Zooids：构建群体用户界面的积木

项目介绍

Zooids 是一个开源的开放硬件平台，旨在开发桌面群体用户界面（Swarm User Interfaces）。群体用户界面是一种新型的人机交互界面，由许多自主机器人组成，这些机器人不仅负责显示信息，还处理交互任务。Zooids 平台由一组定制设计的微型轮式机器人、一个无线基站、一个用于光学跟踪的高速 DLP 结构光投影仪以及一个用于应用程序开发和控制的软件框架组成。通过一系列使用 Zooids 开发的应用场景，我们展示了桌面群体用户界面的潜力，并讨论了群体用户界面独特的设计考虑因素。

项目技术分析

硬件

Zooids 机器人是直径为 26 毫米、高度为 21 毫米、重量约为 12 克的微型机器人。每个机器人由一个 100 mAh 的锂聚合物电池供电，并使用电机驱动的轮子进行移动。机器人内部包含一个柔性电极，用于电容触摸感应，并通过 NRF24L01+ 芯片与主计算机通信。

跟踪系统

Zooids 使用基于投影仪的跟踪系统来定位机器人。该系统利用德州仪器公司的高帧率（3000Hz）DLP LightCrafter 投影仪，将一系列灰度编码图案投影到平面上。机器人上的光电二极管独立解码这些图案，从而确定其在投影区域内的位置。

软件架构

Zooids 的通信结构由四个主要层次组成：应用程序层、仿真层、服务器层和硬件层。在应用程序层，计算出机器人的期望位置，并通过网络套接字传输到仿真层。应用程序开发者可以选择两种控制策略：比例-积分-微分（PID）位置控制或结合 PID 的混合互惠速度障碍（HRVO）。仿真层根据选择的控制策略计算机器人的目标位置，并将其发送到服务器层。服务器层负责向单个 Zooids 发送命令，同时监控它们的状态和位置。

每个机器人通过基于状态机的 PID 控制器独立控制其运动。机器人首先调整方向，然后加速到用户定义的偏好速度。在达到速度后，机器人通过 PID 控制保持方向，确保朝向最终目标。当接收到新的增量目标时，机器人将继续以相同速度移动，但 PID 控制将引导机器人朝向新的中间目标。当机器人接近最终目标时，它会减速并最终停止。

项目及技术应用场景

Zooids 平台适用于多种应用场景，特别是在需要动态、分布式用户界面的领域。例如：

• 协作工作空间：多个 Zooids 机器人可以在桌面上移动，显示不同的信息或任务，帮助团队成员协作完成任务。
• 教育与培训：Zooids 可以用于模拟复杂的系统或过程，帮助学生理解动态变化的概念。
• 互动艺术装置：艺术家可以利用 Zooids 创建动态的、互动的艺术装置，吸引观众的注意力。

项目特点

• 开源与开放硬件：Zooids 平台完全开源，硬件设计也开放，允许开发者自由定制和扩展。
• 高精度跟踪：基于 DLP 投影仪的高速跟踪系统，确保机器人的位置精度。
• 灵活的控制策略：支持 PID 和 HRVO 两种控制策略，适应不同的应用需求。
• 模块化设计：Zooids 的模块化设计使得扩展和集成新功能变得简单。

通过 Zooids，开发者可以轻松构建复杂的群体用户界面，为用户提供全新的交互体验。无论是在协作工作、教育培训还是艺术创作中，Zooids 都能发挥其独特的优势，带来创新的解决方案。

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