Arduino助力“跳一跳”

裘炯涛 谢作如

2017年岁末，最热门的游戏莫过于微信的“跳一跳”了（如图1）。游戏的规则很简单，游戏中的小人要从一个方块跳到下一个方块上，玩家通过按压屏幕时间的长短来控制这个小人跳跃的距离，确保每次都能让小人落到下一个方块上，如能跳到方块正中心还会有额外加分。

元旦假期，笔者也尝试挑战了这个游戏，但是屡试屡败，得分很少能超过五十分。看着朋友圈里的好友都能跳到两三百分，笔者深觉自己有点笨手笨脚。作为学校的创客教育导师，稍作思考后，笔者就准备利用Arduino来挑战“跳一跳”高分榜。

游戏分析

在“跳一跳”游戏中，小人要从当前方块跳跃到下一个方块的关键是控制跳跃距离。玩家通过按压屏幕蓄力，按压越久，蓄力越多，跳得也就越远。经过测试后，笔者发现按压时间长短和跳跃距离呈线性关系。要获得游戏高分，得设计一个可以替代人的手指，并能够精确控制按压屏幕时间的小装置，也就是常说的“物理外挂”。

解决方案设计

人可以区分1秒与2秒的时间差，而区分10毫秒与20毫秒却很难，但是用Arduino之类的单片机来实现精确控制就很容易。看了看创客空间的设备，笔者设置了一个大致的方案：

在舵机上绑定一支电容笔，用Arduino控制舵机按压屏幕，按压一定时间后抬起舵机，小人就可以跳到一定距离之外。而按压时间根据需要跳跃的距离来推算，跳跃距离可以用尺子测量，并用旋钮传感器将距离输入Arduino。Arduino将距离转化成对应的按压时间，最后用一个按钮来控制舵机执行这一按压动作，所需元件如图2所示。

步骤一：模拟手指

现在市面上的智能手机的屏幕绝大多数都是电容屏，电容触摸笔是专门为手机、平板电脑设计的触摸手写笔，使用触摸笔是最好的选择（如图3）。可以将电容笔固定在舵机臂上，用舵机带动电容笔按压手机屏幕。

电容笔是最理想的选择，但是手头如果没有电容笔，还可以用导电铜箔或者导电胶布来代替。导电铜箔具有良好的导电性（如下页图4），将导电铜箔一端固定在舵机上，导电铜箔另一端与手指接触。在舵机带动下用铜箔按压手机屏幕，通过导电铜箔的连接，相当于手指按压了屏幕。

步骤二：搭建结构

笔者找了个纸盒做这一装置的平台，盒子上面放了各种元件，Arduino等可以放在盒子中间，尽量让这个“外挂”看起来比较像个作品，命名为“跳一跳游戏盒子”。

先将手机放在纸盒中间，确定各元件安装位置（如图5）。

将LCD1602显示屏倒扣在纸盒上，用铅笔沿着显示屏画出轮廓（如图6）。

将LCD1602显示屏和旋钮传感器安装在孔位中，并用热熔胶进行固定（如图7）。

在舵机安装前，先垫高约1厘米的纸板，将舵机安装位置提高到与手机屏幕齐平的高度。然后用热熔胶将舵机固定在纸板上，将舵机臂安装到舵机上，由于舵机的塑料臂比较短，可以使用长约6厘米的雪糕棍进行延长（如图8）。

在雪糕棍上安装一个竖直向下的竹签，竹签末端安装一个水平2厘米左右的雪糕棍，用于模拟手指，雪糕棍表面要正好能触碰到手机屏幕（如图9）。

在雪糕棍上缠绕导电铜箔，为了保证导电铜箔能与手机屏幕充分接触，可以将接触面做大且压平，然后将导电铜箔引出15厘米左右，用于跟人手指接触（如下页图10）。

用一只手抓住导电铜箔一端，让模拟手指去接触手机屏幕，观察是否有反应。如果有反应说明模拟手指能实现功能，如果触摸效果不佳，检查导电铜箔是否缠绕牢固，接触面是否够大。

步骤三：电路连接

将各元件连接到主控板对应管脚，传感器与管脚对应关系如下页表1所示。

将主控板安装在纸盒内部，并连接好各元件，用热熔胶将按钮固定在盒子侧面。主板的供电可以使用9V电池，也可以在盒子侧面打孔，使用USB线连接到外部电源（如下页图11）。

步骤四：计算时间与距离的关系

我们虽然已经分析出按压时间越久，跳跃距离越大，但是并不知道两者之间的具体关系，这还需要通过编程来测试。

编写测试程序，当按钮按下后，舵机转动，带动模拟手指按压屏幕，并保持一定时间后弹回，程序如下页图12所示。

以小人身体的尾部作为起点，沿着两个方块边缘平行的方向测量，终点为下一个方块的中心点（如下页图13）。

根据测量出的距离先估计按压时间，然后将时间赋值给变量time，上传程序并跳跃，再测量出实际跳跃距离，经过几轮测试，得出表2数据。

将以上数据输入到Excel表格中，用表格中数据绘制散点图，并画出线性趋势线，得到按压时间与跳跃距离的关系式为distance=0.0517time-10.952，经转换time=（distance+10.952）/0.0517。注意：这个公式是根据笔者的5寸屏幕手机测得的数据，不同尺寸的手机测得数据不同，公式也会不同（如图14）。

步骤五：实现距离数据的输入

经过几轮游戏测试与测量，小人跳跃距离的范围在10mm～50mm之间。距离输入可以使用旋钮傳感器，旋钮传感器原本的输入范围是0～1023，而现在需要输入的距离为10mm～50mm，因此可以使用映射模块将数据范围进行转化，再利用LCD1602屏幕将跳跃距离和按压时间都实时显示出来，完整程序如下页图15所示。

游戏盒子的使用测试

“跳一跳游戏盒子”制作完成后，就可以进行使用测试了。在手机上启动游戏，并将手机放在盒子上，用尺子量出当前小人的位置到下一个方块中心点的距离。在盒子上用旋钮传感器调节跳跃距离，LCD1602上会显示跳跃距离及对应的按压时间，调节完成后按下起跳开关，舵机就会带着模拟手指转动，在屏幕上按压一定时间后抬起，小人完成了完美的一跳。利用这个装置，笔者成功地拿到了1000多分，高居朋友圈游戏排行榜的榜首。

小结

制作完成创客作品后，笔者把使用该盒子玩“跳一跳”游戏的视频发到了朋友圈。有人点赞，有人挑战，还有人说这是作弊，其实这个作品最重要的价值不是帮笔者拿到游戏高分，而是告诉更多的人：对于一些有规律、重复性强的工作，机器比人类更专业，可以比人类做得更好。不是吗？紧跟笔者发布这个作品的前后，好多工程师都发布类似的“物理外挂”，大疆工程师甚至用摄像头来做视角识别，让更多的人知道了人工智能并不遥远，而是“近在身边”。

2017年被媒体誉为“人工智能”元年。在这一年里，我们不断看到机器在越来越多的领域战胜了人类。毋庸置疑，在接下来的时间里，机器将更深入、更全面进地入人们的生活。未来已来，中小学教育亟待改革，让我们从创客教育开始做起吧！