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10:Robot PU与小黄人

课程：Robot PU小黄人合唱四重奏（通过无线电通道的4个音轨）​

引言​

本课将四台Robot PU变成一个"小黄人合唱四重奏"。

每台机器人演奏一个声部，声部根据机器人的无线电通道编号自动选择。

你可以排好多个Robot PU，通过更改通道快速分配不同的声部。

知识点：​

https://makecode.microbit.org/reference/radio

https://en.wikipedia.org/wiki/Synchronization_(computer_science)

问题定义​

我们希望一种简单的方式来协调多台机器人：

  • 每台Robot PU恰好演奏4个歌曲声部中的一个
  • 选择是确定性的且易于配置
  • 机器人可以共享相同的代码，但根据其无线电通道表现出不同的行为

基本解决思路​

  • 4个音轨： 实现 track1()、track2()、track3()、track4()。
  • 通道→音轨映射： 使用：trackIndex = robotPu.channel() % 4，将通道映射如下：
    • channel % 4 == 0 → track1
    • channel % 4 == 1 → track2
    • channel % 4 == 2 → track3
    • channel % 4 == 3 → track4
  • 快速分配： 使用按钮更改无线电通道，然后按标志按钮开始演唱映射的声部。

实现​

将此程序复制到你的MakeCode JavaScript 编辑器中。

运行前注意事项：

  • 按钮A增加通道。
  • 按钮B减少通道。
  • 标志按钮启动由 channel % 4 选择的歌声。
  • robotPu.greet() 初始化Robot PU。
function track3 () {
   music.rest(music.beat(BeatFraction.Breve))
   // ... (大量 music.playTone 内容保持不变)
   started = 0
}

function track4 () {
   started = 1
   // ... (大量 music.playTone 内容保持不变)
   started = 0
}
function track1 () {
   music.rest(music.beat(BeatFraction.Breve))
   // ... (大量 music.playTone 内容保持不变)
   started = 0
}
function track2 () {
   music.rest(music.beat(BeatFraction.Breve))
   // ... (大量 music.playTone 内容保持不变)
   started = 0
// 按按钮B向后转圈行走
input.onButtonPressed(Button.B, function () {
   robotPu.changeChannel(-1)
})
// 监听无线电键值对命令
radio.onReceivedValue(function (name, value) {
   robotPu.runKeyValueCommand(name, value)
})
// 按标志按钮使用set mode跳舞
input.onLogoEvent(TouchButtonEvent.Pressed, function () {
   track = robotPu.channel() % 4
   if (track == 0) {
       track1()
   } else if (track == 1) {
       track2()
   } else if (track == 2) {
       track3()
   } else {
       track4()
   }
})
let track = 0
let started = 0
// 通过问候初始化机器人
robotPu.greet()

示例程序可从 https://makecode.microbit.org/S24031-00421-18959-80697 下载

完整四重奏原声模板（男高音/口哨/男中音/贝斯）​

本节提供一个可运行的四重奏"原声"模板（4个独立声部），使用 music.playTone(...)。

使用的映射：

  • track = 0 = 男高音独奏（旋律）
  • track = 1 = 口哨
  • track = 2 = 男中音
  • track = 3 = 贝斯

使用的速度/时间设置：

  • music.setTempo(...)（参见下方MIDI注释）
  • 时长以毫秒表示在 tracksDursMs[] 中

要将此与上述同步方法一起使用：

  • 保留现有的 radio 处理程序。
  • 将你想要的音符序列填入 tracksFreqs[] 和 tracksDursMs[]。

继续转录工作流程（可重复）：

对于每个声部（男高音/口哨/男中音/贝斯），逐小节进行。 对于每个小节，追加到 tracksFreqs[trackId] 和 tracksDursMs[trackId]。 使用频率 0 表示休止。

robotPu.setChannel(166)
// 在此处设置你的速度。下面的MIDI提取脚本使用此BPM将tick转换为毫秒。
music.setTempo(120)
music.setVolume(255)
let track = 0
let started = 0

function playTrack(freqs: number[], dursMs: number[]) {
    for (let i = 0; i < freqs.length; i++) {
        if (freqs[i] <= 0) music.rest(dursMs[i])
        else music.playTone(freqs[i], dursMs[i])
    }
}

// (... 完整的 tracksFreqs 和 tracksDursMs 数组保持不变 ...)

function playSelectedTrack () {
    const n = tracksFreqs.length
    if (n <= 0) return
    const idx = ((track % n) + n) % n
    started = 1
    playTrack(tracksFreqs[idx], tracksDursMs[idx])
    started = 0
}

// (... 其余代码保持不变 ...)

也可以从此处下载：https://makecode.microbit.org/_fq9VkJYgY8qM

上传到4台Robot PU的micro:bit。按micro:bit的按钮A或B将每台Robot PU的音轨设置为0,1,2,3。

然后将此游戏手柄程序加载到游戏手柄的micro:bit：https://makecode.microbit.org/_Lp31Ec4tXXM8

当你将游戏手柄面朝下时，4台Robot PU的合唱将开始。

使用GenAI为任何四重奏歌曲生成 freqs[] + durs[]​

只需在Microsoft Copilot中使用以下提示：

let tracksFreqs: number[][] = []

let tracksDursMs: number[][] = []​

提示：生成一个约60秒的合唱四重奏，类似于小黄人香蕉歌。使用javascript，将频率打包为tracksFreqs作为number[][]，将持续时间打包为tracksDursMs作为number[][]

然后，从Copilot输出中复制粘贴代码以替换上面的代码。

以下是示例。

// (... 完整的示例代码保持不变，包含男高音/口哨/男中音/贝斯四声部 ...)

另一个示例：

// (... 第二个完整的示例代码保持不变 ...)

从MIDI文件生成 freqs[] + durs[]（推荐）​

如果你的项目根目录中有 Minions Banana Song.mid，你可以直接从MIDI生成可粘贴的数组。

此仓库中的MIDI有4个音轨（每个通道一个）：

Track 0: 电钢琴（经典） Track 1: 大钢琴 Track 2: 音乐盒 Track 3: 原声吉他（经典） 建议的四重奏声部映射：

男高音独奏 = Track 3（原声吉他） 口哨 = Track 2（音乐盒） 男中音 = Track 0（电钢琴） 贝斯 = Track 1（大钢琴） 在本地运行以下命令以打印可粘贴到 tracksFreqs[] / tracksDursMs[] 的数组：

.venv/bin/python - <<'PY'
import mido
// (... Python MIDI 提取脚本保持不变 ...)
PY

注意：

  • 此提取是单声道的（一次一个音符）。如果MIDI音轨包含和弦，将保留最高的音符。
  • 如果你想要不同的映射，在 mapping 中交换音轨编号。

技术解释​

A. 为什么"channel % 4"有效

robotPu.channel() 返回当前无线电组ID。

使用取模运算：

  • 保持映射稳定
  • 允许你使用任何通道号（0–255）
  • 保证你始终落在4个音轨之一

这是在相同设备间分配角色的常用技术。

B. 音轨如何触发

代码仅在你按下标志按钮时触发音轨：

  • 读取 robotPu.channel()
  • 计算 track = channel % 4
  • 根据值调用 track1..track4()

按钮A/B只更改通道；它们不开始演唱。

C. 无线电监听器

此程序还注册了：

  • radio.onReceivedString(...) → robotPu.runStringCommand(...)
  • radio.onReceivedValue(...) → robotPu.runKeyValueCommand(name, value)

因此你可以在准备四重奏的同时通过无线电控制Robot PU。

测试​

A. 单机器人测试

将程序烧录到一台Robot PU。

按A几次更改通道。

按标志按钮开始演唱。

验证当 channel % 4 变化时你得到不同的音轨。

B. 四重奏测试（4台机器人）

  • 将相同的程序烧录到4台Robot PU。

  • 将每台机器人设置为不同的通道组，使 channel % 4 不同：

    • 机器人1：通道0（track1）
    • 机器人2：通道1（track2）
    • 机器人3：通道2（track3）
    • 机器人4：通道3（track4）

  • 按每台机器人的标志按钮开始各自的声部。

提示：

  • 如果音轨开始时间很重要，尝试倒数并一起按下标志按钮。

后续步骤​

  • 通过无线电同步开始时间
    • 从控制器micro:bit广播单个"START"消息
    • 所有机器人在收到消息时开始各自的音轨
  • 添加编舞
    • 在节拍边界调用 robotPu.dance() / robotPu.walk(...) 让合唱看起来更生动
  • 添加指挥界面
    • 一个独立的micro:bit用于分配通道并广播开始/停止命令

同步方法（实用选项）​

当多台机器人必须一起开始一首歌时，有几种常见的同步策略。每种在复杂度与精度之间都有权衡。

A. 手动倒数（最简单）

  • 有人数"3, 2, 1, 开始"，所有人按下标志按钮。

  • 适用于演示，但人类会引入较大的计时误差。

B. 无线电START触发（好）

  • 指挥micro:bit发送单个无线电消息如 START。

  • 每台机器人在收到消息时开始。

  • 比人类好，但机器人之间仍可能有小的到达时间差异。

指挥代码（发送START）

radio.setGroup(166)

input.onLogoEvent(TouchButtonEvent.Pressed, function () {
    radio.sendString("START")
})

机器人代码（接收时开始）

将此粘贴到四重奏程序底部附近（注册无线电处理程序的地方）。

radio.setGroup(166)

radio.onReceivedString(function (msg: string) {
    if (msg == "START") {
        // 选择角色并立即开始
        track = robotPu.channel() % 4
        if (track == 0) track1()
        else if (track == 1) track2()
        else if (track == 2) track3()
        else track4()
    }
})

C. 按时间戳开始（micro:bit上最佳）​

  • 指挥发送未来开始时间，如 startAt = control.millis() + 800。
  • 每台机器人等待直到自己的 control.millis() 达到 startAt 才开始。
  • 即使无线电数据包到达时间略有不同，机器人仍能一起开始。

为什么比 START 更好：

  • 无线电数据包传递时间会变化。共享的未来时间戳使开始时间具有确定性。
  • 你还可以在开始前发送速度和其他"设置"。

最小指挥示例：

radio.setGroup(166)

input.onLogoEvent(TouchButtonEvent.Pressed, function () {
    const startAt = control.millis() + 800
    radio.sendValue("startAt", startAt)
})

最小机器人示例：

radio.setGroup(166)
let startAt = -1

radio.onReceivedValue(function (name: string, value: number) {
    if (name == "startAt") {
        startAt = value
        control.inBackground(function () {
            while (control.millis() < startAt) {
                basic.pause(5)
            }
            track = robotPu.channel() % 4
            if (track == 0) track1()
            else if (track == 1) track2()
            else if (track == 2) track3()
            else track4()
        })
    }
})

D. 速度/节拍一致（重要）​

即使同步开始了，如果机器人不共享相同的速度，它们也可能漂移。

  • 指挥广播速度如 bpm=120。
  • 机器人在开始前调用 music.setTempo(bpm)。

指挥代码（广播BPM）

radio.setGroup(166)
let bpm = 120

input.onButtonPressed(Button.A, function () {
    bpm += 5
})

input.onButtonPressed(Button.B, function () {
    bpm -= 5
})

input.onLogoEvent(TouchButtonEvent.Pressed, function () {
    bpm = Math.max(60, Math.min(200, bpm))
    radio.sendValue("bpm", bpm)
})

机器人代码（应用BPM）

let bpm = 120

radio.onReceivedValue(function (name: string, value: number) {
    if (name == "bpm") {
        bpm = value
        music.setTempo(bpm)
    }
})

提示：

  • 如果你使用按时间戳开始，先发送 bpm，再发送 startAt。

E. 重同步/"小节信标"（可选）​

对于长歌曲，你可以定期广播"小节编号"或"拍号"，以便所有人可以纠正漂移。

简单模式：

  • 指挥每小节发送一个 barStartAt 时间戳。
  • 机器人重新对齐到最新的 barStartAt（小幅修正）并继续。

指挥代码（小节信标循环）

radio.setGroup(166)

let bpm = 120
let running = false

function barMs(): number {
    return Math.idiv(60000, bpm) * 4
}

input.onLogoEvent(TouchButtonEvent.Pressed, function () {
    running = !running
})

basic.forever(function () {
    if (!running) {
        basic.pause(50)
        return
    }

    const now = control.millis()
    const barStartAt = now + 200
    radio.sendValue("barStartAt", barStartAt)
    basic.pause(barMs())
})

机器人代码（使用小节信标）

let barStartAt = -1

radio.onReceivedValue(function (name: string, value: number) {
    if (name == "barStartAt") {
        barStartAt = value
    }
})

// 在你的音轨代码中，偶尔检查 barStartAt 并修正时间。
// 一种简单的方法是在开始 *下一* 乐句/小节之前等待 barStartAt。

注意：

如果你也将音轨代码变成"小节感知"（拆分为乐句），重同步最有用。 对于这个四重奏示例（预写的 music.playTone(...) 序列），重同步更难，除非你将音轨重构为小节大小的块。

F. 领导者/跟随者（指挥）模式​

如果你想让一台机器人充当"领导者"而不是单独的指挥micro:bit：

  • 选一台Robot PU作为领导者。
  • 领导者广播 bpm 和 startAt。
  • 跟随者监听并开始。

领导者可以通过通道选择，例如：

  • 如果 robotPu.channel() % 4 == 0 则为领导者

领导者代码片段（广播）

radio.setGroup(166)
let bpm = 120

function amLeader(): boolean {
    return (robotPu.channel() % 4) == 0
}

input.onLogoEvent(TouchButtonEvent.Pressed, function () {
    if (!amLeader()) return
    radio.sendValue("bpm", bpm)
    radio.sendValue("startAt", control.millis() + 800)
})

跟随者使用上述方法C/D中显示的相同接收逻辑。

同步的小黄人合唱：一个指挥+多台Robot PU​

在这种模式中：

  • 所有Robot PU运行相同的四重奏代码。
  • 每台机器人使用 track = robotPu.channel() % 4 选择其声部。
  • 一个指挥micro:bit同时启动所有机器人。

A. 指挥micro:bit代码（广播速度+startAt）​

将此烧录到你的指挥（游戏手柄micro:bit或任何micro:bit）。

radio.setGroup(166)

let bpm = 120

input.onButtonPressed(Button.A, function () {
    bpm += 5
})

input.onButtonPressed(Button.B, function () {
    bpm -= 5
})

// 按标志按钮一起启动所有人
input.onLogoEvent(TouchButtonEvent.Pressed, function () {
    bpm = Math.max(60, Math.min(200, bpm))
    radio.sendValue("bpm", bpm)

    // 未来一点时间开始，让所有机器人都能收到数据包
    const startAt = control.millis() + 800
    radio.sendValue("startAt", startAt)
})

B. Robot PU代码更改（监听startAt）​

将此接收器逻辑添加到四重奏程序中（靠近注册无线电处理程序的底部）。它将同步启动正确的音轨。

let startAt = -1
let bpm = 120

radio.onReceivedValue(function (name: string, value: number) {
    // 保留现有的:
    // robotPu.runKeyValueCommand(name, value)

    if (name == "bpm") {
        bpm = value
    } else if (name == "startAt") {
        startAt = value
        control.inBackground(function () {
            // 在开始前应用共享速度
            music.setTempo(bpm)

            // 等待直到约定的开始时间
            while (control.millis() < startAt) {
                basic.pause(5)
            }

            // 选择角色并开始该声部
            track = robotPu.channel() % 4
            if (track == 0) track1()
            else if (track == 1) track2()
            else if (track == 2) track3()
            else track4()
        })
    }
})

注意：

  • control.inBackground(...) 防止无线电回调阻塞。
  • 使用 startAt 比"接收时立即开始"更可靠。
  • 如果你已经使用 radio.onReceivedValue 进行 robotPu.runKeyValueCommand(...)，将逻辑合并到一个处理程序中。

测试清单​

  • 将四重奏代码烧录到所有Robot PU。
  • 设置每台机器人的通道使 channel % 4 覆盖 0,1,2,3。
  • 将指挥代码烧录到控制器micro:bit。
  • 在指挥上按标志按钮，确认所有机器人同时开始。