Bachelorarbeit. zur Erlangung des akademischen Grades Bachelor of Science in Engineering (BSc)

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1 Entwicklung einer grafischen Benutzeroberfläche für einen RoboCup Rescue Roboter Bachelorarbeit zur Erlangung des akademischen Grades Bachelor of Science in Engineering (BSc) im Studiengang Systems Engineering mit Vertiefungsrichtung Embedded Software verfasst von Martin Ringswirth ausgeführt an der Fachhochschule Kärnten Betreuer: Dipl.-Ing. (FH) Christian Madritsch Abgabe: Villach,

2 Bachelorarbeit I Kurzfassung/Abstract Martin Ringswirth I. Kurzfassung/Abstract Entwicklung einer grafischen Benutzeroberfläche für einen RoboCup Rescue Roboter Um an einer RoboCup Rescue Competition teilnehmen zu können ist es von relevanter Bedeutung den Roboter ohne Sichtkontakt steuern zu können. Dazu ist es äußerst wichtig, dass dem Benutzer wesentliche Informationen über den Zustand des Roboters und dessen Umgebung mitgeteilt werden. Daher war es Ziel des Projektes eine Möglichkeit zu finden, um sowohl diese Informationen als auch die Steuerungsbefehle zwischen dem Roboter und dem Benutzer zu versenden und anzeigen zu lassen. Dies wurde über eine Anwendung realisiert, welche über W-LAN in Verbindung mit dem Roboter steht, die Sensordaten empfängt und die Steuerdaten an diesen sendet. Die Anwendung besitzt eine grafische Benutzeroberfläche, welche die empfangenen Sensordaten sowohl visuell als auch tabellarisch anzeigt. Weiters wird auch das Bild einer Kamera, welche am Roboter fixiert ist, angezeigt. Als Eingabegerät wird ein Joystick eingesetzt, über den die Naviagtion mit dem Roboter erfolgen soll. Dieser wird zyklisch abgefragt und die Daten werden über eine TCP/IP Verbindung an den Roboter übermittelt. Die Anwendung selbst wurde so implementiert und dokumentiert, dass das Einbauen neuer Anzeigeelemente oder Eingabegeräte problemlos erfolgen kann. Schlüsselwörter: RoboCup Rescue, grafische Benutzeroberfläche Development of a graphical user interface for a RoboCup Rescue robot To participate in a RoboCup Rescue Competition it is of relevant importance to be able to control the robot without visual contact.therefore it is extremely important that the user gets notified essential information about the state of the robot and its environment. For this reason, it was the aim of the project to find a possibility to exchange this information as well as control commands between the robot and the user and display the information. This was achieved through an application, which is using W-LAN to connect to the robot, receives the sensor data and send the control data to it. The application has a graphical user interface, which displays the received sensor data both visually and in tabular form. Further, also an image of a camera, which is fixed on the robot, is displayed and a joystick is used as an input device for the control commands. This is polled periodically and the data are transmitted over a TCP/IP connection to the robot. The application has been implemented and documented that the installation of new indicators or input devices can be done easily. Keywords: RoboCup Rescue, graphical user interface FH Kärnten Seite 2 von 35

3 Bachelorarbeit Inhaltsverzeichnis Martin Ringswirth Inhaltsverzeichnis I. Kurzfassung/Abstract II. Abbildungsverzeichnis III. Tabellenverzeichnis IV. Abkürzungsverzeichnis V. Vorwort Einleitung Motivation Ziel der Arbeit Aufbau der Bachelorarbeit Aufgabenstellung Problemstellung Konkrete Aufgabenstellung Grundlagen der grafischen Programmierung Grafische Benutzeroberfläche Varianten der grafischen Programmierung Wahl der Entwicklungsumgebung und der Programmiersprache Realisierung Konzepte Lösungsvarianten für die Darstellung der Oberfläche Evaluierung der Lösungsvarianten Implementierung der grafischen Oberfläche Aufbau der grafischen Oberfläche Funktionen der grafischen Oberfläche Erweiterung der grafischen Oberfläche Implementierung des Eingabegerätes Wahl des Eingabegerätes Funktionen des Joysticks Einbinden des Joysticks Zukünftige Funktionen am Joystick Kommunikation zwischen Roboter und Benutzer Allgemeines zur Verbindung Implementierung der Clients in der GUI Ausblick Zusammenfassung Erklärung Literatur FH Kärnten Seite 3 von 35

4 Bachelorarbeit II Abbildungsverzeichnis Martin Ringswirth II. Abbildungsverzeichnis D-Ansicht des Roboters Bereiche der GUI nach der Aufgabenstellung Oberfläche der C++Builder Entwicklungsumgebung Oberfläche der Visual C# Studio 2010 Entwicklungsumgebung Oberfläche der Qt Creator Entwicklungsumgebung Konzeptionierter Kommunikationsablauf Darstellung der grafischen Benutzeroberfläche in einer Windows-Form Darstellung der grafischen Benutzeroberfläche in zwei Windows-Forms Grafischen Benutzeroberfläche der GUI-Anwendung FH Kärnten Seite 4 von 35

5 Bachelorarbeit III Tabellenverzeichnis Martin Ringswirth III. Tabellenverzeichnis 2.1. Anforderungen des Regelbuches welche für die GUI relevant sind Klassen der GUI-Anwendung Funktionsbelegung des Joysticks Finale Funktionsbelegung des Joysticks FH Kärnten Seite 5 von 35

6 Bachelorarbeit IV Abkürzungsverzeichnis Martin Ringswirth IV. Abkürzungsverzeichnis COM GUI MFC n.v SDK VCL Winsock Component Object Model graphical user interface Microsoft Foundation Classes nicht vorhanden software development KIT Visual Component Library Windows socket FH Kärnten Seite 6 von 35

7 Bachelorarbeit V Vorwort Martin Ringswirth V. Vorwort Die vorliegende Bachelorarbeit Entwicklung einer grafischen Benutzeroberfläche für einen RoboCup Rescue Roboter entstand im Zeitraum von Januar bis Juni 2012; im Rahmen des Bachelorprojektes RoboCup Rescue Robot. Das Thema der vorliegenden Arbeit ergab sich aus den Anforderungen des Projektes und der Verteilung der Aufgaben. Die Arbeit befasst sich mit der Entwicklung einer graphischen Benutzeroberfläche, welche zur Steuerung des Roboters verwendet werden soll und mit diesem interagiert. Eine Beschreibung der Anforderungen des Gesamtprojektes, wurden in der Bachelorarbeit Konzept eines RoboCup Rescue Roboters [1] von Herrn Quendler Stefan festgehalten. Großer Dank gilt dem Projektteam und dem Projektleiter, Herrn FH-Prof. Dipl.-Ing. Dr. Wolfgang Werth, für die gute Zusammenarbeit und die Unterstützung. Mein Dank gilt des weiterem meinem Betreuer Herrn Dipl.-Ing.(FH) Christian Madritsch für das Betreuen der Arbeit und Herrn DI (FH) Markus Tiffner für die konstruktiven Gespräche. FH Kärnten Seite 7 von 35

8 Bachelorarbeit 1 Einleitung Martin Ringswirth 1. Einleitung In diesem Abschnitt der Bachelorarbeit wird vorerst der RoboCup beschrieben und ein Überblick des Gesamtprojektes RoboCup Rescue Roboter gegeben. Weiters werden die Ziele des Projektes Entwicklung einer grafischen Benutzeroberfläche für einen RoboCup Rescue Roboter, welches in dieser Arbeit behandelt wird, dargestellt. Der letzte Bereich beschreibt den grundlegenden Aufbau der Bachelorarbeit Motivation In immer mehr Bereichen wird der Mensch von Robotern unterstützt oder gar abgelöst. Dies basiert auf die Tatsache, dass bei gefährlichen Einsätzen oft Menschenleben riskiert werden um andere Menschen zu retten. Um dieses Risiko zu verringern werden seit den letzten Jahrzehnten immer mehr Ressourcen in die Forschung und Entwicklung von Robotern gegeben. Aus diesem Grund wurde die internationale Organisation RoboCup Federation gegründet. Ziel der Organisation ist es die Weiterentwicklung der Technologien zu fördern. Dazu gibt es regelmäßig Wettbewerbe, welche RoboCup Competition genannt werden, wo diese Technologien verglichen werden können. Der erste Wettbewerb fand bereits 1997 statt, umfasste aber nur Roboter die Fussball spielen konnten. Im Laufe der Jahre wurden unterschiedliche Disziplinen hinzugefügt, unter anderem auch die Disziplin RoboCup Rescue. Diese Disziplin befasst sich mit der Rettung von Menschenleben bei einem Katastropheneinsatz. Dazu werden in unterschiedlichen Arenen Unglücksszenarien, wie z.b. ein eingestürztes Haus, nachgestellt. In diesen Arenen sind Opfersimulationen untergebracht, welche mithilfe des Roboters erkannt werden müssen. Jeder teilnehmende Roboter muss, entweder ferngesteuert oder Autonom, durch diese Arenen navigieren und die Opfer lokalisieren. Basierend auf die Disziplin RoboCup Rescue wurde das Projekt RoboCup Rescue Roboter definiert. Im Rahmen des Projektes soll eine Plattform für einen Roboter entwickelt werden, der den Anforderungen der RoboCup Rescue Competition entspricht. Diese Plattform soll in den nächsten Jahren dahingehend erweitert werden, dass alle notwendigen Funktionen implementiert und einsatzfähig sind. Das Projektteam besteht aus 8 Studierenden des Studiengangs System Engineering, mit unterschiedlichen Vertiefungsrichtungen, unter der Führung des Projektbetreuers Herrn FH-Prof. Dipl.-Ing. Dr. Wolfgang Werth. Jedes Teammitglied hat eine eigene Aufgabe in einem Teilprojekt zu bearbeiten. Die Gesamtheit der Aufgaben umfassen die Konstruktion und Fertigung des Roboters, Regelung der Aktoren, Implementierung der Opfersensorik, Energieversorgung, Implementierung der zentralen Steuerung und Implementierung einer grafischen Benutzeroberfläche. Abbildung 1.1 zeigt eine 3D-Ansicht des Roboters. FH Kärnten Seite 8 von 35

9 Bachelorarbeit 1 Einleitung Martin Ringswirth Abb. 1.1: 3D-Ansicht des Roboters 1.2. Ziel der Arbeit Diese Arbeit befasst sich mit der Entwicklung und Implementierung einer grafischen Benutzeroberfläche (GUI), welche sowohl zur Steuerung des Roboters verwendet werden soll, als auch die Daten des Roboters anzeigen soll. Da der Benutzer des Roboters beim Wettbewerb hinter einer Holzbarrikade sitzt, wird die GUI die einzige Möglichkeit sein die Umgebung des Roboters wahrzunehmen und mögliche Gefahren oder Opfer zu erkennen. Aus diesem Grund besteht das Ziel der Arbeit darin, eine Benutzeroberfläche zu implementieren welche folgende Funktionen beinhaltet: anzeigen aller Sensordaten anzeigen der Neigung des Roboters zur x-, y- und z-achse eines raumfesten Koordinatensystems anzeigen der Flipperstellung zum Korpus des Roboters anzeigen eines gestreamten Kamerabildes anzeigen des aktuellen Akkufüllstandes anzeigen einer Liste von automatisierten Bewegungsabläufen die der Roboter durchführen kann einlesen von Steuerbefehlen zur Navigation des Roboters FH Kärnten Seite 9 von 35

10 Bachelorarbeit 1 Einleitung Martin Ringswirth 1.3. Aufbau der Bachelorarbeit Der Aufbau der Bachelorarbeit Entwicklung einer grafischen Benutzeroberfläche für einen RoboCup Rescue Roboter wird in folgende Kapitel gegliedert: Kapitel 2: Im Abschnitt Aufgabenstellung wird zuerst auf die Problemstellung eingegangen und die daraus resultierende konkrete Aufgabenstellung beschrieben. Kapitel 3: Der theoretische Teil der Bachelorarbeit befasst sich mit den Grundlagen der grafischen Programmierung. Dabei wird auf drei unterschiedliche Entwicklungsumgebungen und die Grundlagen der grafischen Programmierung in diesen eingegangen. Des Weiteren wird auf die Auswahl der Entwicklungsumgebung und der Programmiersprache, mit der die GUI entwickelt wird, eingegangen. Kapitel 4: Im Kapitel der Realisierung wird auf die Entwicklung der Software eingegangen. Zu Beginn werden Konzepte beschrieben, die darstellen wie die GUI aufgebaut werden kann. Weiters wird das tatsächliche Design der GUI, die Implementierung des Joysticks zur Steuerung des Roboters und der Kommunikationsaufbau für den Datenaustausch mit dem Roboter erklärt. Kapitel 5 und Kapitel 6: In einem Ausblick wird dargelegt, welche Aufgaben nach Abschluss des Projektes noch zu erledigen sind und wie diese gelöst werden könnten. Weiters wird im Kapitel der Zusammenfassung die erzielten Ergebnisse kurz widergespiegelt. FH Kärnten Seite 10 von 35

11 Bachelorarbeit 2 Aufgabenstellung Martin Ringswirth 2. Aufgabenstellung Wie in Kapitel 1 erwähnt, befasst sich dieser Abschnitt mit der Problemstellung und beschreibt dann die daraus resultierende konkrete Aufgabenstellung Problemstellung Um an der RoboCup Rescue Competition teilnehmen zu können, muss der im Rahmen des Projektes RoboCup Rescue Roboter entwickelte Roboter, bestimmten Richtlinien entsprechen. Diese Richtlinien sind in den offiziellen Regeln der RoboCup Rescue Robot League festgehalten. Aus diesem Regelbuch geht hervor, dass der Roboter entweder ferngesteuert oder autonom durch die Arenen gesteuert werden kann. Das Projektteam hat sich entschieden vorerst ferngesteuert zu navigieren. Jedoch kann autonome Steuerung zu einem späteren Zeitpunkt, in einem Folgeprojekt, realisiert werden. Die Kommunikation zwischen Roboter und externen Laptop, welcher zur Steuerung verwendet wird, muss über die IEEE W-LAN Schnittstelle a erfolgen. Der Benutzer ist während des Wettkampfes in einer separaten Nische, welche an die Arena angrenzt, von der aus er den Roboter steuert. Währenddessen besteht keine Sicht auf den Roboter, deshalb muss dem Benutzer genügend Informationen über den Roboter, dessen Umgebung und Aufenthaltsort in der Arena geliefert werden, um das Navigieren zu erleichtern bzw. gar erst zu ermöglichen. Weiters werden aus dem Regelbuch bestimmte Aufgaben vorgeschrieben, welche erfüllt werden müssen um die maximal zu erreichende Punktezahl, welche zur Bewertung des Roboters herangezogen wird, zu erlangen. Die nachfolgende Tabelle 2.1 zeigt einen Einblick der, für die GUI relevanten, zu erfüllenden Aufgaben. Tab. 2.1: Anforderungen des Regelbuches welche für die GUI relevant sind Anforderung Arena-Mapping Opfererkennung Beschreibung Die Umgebung des Roboter soll abgescannt und aus den resultierenden Daten eine 2D-Karte gezeichnet werden. Die erkannten Opfer sollen in dieser Karte eingezeichnet werden. Lokalisierung der Opfer mittels einer Wärmebildkamera Messung der Temperatur des Opfers mit einem Temperatursensor Messen des simulierte Kohlendioxid-Ausstoß des Opfers Kommunizieren mit dem Opfer mittels Mikrofon und Lautsprecher QR-Codes erkennen Visuelle Merkmale erkennen Entlang der Arena sind QR-Codes angebracht, diese müssen erkannt und abgespeichert werden Neben den simulierten Opfern sind Gefahrenhinweise und Sehtest-Tafeln angebracht, diese müssen erkannt und abgespeichert werden FH Kärnten Seite 11 von 35

12 Bachelorarbeit 2 Aufgabenstellung Martin Ringswirth 2.2. Konkrete Aufgabenstellung Aus der oben beschriebenen Problemstellung wird nun eine Aufgabenstellung definiert, welche im Rahmen des Projektes Entwicklung einer grafischen Benutzeroberfläche für einen RoboCup Rescue Roboter implementiert werden soll. Grundsätzlich kann gesagt werden, dass nicht alle Anforderungen im Rahmen des Projektes erfüllt werden können, da es aus zeittechnischen Gründen nicht realisierbar ist. Deshalb werden erstmal die wichtigsten Funktionen implementiert. Diese Funktionen beinhalten jene, welche für die problemlose Steuerung notwendig sind. Wichtig ist auch, dass die GUI Anwendung leicht erweiterbar ist, um weiter Funktionalitäten ohne Probleme implementieren zu können. Grafische Oberfläche Zuallererst muss die grafische Benutzeroberfläche so gestaltet werden, dass alle wichtigen Daten leicht erkennbar sind. Deswegen soll die Oberfläche in unterschiedliche Bereiche aufgeteilt werden, wo jeder einzelne Bereich für die Darstellung einer Funktion zuständig ist. Folgende Bereiche sind anhand der Problemstellung erforderlich: Ein Bereich zur Anzeige des Kamerabildes mit möglichst hoher Auflösung. Ein Bereich zur Darstellung der Sensordaten. Eine Tabelle mit dem Sensornamen, dem dazugehörigen Messwert und der Einheit. Sensorwerte die in einem kritischen Bereich geraten sollen hervorgehoben werden. Ein Bereich für die räumliche Darstellung des Roboters. Dabei soll die Stellung der Flipper zum Korpus des Roboters und die Neigung des Korpus in der x- und y-achse veranschaulicht werden. Ein Bereich für das Zeichnen der Arena, welche der Roboter mittels Mapping-Funktion scannt. Ein Bereich zur Anzeige des Wärmekamerabildes. Die Bereiche für die letzten beiden Punkte werden im Rahmen dieses Projektes zwar bereitgestellt aber mit keiner Funktion versehen, da sie für die grundsätzliche Steuerung des Roboters nicht relevant sind. Abbildung 2.1 zeigt eine mögliche Aufteilung der Bereiche nach den oben erwähnten Punkten. FH Kärnten Seite 12 von 35

13 Bachelorarbeit 2 Aufgabenstellung Martin Ringswirth Abb. 2.1: Bereiche der GUI nach der Aufgabenstellung Benutzereingabe Der Benutzer muss über die GUI-Anwendung die Möglichkeit haben Eingabegeräte zu benutzen. Es muss beachtet werden, dass nicht nur der Roboter selbst navigiert werden muss, sondern auch die Kamera geschwenkt und die Bewegung des Greifarms koordiniert werden sollen. Weiters soll mit Hilfe des Eingabegerätes andere Steuerungsbefehle an den Roboter gesendet werden können. Diese Steuerungsbefehle umfassen Befehle welche komplexere Vorgänge beschreiben wie z.b. das Überwinden von bestimmten Hindernissen oder den Roboter in Ausgangsposition zurücksetzten. Kommunikation zum Roboter Wie in der Problemstellung beschrieben, muss die Kommunikation zwischen Roboter und Laptop über den W-LAN Standard a erfolgen. Dazu muss in der GUI-Anwendung eine Möglichkeit eingebunden werden, welche es dem Benutzer erlaubt Informationen an den Roboter zu senden und vom Roboter zu empfangen. Diese Daten sollen in einem bestimmten Zeitintervall aktualisiert werden um möglichst echtzeitnahe agieren zu können. FH Kärnten Seite 13 von 35

14 Bachelorarbeit 3 Grundlagen der grafischen Programmierung Martin Ringswirth 3. Grundlagen der grafischen Programmierung Da sich diese Bachelorarbeit mit der Entwicklung einer grafischen Benutzeroberfläche befasst, besteht eine relevante Aufgabe darin, einen Einblick in die grafische Programmierung zu geben. Hierbei wird als erstes kurz darauf eingegangen was eine grafische Benutzeroberfläche ist und wofür sie benötigt wird. Weiters wurden die Studenten auf der FH-Kärnten im Rahmen des Bachelorstudiengang Systems Engineering - Embedded Software in der Programmiersprache C++ unterrichtet. Dabei wurde auch auf die grafische Programmierung mit den MFC (Microsoft Foundation Classes) eingegangen. Jedoch ist dies nicht die einzige Möglichkeit für die Entwicklung einer grafischen Benutzeroberflächen. Aus diesem Grund wird in diesem Kapitel auf andere Varianten der grafischen Programmierung eingegangen Grafische Benutzeroberfläche Wie es der Name bereits beschreibt, ist eine grafische Benutzeroberfläche (GUI = Graphical User Interface) eine Software-Komponente, die es dem Benutzer, eines Computers oder ähnlichen Geräts, ermöglicht mit dem Gerät in Interaktion zu treten. Diese Interaktion wird durch grafische Symbole erlaubt, die z.b. per Mausklick ausgewählt werden können. Um dies verständlicher zu beschreiben muss erstmal der Begriff Software-Komponente erläutert werden. Eine Software-Komponente ist ein selbstständiger Software-Baustein der eine bestimmte, vordefinierte Aufgabe erfüllen. Es ist durchaus üblich, dass eine Software-Komponente aus anderen Komponenten zusammengesetzt ist. Zum Beispiel ist eine GUI eine Software-Komponente und beinhaltet Symbole mit denen der Benutzer interagieren kann. Dies Symbole wiederum sind eigenständige Software-Bausteine, die eine bestimmte Funktion ausführen und in die GUI eingebunden wurden. Jedoch muss man die Funktionen der Symbole nicht verstehen um die GUI verstehen zu können. Daher kann eine Software-Komponente sehr komplex aufgebaut sein, aber trotzdem leicht bedienbar sein. Eine grafische Benutzeroberfläche wird bei nahezu jedem Gerät, wo es zu einer Interaktion zwischen Mensch und Maschine kommt, eingesetzt. Im einfachsten Fall wird sie verwendet um dem Benutzer Information über das System mitzuteilen. Von diesen einfachen Oberflächen ausgehend, geht das bis zu komplexen Benutzeroberflächen, bei denen der Benutzer auf mehrere Auswahlmöglichkeiten von Symbolen und Einstellungsmöglichkeiten, über Dialoge oder ähnliches, zugreifen kann, um das Gerät eine gewünschte Funktion ausführen zu lassen. Als Beispiel kann hier die Oberfläche eines Windows Betriebssystems angeführt werden. Die in dieser Arbeit entwickelte und implementierte GUI-Anwendung, wird sich von der Komplexität aus zwischen den beiden oben erwähnten Beispielen befinden. Sie soll dem Benutzer sowohl Informationen über den Systemzustand des Roboters liefern, aber auch die Steuerung über ein Eingabegerät ermöglichen. Jedoch wird sie nicht über mehrere Auswahlmöglichkeiten oder komplexe Ausführungsbefehle verfügen, da sie im allgemeinen recht einfach verständlich sein soll Varianten der grafischen Programmierung Eine grafische Benutzeroberfläche kann in unterschiedlichen Entwicklungsumgebungen, Programmiersprachen und auch auf bzw. für unterschiedliche Betriebssysteme entwickelt werden. Da es zu Beginn des Projektes noch unklar war, auf welchem Betriebssystem die Steuerungseinheit des Roboters und auch die GUI aufgebaut sein werden und um einen groben Überblick zu geben, welche Möglichkeiten bestehen, wird in diesem Abschnitt auf drei Möglichkeiten der FH Kärnten Seite 14 von 35

15 Bachelorarbeit 3 Grundlagen der grafischen Programmierung Martin Ringswirth grafischen Programmierung eingegangen. Es wird die Entwicklung in drei unterschiedlichen Entwicklungsumgebungen gezeigt, wobei zwei verschiedene Betriebssysteme als Grundlage dienen. Zwei Entwicklungsumgebungen werden auf dem Microsoft Windows Betriebssystem basieren und eine auf Linux. Danach wird dargelegt für welche der Möglichkeiten sich das Projektteam entschieden hat. Entwicklung mit Borland C++Builder auf Microsoft Windows Der C++Builder ist eine C++ basierende Entwicklungsumgebung welche von Borland entwickelt wurde, 2007 ausgelagert wurde und nun vom Unternehmen Embarcadero Technologies weitergeführt wird. Der Aufbau der Entwicklungsumgebung wird in Abbildung 3.1 dargestellt. In der Mitte der Entwicklungsumgebung befindet sich das Formular (Form) welches erstellt wird. Diese Form stellt das Windows Fenster dar, welches bei Start der erzeugten Applikation ausgeführt wird und die Oberfläche zur Interaktion zwischen Computer und Mensch ist. Um diesem Formular Symbole, Textfelder oder andere Komponenten hinzuzufügen befindet sich im rechten unteren Bereich die Tool-Palette. Ein weiterer hilfreicher Bereich ist der Objektinspektor. Darin sind zwei Register, wobei eines dazu dient die Eigenschaften des Formulars oder der ausgewählten Komponente zu ändern und das andere um der Komponente Events hinzuzufügen. Events, auch Ereignisse genannt, sind die eigentlichen Funktionen der Komponente, die ausgeführt werden, wenn mit der Komponente interagiert wird. Beim Erstellen eines Ereignisses wird der Quellcodeeditor geöffnet, der den gesamten Quellcode der Applikation beinhaltet. Darin wird automatisch eine vorgefertigte Methode zum erstellten Ereignis generiert. In dieser Methode wird dann die Funktionalität aus programmiert, die ausgeführt werden soll, wenn das Ereignis erfolgt. Des Weiteren befindet sich auf der rechten oberen Seite der Projektmanager. Dieser beinhaltet die einzelnen Dateien des Projektes und bietet die Möglichkeit zwischen den Quellcodedateien und den erstellten Formularen zu wechseln.[2] Abb. 3.1: Oberfläche der C++Builder Entwicklungsumgebung FH Kärnten Seite 15 von 35

16 Bachelorarbeit 3 Grundlagen der grafischen Programmierung Martin Ringswirth Für die grafischen Programmierung im C++Builder wird eine Software-Komponentenbibliothek eingebunden, die vom Embarcadero Technologies für die vereinfachte Entwicklung von Windows- Anwendungen erstellt wurde. Diese Komponentenbibliothek wird VCL (Visual Component Library) genannt und erfüllt eine ähnliche Aufgabe wie die MFC bei Visual Studio C++. Die meisten Softwarekomponente in der VCL kapseln eine Windwos-Softwarekomponente(z.B ein Button oder Texteingabefeld) und erweitert diese, sodass Ihnen noch mehr Funktionen zur Verfügung stehen. Wobei bei anderen einfach die Windows-Softwarekomponente ohne Erweiterungen kapseln, um diese bei der grafischen Programmierung verwenden zu können. Die Programmierung im C++Builder, unter der Verwendung der VCL, erfolgt objektorientiert, wobei alle Klassen von der TObject-Klasse abgeleitet sind. TObject führt als Basisklasse Methoden ein, die grundlegende Verhaltensweisen wie Erstellung, Freigabe und Botschaftsbehandlung implementieren. Die Interaktion zwischen Mensch und Computer erfolgt per Benutzereingaben über ein Eingabegerät, Standardmäßig über Mausklicks oder Tastatureingabe. Anders wie bei einfachen Win32-Applikationen, wo die Eingabe über spezielle Methoden wie scanf entgegengenommen wird, werden alle Eingaben direkt von Windows entgegengenommen und als Botschaften an das entsprechende Programm weitergereicht. Diese Botschaften lösen dann im jeweiligen Programm ein Ereignis aus, wo dann, wie oben beschrieben, die dazugehörige Methode aufgerufen wird und dessen Funktionalität ausgeführt wird.[3] Entwicklung mit Visual C# Studio 2010 auf Microsoft Windows Visual Studio ist eine integrierte Entwicklungsumgebung für verschiedene Hochsprachen und wurde vom Unternehmen Microsoft entwickelt. Die aktuelle Version unterstützt die Sprachen Visual Basic.NET, C, C++, C++/CLI, C# und F#. In diesem Abschnitt wird nur auf Visual C# eingegangen, welche auf die Programmiersprache C# basiert. C# ist eine objektorientierte Programmiersprache und unterstützt sowohl die Entwicklung von sprachunabhängigen.net-komponenten als auch COM-Komponenten für den Gebrauch mit Win32- Anwendungsprogrammen. Im Allgemeinen kann gesagt werden, dass Visual C# eine komfortable Entwicklungsumgebung ist, die viele Funktionalitäten beinhaltet. Als Beispiel dafür zählt hier das Ein- und Ausblenden von Codeblöcken, das highlighten von Schlüsselwörtern um diese im Code wieder zu finden, das automatische prüfen der Syntax und das sogenannte IntelliSense, was für die automatische Methodenergänzung während der Eingabe von Quellcode verantwortlich ist. Des Weiteren können ohne großen Aufwand COM-Komponenten oder ActiveX- Bibliotheken hinzugefügt werden. Weiters können in das Programm sogenannte Namespaces hinzugefügt werden. Dies sind Sammlungen von Klassen welche die Programmierung wesentlich erleichtern. Zum Beispiel ist der Namespace System.Windows.Forms ein Sammlung jener Klassen, welche zur Programmierung von Windows Formularen benötigt wird, wie z. B Menüs, Symbolleisten, Steuerelemente, Dialogfelder und vieles mehr.[4] Abbildung 3.2 zeigt die Benutzeroberfläche von Visual C# Studio 2010 zur grafischen Programmierung. Im Zentrum der Entwicklungsumgebung befindet sich ein Bereich in dem entweder die erstellte Form oder die geöffnete Quellcodedatei angezeigt wird. In der Abbildung wird hier die Form angezeigt, welche beim Start der Applikation angezeigt wird. Oben Rechts befindet sich die Toolbox. Diese Box beinhaltet alle Komponenten und Anzeigeelemente welche dieser Form hinzugefügt werden können. Die darin enthaltenen Elemente können können Drag and Drop Technik in der Form platziert werden. Mittels Rechtsklick auf die Toolbox und Elemente auswählen... öffnet sich ein Fenster zum Hinzufügen von neuen Steuerelementen zur Toolbox. Unterhalb der Toolbox befindet sich ein Bereich der die Eigenschaften (Properties) des ausgewählten Elements widerspiegelt. Darin kann z.b. die Größe, die Position, der Style, der Name, FH Kärnten Seite 16 von 35

17 Bachelorarbeit 3 Grundlagen der grafischen Programmierung Martin Ringswirth usw. eingestellt werden. Weiters kann in diesem Fenster, bei einem Klick auf das gelbe Blitz- Symbol, ein oder mehrere Events der ausgewählten Komponente hinzugefügt werden. Dabei wird automatisch eine Methode im Quellcodeeditor erzeugt, welche dann noch mit einer Funktionalität verseht werden kann/muss. Im ganz linken Fenster befindet sich der Solution Explorer. Dieser zeigt die aktuell geöffnete Solution mit den beinhaltenden Projekten und deren zugehörigen Dateien. Darin können per Rechtsklick neue Dateien hinzugefügt werden oder per Doppelklick eine Datei geöffnet werden, welche dann im Zentrum angezeigt wird. Im untersten Bereich befindet sich ein Fenster welches zwischen mehreren Anzeigeoptionen verfügt. In der Abbildung ist die Option Output gewählt. Darin wird angezeigt, ob bei der Kompilierung des Codes Fehler aufgetreten sind oder ob erfolgreich Kompiliert wurde. Eine weitere Option ist die Error List. Dabei werden im Fenster alle Fehler angezeigt welche im aktuellen Code, ohne Kompilierung, enthalten sind und in welcher Datei und Zeile der Fehler auftritt. [5] Abb. 3.2: Oberfläche der Visual C# Studio 2010 Entwicklungsumgebung Entwicklung mit Qt Creator auf Linux Qt Creator ist eine C++/Qt-Entwicklungsumgebung für die Betriebssysteme Linux, Mac OS X und Microsoft Windows. Die Entwicklungsumgebung selbst enthält keinen eigenen Compiler, sondern nutzt fremde Programme zum Erzeugen des Codes. Dadurch wird die plattformunabhängigen Programmierung möglich, wofür die Entwicklungsumgebung mit der eingebundenen Qt-Bibliothek auch gedacht ist. Die Qt-Bibliothek ist eine C++-Klassenbibliothek, mit deren FH Kärnten Seite 17 von 35

18 Bachelorarbeit 3 Grundlagen der grafischen Programmierung Martin Ringswirth Hilfe die erzeugten Projekte auf den Betriebssystemen Linux, Mac OS X und auch Microsoft Windows lauffähig sind, ohne Änderungen am Quellcode vornehmen zu müssen. Sie ist in einzelne Module gegliedert, um bei kleineren Anwendungen nicht die gesamte Bibliothek einbinden zu müssen, aber bei Bedarf auf Klassen zurückgreifen zu können, um z.b ActiveX zu verwenden. Für die grafische Programmierung verwendet die Qt-Bibliothek eine eigene Zeichenengine und Steuerelemente. So werden die Fenster und Steuerelemente der unterschiedlichen Betriebssysteme simuliert, was das Portieren der Anwendung wesentlich erleichterte. Es können aber auch die betriebssystemeigenen Routinen zum Zeichnen der Elemente verwendet werden. Der verwendete Style kann in der Entwicklungsumgebung selbst eingestellt werden.[6] Abbildung 3.3 gibt einen Einblick in die Benutzeroberfläche der Entwicklungsumgebung in Linux. Im Zentrum befindet sich der Bereich, der das Formular darstellt, welches entwickelt wird. Darin sind in der Abbildung bereits Steuerelemente eingefügt. Alle Steuerelemente werden auch im Bereich rechts oben, mit ihrem übergeordneten Element, angezeigt. Dadurch wird der strukturelle Aufbau des Formulars leichter erkennbar. Unter diesem Bereich werden die Eigenschaften des ausgewählten Elements angezeigt und können dort auch verändert werden. Links neben dem angezeigten Formular befindet sich ein Bereich, der die Elemente beinhaltet, welche im Formular platziert werden können. Abb. 3.3: Oberfläche der Qt Creator Entwicklungsumgebung FH Kärnten Seite 18 von 35

19 Bachelorarbeit 3 Grundlagen der grafischen Programmierung Martin Ringswirth 3.3. Wahl der Entwicklungsumgebung und der Programmiersprache In den ersten Wochen des Projektes wurde beschlossen, dass der Industrie Computer, der am Roboter angebracht ist und die vollständige Regelung und Steuerung der Aktoren über hat, mit dem Betriebssystem Microsoft Windows 7 aufgesetzt wird. Des Weiteren wurde festgelegt, dass der Datenaustausch zwischen dem Roboter und der GUI-Anwendung über eine TCP/IP Verbindung erfolgt und dazu die von Microsoft Windows zur Verfügung gestellte Funktionsbibliothek Winsock (Windows Sockets)verwendet wird. Aus diesem Grund wurde die Auswahlmöglichkeit zwischen den oben beschriebenen Möglichkeiten auf die Entwicklungsumgebungen C++Builder und Visual C# Studio reduziert, da diese einen einfacheren, vollständigen Zugriff auf die Windowsfunktionen bieten. Die Wahl fiel, nach Rücksprache mit den Projektteam und Projektleiter, auf die Programmierung mit Visual Studio 2010 in der Programmiersprache C#. Begründet wird diese Entscheidung mit mehreren Aspekten. Zum Ersten ist eine Lizenz für die Entwicklungsumgebung auf der FH-Kärnten vorhanden, wodurch keine zusätzlichen Kosten anfallen. Um den C++Builder verwenden zu können, hätte erst eine Lizenz besorgt werden müssen. Weiters wurde im Rahmen der Vorlesungen bereits Visual Studio verwendet, wodurch der Umgang mit der Entwicklungsumgebung bekannt und lediglich die Umstellung von C++ auf C# überwunden werden muss. Wobei aber das Erlernen der Programmiersprache C# keine große Herausforderung stellen sollte, da sie der Hochsprache C++ ähnlich ist. Ein weiterer ausschlaggebender Punkt der für Visual C# Studio 2010 spricht ist, dass dies weiter verbreitet ist und es dazu mehr Informationen sowohl im Internet als auch in Büchern gibt. FH Kärnten Seite 19 von 35

20 Bachelorarbeit 4 Realisierung Martin Ringswirth 4. Realisierung Dieses Kapitel befasst sich mit der praktischen Arbeit am Projekt Entwicklung einer grafischen Benutzeroberfläche für einen RoboCup Rescue Roboter. Der erste Bereich beschreibt das Konzept der kompletten Anwendung, gibt Einblick in zwei Lösungsmöglichkeiten zur Darstellung der grafischen Oberfläche und argumentiert die Auswahl einer der beiden Lösungsmöglichkeiten. In den nachfolgenden Bereichen wird die Vorgehensweise bei der Programmierung der GUI-Anwendung dargelegt und beschrieben Konzepte Wie in der Aufgabenstellung beschrieben (vgl. Kapitel 2), muss die Anwendung bestimmten Anforderungen entsprechen. Diese Anforderungen werden um eigene Voraussetzungen erweitert. Diese Voraussetzungen betreffen sowohl die Steuerung des Roboters, als auch die Anzeigeelemente der grafischen Oberfläche. Dem Benutzer soll in der grafischen Benutzeroberfläche eine Leiste von Short-Cut-Icons zur Verfügung stehen, welche die komplexen Bewegungsabläufe abbilden, die der Roboter per Tastendruck ausführen kann. Die Anzahl dieser Short-Cut-Icons wird auf 8 Symbole beschränkt, um die Übersicht zu gewährleisten. In einem weiteren Bereich sollen die aktuellen Füllstände, der drei im Roboter verwendeten Akkumulatoren angezeigt werden. Dies wird benötigt, damit der Benutzer einen Überblick hat wie lange er den Roboter noch navigieren kann. Denn sobald einer der drei Akkus unter einen kritischen Punkt fällt, wird das System heruntergefahren. Als Eingabegerät zur Steuerung des Roboters soll ein Joystick verwendet werden. Damit wird die Navigation vereinfacht, da der Benutzer über die Y-Achse die Geschwindigkeit nach vorne und hinten regeln kann und mit der X-Achse den Kurvenradius einstellen kann. Die Z-Achse des Joysticks wird für Drehung am Stand, um die eigene Achse des Roboters, verwendet. Weiters soll der Joystick über möglichst viele Tasten verfügen, um möglichst viele Funktionen per Tastendruck ausführen zu können. Z.B soll für jeden Short-Cut-Befehl eine Taste am Joystick vorhanden sein. Genauere Beschreibung der Funktionalität des Joysticks wird in Kapitel 4.3 gegeben. Die Kommunikation zwischen dem Roboter und dem Laptop wird über eine TCP/IP Verbindung realisiert. Diese Variante wurde gewählt weil sie eine relativ einfache Form der Netzwerkkommunikation unterstützt. Die Schnittstellen werden durch Sockets gebildet, dies sind Software-Module welche für den Datenaustausch am Computer bereitgestellt werden. Die Verbindung selbst wird jeweils unidirektional durchgeführt. Dies bedeutet, dass die GUI Anwendung zwei Clients besitzt, wobei einer für das Senden der Steuerdaten zuständig ist und der andere für das Empfangen der Sensordaten. Die Daten werden über 8 Bit breite Byte-Arrays übertragen.[7] Deshalb muss auf beiden Seiten eine Konvertierung der Datentypen zum Byte- Array und eine Rückkonvertierung vom Byte-Array zum erwarteten Datentyp erfolgen. Dies wird in Abbildung 4.1 visuell dargestellt. FH Kärnten Seite 20 von 35

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