，Arduino等可以放在盒子中間，盡量讓這個“外掛”看起來比較像個作品，命名為“跳一跳游戲盒子”。

先將手機放在紙盒中間，確定各元件安裝位置（如圖5）。

將LCD1602顯示屏倒扣在紙盒上，用鉛筆沿著顯示屏畫出輪廓（如圖6）。

將LCD1602顯示屏和旋鈕傳感器安裝在孔位中，并用熱熔膠進行固定（如圖7）。

在舵機安裝前，先墊高約1厘米的紙板，將舵機安裝位置提高到與手機屏幕齊平的高度。然后用熱熔膠將舵機固定在紙板上，將舵機臂安裝到舵機上，由于舵機的塑料臂比較短，可以使用長約6厘米的雪糕棍進行延長（如圖8）。

在雪糕棍上安裝一個豎直向下的竹簽，竹簽末端安裝一個水平2厘米左右的雪糕棍，用于模擬手指，雪糕棍表面要正好能觸碰到手機屏幕（如圖9）。

在雪糕棍上纏繞導電銅箔，為了保證導電銅箔能與手機屏幕充分接觸，可以將接觸面做大且壓平，然后將導電銅箔引出15厘米左右，用于跟人手指接觸（如下頁圖10）。

用一只手抓住導電銅箔一端，讓模擬手指去接觸手機屏幕，觀察是否有反應。如果有反應說明模擬手指能實現(xiàn)功能，如果觸摸效果不佳，檢查導電銅箔是否纏繞牢固，接觸面是否夠大。

步驟三：電路連接

將各元件連接到主控板對應管腳，傳感器與管腳對應關系如下頁表1所示。

將主控板安裝在紙盒內(nèi)部，并連接好各元件，用熱熔膠將按鈕固定在盒子側(cè)面。主板的供電可以使用9V電池，也可以在盒子側(cè)面打孔，使用USB線連接到外部電源（如下頁圖11）。

步驟四：計算時間與距離的關系

我們雖然已經(jīng)分析出按壓時間越久，跳躍距離越大，但是并不知道兩者之間的具體關系，這還需要通過編程來測試。

編寫測試程序，當按鈕按下后，舵機轉(zhuǎn)動，帶動模擬手指按壓屏幕，并保持一定時間后彈回，程序如下頁圖12所示。

以小人身體的尾部作為起點，沿著兩個方塊邊緣平行的方向測量，終點為下一個方塊的中心點（如下頁圖13）。

根據(jù)測量出的距離先估計按壓時間，然后將時間賦值給變量time，上傳程序并跳躍，再測量出實際跳躍距離，經(jīng)過幾輪測試，得出表2數(shù)據(jù)。

將以上數(shù)據(jù)輸入到Excel表格中，用表格中數(shù)據(jù)繪制散點圖，并畫出線性趨勢線，得到按壓時間與跳躍距離的關系式為distance=0.0517time-10.952，經(jīng)轉(zhuǎn)換time=（distance+10.952）/0.0517。注意：這個公式是根據(jù)筆者的5寸屏幕手機測得的數(shù)據(jù)，不同尺寸的手機測得數(shù)據(jù)不同，公式也會不同（如圖14）。

步驟五：實現(xiàn)距離數(shù)據(jù)的輸入

經(jīng)過幾輪游戲測試與測量，小人跳躍距離的范圍在10mm～50mm之間。距離輸入可以使用旋鈕傳感器，旋鈕傳感器原本的輸入范圍是0～1023，而現(xiàn)在需要輸入的距離為10mm～50mm，因此可以使用映射模塊將數(shù)據(jù)范圍進行轉(zhuǎn)化，再利用LCD1602屏幕將跳躍距離和按壓時間都實時顯示出來，完整程序如下頁圖15所示。

游戲盒子的使用測試

“跳一跳游戲盒子”制作完成后，就可以進行使用測試了。在手機上啟動游戲，并將手機放在盒子上，用尺子量出當前小人的位置到下一個方塊中心點的距離。在盒子上用旋鈕傳感器調(diào)節(jié)跳躍距離，LCD1602上會顯示跳躍距離及對應的按壓時間，調(diào)節(jié)完成后按下起跳開關，舵機就會帶著模擬手指轉(zhuǎn)動，在屏幕上按壓一定時間后抬起，小人完成了完美的一跳。利用這個裝置，筆者成功地拿到了1000多分，高居朋友圈游戲排行榜的榜首。

小結(jié)

制作完成創(chuàng)客作品后，筆者把使用該盒子玩“跳一跳”游戲的視頻發(fā)到了朋友圈。有人點贊，有人挑戰(zhàn)，還有人說這是作弊，其實這個作品最重要的價值不是幫筆者拿到游戲高分，而是告訴更多的人：對于一些有規(guī)律、重復性強的工作，機器比人類更專業(yè)，可以比人類做得更好。不是嗎？緊跟筆者發(fā)布這個作品的前后，好多工程師都發(fā)布類似的“物理外掛”，大疆工程師甚至用攝像頭來做視角識別，讓更多的人知道了人工智能并不遙遠，而是“近在身邊”。

2017年被媒體譽為“人工智能”元年。在這一年里，我們不斷看到機器在越來越多的領域戰(zhàn)勝了人類。毋庸置疑，在接下來的時間里，機器將更深入、更全面進地入人們的生活。未來已來，中小學教育亟待改革，讓我們從創(chuàng)客教育開始做起吧！