Игра в Ping Pong с использованием Arduino и акселерометра: схема и программа

Системы дополненной и виртуальной реальности с каждым годом все больше входят в жизнь современного общества. Времена использования клавиатуры и джойстика в компьютерных играх безвозвратно уходят в прошлое. В настоящее время игровые консоли все чаще оснащаются контроллерами виртуальной реальности, которые позволяют управлять процессами в игре с помощью движений рук и тела, что, конечно же, приводит к значительно большей вовлеченности геймера в процесс игры.

В этом проекте мы постараемся создать на основе платы Arduino упрощенную модель подобных игровых систем, а именно мы реализуем игру в Ping Pong (настольный теннис), в которую можно будет играть с помощью акселерометра, а управление в этой игре будет осуществляться с помощью движений рук.

В настоящее время для создания подобного проекта можно использовать кучу самых различных программ - мы будем использовать одну из них под названием Processing. Это основанное на JAVA приложение, с помощью которого мы можем сформировать необходимую нам программу в формате .exe и в формате .apk (для android приложения). Ранее программу Processing мы использовали в проекте создания комнаты чата с помощью Arduino и радиочастотных модулей.

Аппаратная часть нашего проекта будет состоять из платы Arduino, которая будет получать входные данные от акселерометра. Плата Arduino затем будет передавать данные на компьютер (лэптоп) с помощью последовательной связи. Внешний вид необходимых компонентов для проекта показан на следующем рисунке. В этом проекте можно использовать любой тип платы Arduino.

Работа схемы

Схема соединений рассматриваемого проекта показана на следующих рисунках.

Как видим, схема устройства очень проста и содержит плату Arduino Nano и акселерометр. Но при этом необходимо учитывать ряд моментов:

На акселерометр нельзя подавать питающее напряжение 5V, поэтому его контакт Vcc следует подсоединить к контакту 3.3V платы Arduino.
Каждый акселерометр страдает от силы тяжести, негативные эффекты которой следует обрабатывать программным путем или устранять с помощью фильтра.

Принципы работы акселерометра

Акселерометр представляет собой устройство, которое преобразует ускорение в любом направлении в соответствующее изменение напряжения. Это осуществляется с помощью конденсаторов (см. рисунок) – как только ускоритель (в виде шарика) двигается, одна пластина конденсатора также сдвигается, поэтому его емкость изменяется, что в итоге приводит к изменению напряжения.

Как уже было указано, каждый акселерометр страдает от эффекта гравитации. При этом независимо от того с какой точностью откалиброван акселерометр, он все равно будет страдать от этого эффекта. Далее дано более подробное объяснение этого эффекта.

Концептуально, датчик ускорения определяет ускорение устройства, которое зависит от приложенной силы и которое можно рассчитать по следующей формуле:

Ad = - ∑Fs / mass.

Вместе с этим сила гравитации всегда будет влиять на измеряемое ускорение в соответствии со следующим выражением:

Ad = -g - ∑F / mass.

По этой причине когда устройство лежит на столе (то есть не движется с ускорением), акселерометр считывает величину гравитационного ускорения g = 9.81 m/s2. А когда устройство находится в состоянии свободного падения с ускорением по отношению к земле 9.81 m/s2, то акселерометр считывает величину ускорения g = 0 m/s2. Следовательно, для получения точного значения ускорения вклад силы тяжести необходимо вычесть из получаемых акселерометром данных. Это можно сделать с помощью фильтра верхних частот. Наоборот, фильтр нижних частот может быть использован для изоляции эффекта силы тяжести.

То есть в нашей схеме мы эффект силы гравитации можем достаточно просто уменьшить с помощью фильтра. Этот фильтр будет состоять из двух массивов, один из которых будет хранить выборочные значения от датчика, а другой будет использоваться для сортировки этих значений и нахождения наиболее часто повторяющихся значений. Далее в программе мы рассмотрим реализацию этого подхода.

Программирование Arduino

Полный текст программы для Arduino представлен в конце статьи. Здесь рассмотрим только основные моменты.

Инициализируем объем выборки (Samplesize).

#define Samplesize 13 // filterSample number

Увеличьте объем выборки (Samplesize) если ваш акселерометр по прежнему показывает случайные значения.

Для последовательного порта будем использовать скорость 9600 бод/с. Для увеличения скорости взаимодействия можно увеличить эту скорость, но помните о том, что эти изменения необходимо внести и в программу для Arduino, и для Processing.

void setup(){ Serial.begin(9600); }

Используемый нами акселерометр показывает значение максимальное значение 193 при ускорении влево и максимальное значение 280 при сдвиге, на вашем акселерометре измерьте эти значения и внесите соответствующие изменения в программу.

toSend = map (smoothData1, 193, 280, 0, 255);

Эти значения упаковываются в отдельный байт данных для их последовательной передачи.

Программирование Processing

Processing представляет собой программное обеспечение с открытым исходным кодом, удобное для реализации разнообразных проектов. В нем удобно реализовывать проекты похожие на те, которые можно создать с помощью Android Development IDE.

Код Processing для нашего проекта можно скачать по следующей ссылке:

• Processing Code for Arduino Ping Ball Game.

Щелкните на этой ссылке правой кнопкой мыши и выберите пункт "Сохранить как". Затем откройте файл в программе Processing и нажмите там Run чтобы запустить процесс игры. Скачанная вами по ссылке программа будет иметь расширение *.pde. Чтобы открывать такие файлы вам необходимо установить программу Processing.

В программе для Arduino в функции void setup() не забудьте не забудьте включить следующий код чтобы указать по какому порту вы будете передавать данные:

port = new Serial(this,Serial.list()[4],9600); //Reads the 4th PORT at 9600 baudrate

Здесь мы указали 4-й порт Arduino, но вы можете указать и другой порт если Arduino у вас подсоединено к другому COM-порту.

Исходный код программы

Теперь, когда наши программы в Processing и Arduino готовы, загрузите программу в плату Arduino и подсоедините ее к компьютеру по USB-кабелю. Запустите на исполнение .pde файл с помощью Processing. Далее берите в руки в акселерометр и начинайте играть в Ping Pong. Более подробно все эти процессы показаны в видео в конце статьи.

Если вы разберетесь с этим проектом то вы на его основе сможете создать много других интересных игр. Здесь мы использовали только X-ось, но вы можете в других проектах задействовать оси Y и Z.

Далее представлен полный текст программы.

#define AccelPin      A0         // A0 подсоединен к X-оси акселерометра
#define Samplesize   13         // объем выборки для фильтрации эффекта силы тяжести
int Array1 [Samplesize];           // массив чтобы хранить начальные значения ("сырые", необработанные) с выхода акселерометра
int rawData1, smoothData1;      // переменные для данных акселерометра
int toSend;
void setup(){
  Serial.begin(9600);
}
void loop()
{     
  rawData1 = analogRead(AccelPin);                              // считать X-ось акселерометра
  smoothData1 = digitalSmooth(rawData1, Array1);  
  toSend = map (smoothData1, 193, 280, 0, 255);             // данные от акселерометра упаковываются в байт
  Serial.write (toSend);
  delay(100);
}
  int digitalSmooth(int rawIn, int *sensSmoothArray){         // "int *sensSmoothArray" passes an array to the function - the asterisk indicates the array name is a pointer
  int j, k, temp, top, bottom;
  long total;
  static int i;
  static int sorted[Samplesize];
  boolean done;
  i = (i + 1) % Samplesize;                  // increment counter and roll over if necc. -  % (modulo operator) rolls over variable
  sensSmoothArray[i] = rawIn;           // input new data into the oldest slot
  for (j=0; j<Samplesize; j++){           // передача данных массива в другой массив для их сортировки и упорядочивания
    sorted[j] = sensSmoothArray[j];
  }
  done = 0;                    // флаг, свидетельствующий о проведении сортировки              
  while(done != 1){        // простая сортировка методом простых обменов, сортируем номера от нижних к верхних
    done = 1;
    for (j = 0; j < (Samplesize - 1); j++){
      if (sorted[j] > sorted[j + 1]){        // numbers are out of order - swap
        temp = sorted[j + 1];
        sorted [j+1] =  sorted[j] ;
        sorted [j] = temp;
        done = 0;
      }
    }
  }
  bottom = max(((Samplesize * 15)  / 100), 1); 
  top = min((((Samplesize * 85) / 100) + 1  ), (Samplesize - 1));   // the + 1 is to make up for asymmetry caused by integer rounding
  k = 0;
  total = 0;
  for ( j = bottom; j< top; j++){
    total += sorted[j];         // остальные оставшиеся индексы
    k++; 
  }
  return total / k;            // делим на число отсчетов
}

#define AccelPin A0 // A0 подсоединен к X-оси акселерометра

#define Samplesize 13 // объем выборки для фильтрации эффекта силы тяжести

int Array1 [Samplesize]; // массив чтобы хранить начальные значения ("сырые", необработанные) с выхода акселерометра

int rawData1, smoothData1; // переменные для данных акселерометра

int toSend;

void setup(){

Serial.begin(9600);

}

void loop()

{

rawData1 = analogRead(AccelPin); // считать X-ось акселерометра

smoothData1 = digitalSmooth(rawData1, Array1);

toSend = map (smoothData1, 193, 280, 0, 255); // данные от акселерометра упаковываются в байт

Serial.write (toSend);

delay(100);

}

int digitalSmooth(int rawIn, int *sensSmoothArray){ // "int *sensSmoothArray" passes an array to the function - the asterisk indicates the array name is a pointer

int j, k, temp, top, bottom;

long total;

static int i;

static int sorted[Samplesize];

boolean done;

i = (i + 1) % Samplesize; // increment counter and roll over if necc. - % (modulo operator) rolls over variable

sensSmoothArray[i] = rawIn; // input new data into the oldest slot

for (j=0; j<Samplesize; j++){ // передача данных массива в другой массив для их сортировки и упорядочивания

sorted[j] = sensSmoothArray[j];

}

done = 0; // флаг, свидетельствующий о проведении сортировки

while(done != 1){ // простая сортировка методом простых обменов, сортируем номера от нижних к верхних

done = 1;

for (j = 0; j < (Samplesize - 1); j++){

if (sorted[j] > sorted[j + 1]){ // numbers are out of order - swap

temp = sorted[j + 1];

sorted [j+1] = sorted[j] ;

sorted [j] = temp;

done = 0;

}

bottom = max(((Samplesize * 15) / 100), 1);

top = min((((Samplesize * 85) / 100) + 1 ), (Samplesize - 1)); // the + 1 is to make up for asymmetry caused by integer rounding

k = 0;

total = 0;

for ( j = bottom; j< top; j++){

total += sorted[j]; // остальные оставшиеся индексы

k++;

}

return total / k; // делим на число отсчетов

}

Видео, демонстрирующее работу схемы

(1 голосов, оценка: 5,00 из 5)

Загрузка...

1 053 просмотров