学生要把自己做出来的反应式机器人变得靠得住。他们会明白，调试就是弄清楚实际结果为什么和预期结果不一样，而问题一共分三大类：机械类（某个实体部件出了岔子）、程序类（指令写错了或漏了）和传感器类（读数、阈值或校准不对）。他们要在专门设计的调试任务里练手，认识变量和计数器这两样用来存放和跟踪数值的工具，还要做可靠性试验：把同一件任务做三遍，逐次记录预期与实际，用来证明机器人是真的管用。
这一周结束时，你将能够
- 把调试解释成：弄清楚实际结果为什么和预期结果不一样
- 从症状分辨出机械、程序和传感器三类问题
- 在程序里用变量或计数器来存放或跟踪一个数值
- 做一次可靠性试验：把同一件任务做三遍，并记录预期与实际
- 诊断一台不听话的机器人，并说明该怎么修
学习
调试到底是在做什么
每次运行程序，你脑子里都装着两个结果：预期结果（「应该」发生什么）和实际结果（「确实」发生了什么）。两者对得上，机器人就是正常的。对不上，就说明有问题，而调试就是那种查明它们为什么不一致的侦探工作。
会调试的人不会瞎捣鼓机器人：他们把预期和实际摆在一起比对，仔仔细细看症状，并且每次只改一样东西，好弄清楚到底是哪一改起了作用。
例如：预期：在墙前停住。实际：撞上了墙。-> 有问题要查。; 预期：左转。实际：右转了。-> 拿积木块和你的本意对一对。
问题的三大家族
问题一共分三大家族，能叫出是哪一族，事情就成了一半。机械问题是机器人身体上的实体故障：轮子松了、线缆拖在地上、齿轮打滑。程序问题是指令上的错误：数字写错、少了一块积木，或者积木顺序不对。传感器问题是感知上的毛病：读数不好、阈值设成了错误的数值，或者传感器该校准了。
诀窍是先看症状、先猜家族。如果机器人每一次都以完全一样的方式出错，问题多半在程序里。如果它有时好使、有时不好使，那就怀疑是机械上的毛病，或者传感器读数不稳。
例如：机械：轮子松了，机器人往一边偏。; 程序：数字写错了，机器人转了 2 秒而不是 1 秒。; 传感器：距离阈值太小了，机器人怎么也不停。
变量和计数器：存放并跟踪数值
有时候程序需要记住一个数字。变量就是一个有名字的小盒子，里面装着一个值，而这个值在程序运行时可以变。计数器是一种专门用来计数的变量：它从零开始，每发生一次事情就加一，比如机器人每躲开一个障碍物就加一。
变量也用来存放校准值：那些你只测一次、然后保存起来的数字，好让传感器的读数含义正确。把一个值存起来，意味着你以后可以取用它、修改它、核对它，而不用靠猜。
例如：每躲开一个障碍物就加 1 的计数器。; 为白色地板的亮度存下来的一个校准值。; 一个记着循环已经跑了多少圈的变量。
可靠性：用反复试验来证明
只成功过一次的机器人，说不定只是运气好。可靠性指的是一遍又一遍正确完成同一件活儿，而且没有证据你就不能这么宣称。证据就是可靠性试验：你把同一件任务跑好几遍，每一遍都用同样的测试用例，并且每一遍都写下预期结果和实际结果。
如果三次运行都和你的预期一致，那么在这个测试用例上机器人就是可靠的。如果有一次跑得不一样，你就抓到了一个明明摆在眼前却没被发现的问题，而那次失败的运行，正是你需要的线索。
例如：从同一个起点把「在墙前停住」这件任务跑 3 遍，每一遍都记下来。; 预期三次都是「停住」；实际是「停住、停住、撞上」，说明第 3 次运行有问题。
要认识的词
- 调试:
- 弄清楚机器人的实际结果为什么和预期结果不一样，然后把它修好，这整个过程就叫调试。
- 变量:
- 程序里一个有名字的存放处，里面的值在程序运行过程中可以改变。
- 计数器:
- 一个用来计数的变量：它从某个数字开始，每发生一次事情就加一。
- 存放的值:
- 程序放在变量里的一个数字或信息，方便日后取用或修改。
- 校准值:
- 你测出来并保存下来的一个数字，好让传感器的读数含义正确，比如白色地板的亮度值。
- 预期结果:
- 程序运行正确时「应该」发生的事，也就是你在测试之前作出的预测。
- 实际结果:
- 你真的把机器人跑起来之后「确实」发生的事，由你亲眼观察并记录下来。
- 测试用例:
- 你为了测试而特意布置出来的一个具体情境，比如「一堵正好在 15 厘米处的墙」。
- 机械问题:
- 机器人身体上的实体故障，比如轮子松了、线缆拖在地上，或者齿轮卡死了。
- 程序问题:
- 指令上的错误：某个积木块或数字写错了、漏掉了，或者顺序不对。
- 传感器问题:
- 感知环节出的岔子：读数不好、阈值不对，或者传感器需要重新校准。
- 可靠性:
- 机器人一遍又一遍正确完成同一件活儿的本事，靠反复试验来证明。
注意安全
这一周动手搭建或运行机器人之前，先把这些读一遍。
- Caution:拧轮子、挪线缆或检查机械部件之前，先把机器人关掉。
- Caution:运行过程中，让测试区和障碍赛道上别有手、脚和杂物。
- Note:如果要重做纸质保险杠或模型部件，请使用儿童安全剪刀，并在大人陪同下进行。
- Note:常常保存你的程序和测试记录，免得刷新浏览器把结果弄丢。
动手做
选择你的路线
这门课你可以用机器人套件、浏览器模拟器，或者不插电、只用家里的材料来上。挑一条就行，随时可以换，你的成果不会丢。
「问题侦探」任务
机器人套件诊断一台不听话的机器人：判断问题属于机械、程序还是传感器，然后把它修好。
- 每个任务都先写下预期结果和实际结果。两者之间的差距，就是你要调查的症状。
- 问一问三大家族的问题：这是实体故障（机械）、指令出错（程序），还是感知不准（传感器）？动手之前先靠症状猜一猜。
- 每次只改「一样」东西，再跑一遍，并记下实际结果现在是不是和预期一致了。
调试一台不听话的套件机器人
你需要：第 5 周的一台反应式机器人, 「问题侦探」活动纸, 卷尺
步骤
- 1请大人或同伴悄悄给一台本来好好的机器人埋一个问题（把轮子拧松、改掉某个积木块里的数字，或者把阈值设坏）。
- 2把机器人跑起来，在活动纸上写下预期结果和实际结果。
- 3根据症状判断问题属于哪一族，然后按顺序逐个排查最可能的原因。
- 4只动你怀疑的那一处，再跑一遍，确认实际结果现在和预期一致了。
做成了是什么样：学生说出正确的问题家族，做出一处有针对性的修改，机器人的实际结果重新和预期一致。
- 预期结果和实际结果都写下来了
- 正确判断出了问题家族
- 每次只改了一样东西
- 修改之后机器人能正常工作
安全：拧轮子或挪线缆之前，先把机器人关掉。 运行过程中，手指要远离转动的部件。
如果不管用
- 一口气把「所有地方」都改了，结果不知道原因是哪一处
- - 把改动一个一个撤回，只留一处；改一样，跑一遍，看是不是就是它。
- 拿不准问题属于哪一族
- - 跑三遍：每次错得一模一样，多半是程序；每次结果都不同，那就指向机械或者不稳的传感器。
再往前一步：给同伴的机器人埋一个问题，看他能不能只凭症状就判断出是哪一族。
三次运行的可靠性试验
机器人套件把同一件任务跑三遍，每一遍都把预期结果和实际结果对照，以此证明机器人是可靠的。
- 挑一件明确的任务和一个测试用例（每一遍的布置都完全一样）。预期结果只写一次，因为三遍都一样。
- 把任务跑三遍，两遍之间「什么都不许改」。逐次记下实际结果，并在「一致吗？」栏里标上是或否。
- 三次都一致，就说明在这个测试用例上它是可靠的。只要有一次不一致，那就是个问题，用「问题侦探」的步骤去追。
在套件机器人上做可靠性试验
你需要：第 5 周的一台反应式机器人, 三次运行测试记录表, 卷尺
步骤
- 1挑一件任务，比如「在墙前停住」，每一遍都把墙放在同样的距离上：这就是你的测试用例。
- 2写下预期结果：「机器人在碰到墙之前停住」。
- 3从完全相同的起点跑三遍，每一遍都记下实际结果和「一致吗？」。
- 4如果有哪一遍对不上，就诊断问题属于哪一族并修好，然后三遍重跑。
做成了是什么样：一张填好的三次运行表格；可靠的机器人三遍都和预期结果一致。
- 三遍用的是同一个测试用例
- 预期结果只写了一次
- 记录了三个实际结果和对应的「一致吗？」
- 任何不一致都追查了原因
安全：保持测试区域通畅，并远离转动的部件。 每一遍都把机器人放回同一条起跑线。
如果不管用
- 三遍下来结果一点点地在漂
- - 检查电池和起始位置：电量渐渐不足，正是造成不可靠的一种机械或供电原因。
- 对上了两次，第三次失手
- - 失手那一遍就是你的线索：那一遍刚跑完就立刻检查传感器读数和实体安装。
再往前一步：再加第四遍和第五遍，看看电池越用越少时可靠性还撑不撑得住。
障碍物计数器
机器人套件用一个变量当计数器，机器人每躲开一个障碍物就加一，最后再把这个存放的值读出来。
- 开头先把计数器变量设成 0。机器人每感知到并躲开一个障碍物，就给计数器加 1。
- 这就是一个存放的值：计数器记着一共处理了多少个障碍物，你在最后可以查看它。
- 先预测赛道上有几个障碍物，再把你的预测和计数器的最终值对照一下。
用套件机器人数一数躲开的障碍物
你需要：第 5 周的一台反应式机器人, 一段短的障碍赛道, 铅笔和纸
步骤
- 1在程序开头，把一个叫「障碍物」的变量设成 0。
- 2保留一个读取传感器的循环；在「如果有障碍物」那一支里，既转弯躲开，也给「障碍物」加 1。
- 3跑完整条赛道，然后显示或读出计数器的最终值。
- 4把计数器和你实际摆放的障碍物数量对照一下。
做成了是什么样：计数器的最终值等于机器人真正躲开的障碍物数量。
- 计数器从 0 开始
- 只有躲开障碍物时才加 1
- 读出了最终存放的值
- 把它和真实数量作了对照
安全：机器人行驶时，让赛道上别有手和脚。
如果不管用
- 计数器数出来太多了
- - 机器人对同一个障碍物加了不止一次 1：要保证每检测到一次才计一次数，而不是每绕一圈循环就计一次。
- 计数器一直停在 0
- - 检查加 1 这一步是不是在「如果有障碍物」那一支里面，而不是在外面：这是程序问题。
再往前一步：再加一条规则：计数器到了 3 以后，机器人就停下来并发出完成的信号。
给机器人编程
Build a program from blocks, then run it on the simulator. On the kit path, use the same steps in your robot's app; unplugged, act the blocks out on a floor grid. Your program saves on this device.
障碍物计数器程序
一个把计数器设为 0、用循环读取传感器、每躲开一个障碍物就给计数器加 1 的程序。
添加积木块
事件与执行
移动
控制
数据
输出
变量与计数器
你的程序
- 重置计数器
- 前进
- 机器人（箭头指向它的朝向）
- 终点区（虚线框）
- 彩色标记（圆点）
地图：一片 6 × 1 的网格。 机器人从第 1 列、第 1 行出发，朝向右。 终点区在第 6 列、第 1 行。 有 3 个彩色标记。
就绪.
可以运行了。 · 0 steps
机器人状态
- 列
- 1
- 行
- 1
- 朝向
- 右
- 前方距离
- 5 格
- 触碰
- 没有接触
- 在线上
- 否
- 光线
- 80
- 在终点区内
- 否
- 碰撞次数
- 0
- 步数
- 0
机器人在第 1 列、第 1 行，朝向右。 前方距离：5 格。 触碰：没有接触。 在线上：否。 光线：80。 不在终点区内。
日志输出
还没有记录任何内容。
- Heads up: This program has no safe stop behavior. Add a safe stop so the robot stops when it is done or blocked.
修好坏掉的刹车
这个程序本该让机器人停在墙前的那一格，可它距离判断里的一个数值写错了，导致它停错了地方。先预测问题属于哪一族，改动「重复直到」条件里的那一个数值，然后反复运行直到它停对为止。
添加积木块
事件与执行
移动
控制
数据
输出
变量与计数器
你的程序
- 重复直到
- 前进
- 任务完成
- 机器人（箭头指向它的朝向）
- 终点区（虚线框）
- 墙（灰色，带 X）
地图：一片 5 × 1 的网格。 机器人从第 1 列、第 1 行出发，朝向右。 终点区在第 4 列、第 1 行。 有 1 面墙。
就绪.
可以运行了。 · 0 steps
机器人状态
- 列
- 1
- 行
- 1
- 朝向
- 右
- 前方距离
- 3 格
- 触碰
- 没有接触
- 在线上
- 否
- 光线
- 80
- 在终点区内
- 否
- 碰撞次数
- 0
- 步数
- 0
机器人在第 1 列、第 1 行，朝向右。 前方距离：3 格。 触碰：没有接触。 在线上：否。 光线：80。 不在终点区内。
日志输出
还没有记录任何内容。
预测
Commit to a guess before you test - then see how close you were. Your predictions save automatically.
怎样验证：把三遍都跑完，记下实际与预期以及「一致吗？」，再把你的预测和真实情况对照。
怎样验证：把可能的原因逐个排查，看看你预测的那一族是不是最终解决问题的那一族。
怎样验证：跑完赛道，读出计数器，再把它和你预测的数字以及真实的障碍物数量对照。
测试与改进
三次运行的可靠性测试
挑一件任务和一个测试用例。预期结果只写一次，然后什么都不改，把同一件任务跑三遍。逐次记下实际结果，以及这一遍对没对上。
要测量的：三遍里，每一遍的实际结果是否和预期结果一致
| Run | 预期结果 | 实际结果 | 一致吗？（是/否） |
|---|---|---|---|
问题诊断记录
每个调试任务都记下症状、你怀疑的问题家族、你尝试的那一处改动，以及它有没有把差异解决掉。
要测量的：到底是哪一族的问题，以及一处有针对性的改动有没有把它修好
| 症状 | 怀疑的家族 | 尝试的那一处改动 | 修好了吗？（是/否） |
|---|---|---|---|
调试任务
Each robot below misbehaves on purpose. Work out whether the bug is mechanical, in the program, or with a sensor - then check the fix.
在原地打转的机器人
一台本该笔直向前开的机器人，却在原地打转，一圈一圈地转个不停，就好像一个轮子往前、另一个轮子往后。
症状：两个电机都在转，机器人却在原地旋转而不是往前走，而且每一遍都朝同一个方向转。
提示：盯着轮子看：两个都在转，但方向相反，而且什么都没松。想一想其中一个电机是怎么接线或怎么设置的，别去想那些行驶指令。
查看解决办法
解决办法：把接反的那个电机的接线换过来（或者把那一个电机的方向设置翻过来），让两个轮子一起往前转。再跑一遍，确认机器人现在是笔直向前，而不是原地打转。
可能的原因
- 1有一个电机接反了，所以它的轮子转错了方向。
- 2有一个电机的方向设置和另一个是反的。
- 3两个电机是镜像安装的，程序却把它们当成朝同一个方向来驱动。
那堵它不肯停下的墙
一台机器人本该往前开，等距离传感器说墙近了就停下，可它却一头撞上墙，还一个劲儿往前顶，从来不停。
症状：每一遍机器人都不停：实际结果就是撞车，尽管程序里确实写着一条停止指令。
提示：传感器读得好好的，停止积木块也在。把循环里那个比较条件大声念出来：随着墙越来越近，那个本该让机器人停下的条件，究竟有没有变成真过？
查看解决办法
解决办法：把比较运算符反过来（或者把它两边互换），好让距离变小时停止条件变成真。再跑一遍，确认机器人在墙前停住了。
可能的原因
- 1比较写反了：它在距离「大于」某值时才停，而不是「小于」，所以机器人越靠近，这个条件反而永远不成立。
- 2比较式的两边写反了。
- 3用错了运算符（本该是 < 却写成了 >），让停止条件永远触发不了。
数过头的计数器
一台机器人开过三个标记，本该报出 3，却报了一个像 47 这样的大数。
症状：计数器的最终值比真实物体的数量大得多：它每绕一圈循环就往上涨，而不是每个物体只涨一次。
提示：一边开一边盯着计数器往上跳。它是每个物体加 1 一次，还是每绕一圈循环就加一次，哪怕前面根本没有新的物体？
查看解决办法
解决办法：在开头把计数器清零，并把「加 1」挪到检测到「新」物体的那个条件里面。再跑一遍，确认最终计数和真实的物体数量一致。
可能的原因
- 1「加 1」写在了「我看见物体了吗？」这个判断的外面，所以每绕一圈都会计数。
- 2每一遍开始时都没有把计数器清零。
- 3机器人在同一个物体旁边待了好几圈，每一圈都把它数了一遍。
一到亮处就失灵的循线机器人
一台循线机器人昨天跑得好好的。今天换到一个明亮得多的房间，它每次都径直开出线外，而程序压根没动过。
症状：机器人对线视而不见，完全不修正方向，尽管同样的代码在昨天的光线下修正得好好的。
提示：代码和昨天一模一样；变的是房间。今天把线上和线外的实时光线数值都读一读，再把这两个数和程序里的阈值比一比。
查看解决办法
解决办法：读出今天线上和线外的光线数值，在两者正中间挑一个新阈值，把这个校准值存下来，再跑一遍。机器人应该又能循线了。
可能的原因
- 1光线阈值是照着昨天那个更暗的房间校准的，现在不适用了。
- 2更强的光线把所有读数都抬到了阈值以上，于是「在线上」这个判断永远不成立。
- 3传感器没有针对今天的光线条件重新校准。
永远跑不完的机器人
一台机器人本该往前开、躲开几个障碍物，然后在终点停下，可它一直开、一直躲，永远不结束，就算已经到了终点也不停。
症状：机器人从来不结束程序：它没完没了地重复着躲避加行驶的行为，一直不停。
提示：躲避这件事本身是好使的。问题在于机器人永远出不了那个循环。找一找出口：有没有哪个条件能在到达终点后结束这个循环？
查看解决办法
解决办法：给它加一个出口：用一个在终点结束的「重复直到」，或者一句「如果到了终点就停」，让循环有机会结束。再跑一遍，确认机器人一到终点就停下。
可能的原因
- 1这段行为被放进了一个没有出口的无限循环里。
- 2某个「重复直到」的条件永远不可能变成真。
- 3到达终点时既没有「安全停车」，也没有「任务完成」。
代码没毛病，却还是往一边跑偏
一台机器人的程序是对的，也没改过（上周它还是直着走的），可现在只要一往前开就往一边打弯，哪怕是一段又短又没有障碍物的路。
症状：机器人不走直线，每一遍都朝同一边跑偏，虽说代码一个字都没改。
提示：它每一遍都以同样的方式出错，可上周就已经证明程序是对的。动代码之前，先看看机器人的机身和轮子，或者模拟环境里的路面和安装设置。
查看解决办法
解决办法：别动代码。把两个轮子重新装好、拧紧，清掉任何拖地的线缆或碎屑（模拟环境里则把路面和对齐设置复位）。再跑一遍，确认它又能走直线了。
可能的原因
- 1某个轮子或车轴松了，或者没完全插到位。
- 2有一根线缆或某个部件在一侧拖着地面，或者有个轮子蹭到了车架。
- 3在模拟器里，某项路面或对齐设置让一侧发生了打滑。
刹得太晚的那一脚
一台机器人用距离传感器在墙前刹车。慢速时它停得干干净净，可一旦提速就冲过头撞到墙上，而阈值一模一样没变过。
症状：高速时机器人停得太晚，撞上了墙；低速时同一个程序却能及时停住。
提示：慢的时候够用的阈值，快起来就不够了：两次读数之间机器人跑得更远。想一想速度和刹车阈值是怎样互相配合的，而且每次只改其中一个。
查看解决办法
解决办法：每次只改一样：要么把行驶速度降下来，要么把距离阈值调大好让它更早刹车。用目标速度再跑一遍，确认它能及时停住。
可能的原因
- 1高速时机器人在两次读数之间跑得更远，所以一个贴得很近的阈值触发得太晚。
- 2阈值是照着比现在更慢的速度调出来的。
- 3传感器读取的频率太低，在这个速度下来不及发现墙。
知识检测
回答这几题，检验一下你能否按家族给问题定性，并证明一台机器人是可靠的。
1. 诊断一下最可能是哪一类问题。
一台循线机器人昨天还好好的。今天它每次都径直冲过了那条线，可代码根本没改过。今天房间亮得多。
2. 什么是调试？
3. 一台机器人上周还走直线。它的程序没改过，可现在每一遍都往一边打弯。这最可能属于哪一族问题？
4. 什么是计数器？
5. 在可靠性试验里，「预期结果」指的是什么？
6. 在可靠性试验里，为什么要把同一件任务跑三遍？
已答 0 / 6
反思
你的反思会自动保存。
下周预告
下周我们要把可靠性用起来：规划一次完整的自主任务，让机器人自己安全地跑完全程。
- 保存好你的三次运行测试记录和「问题侦探」表：可靠的行为正是下周那项任务的基础。
- 想一想有什么活儿，是你的机器人能从头到尾自己做完、不需要任何人操控的。
- 给你的套件充好电、把模拟器加入收藏夹，或者把你的纸板机器人和赛道准备好。
完成第 6 周
完成以下内容，即可结束本周并解锁下一周：
- 每一族至少诊断并修好一个问题，并记录症状和解决办法 (not done yet)
- 完成一次三次运行的可靠性试验，并记录预期与实际 (not done yet)
- 用一个计数器变量跟踪躲开的障碍物 (not done yet)
- 知识检测至少答对 5 题中的 4 题 (not done yet)
- 写下你的反思 (not done yet)