Урок 7. MPU9250. Игра "SPACE DEFENSE" (бета-версия)

[Dimi]

Цель урока

Привет! Сегодня мы научимся работать со встроенным датчиком MPU9250 в серебристой модели M5STACK.
Датчик MPU9250 включает в себя гироскоп, акселерометр и компас. В данном уроке мы напишем игру "SPACE DEFENSE" (рис. 1), управлять кораблём будет возможно только при помощи наклона устройства. По оси X - движение корабля, а по оси Y - открытие огня. Гироскоп и компас оставим на самостоятельное изучение.

Рисунок 1. Экран начала игры

Краткая теория

Рисунок 2. Устройство механического акселерометра

Что же такое акселерометр? Акселерометр – прибор (рис. 2), измеряющий проекцию кажущегося ускорения (разности между истинным ускорением объекта и гравитационным ускорением). Как правило, акселерометр представляет собой чувствительную массу, закреплённую в упругом подвесе. Отклонение массы от её первоначального положения при наличии кажущегося ускорения несёт информацию о величине этого ускорения.

Более подробная информация на Wiki: https://en.wikipedia.org/wiki/Accelerometer

Перечень компонентов для урока

• M5STACK серебристая модель со встроенным MPU9250.

Начнём!

Шаг 1. Нарисуем картинки

Нарисуем космический корабль, взрыв корабля и логотип игры. Используйте любой удобный для Вас графический редактор. Мы будем использовать как всегда Paint (рис. 3 – 3.2).

Рисунок 3. Рисуем космический корабль

Рисунок 3.1. Рисуем логотип игры

Рисунок 3.2. Коллекция рисунков для проекта

В дальнейшем подключим изображения к нашему новому проекту:

extern unsigned char craft[];
extern unsigned char craft_logo[];
extern unsigned char explode[];
extern unsigned char logo[];

Шаг 2. Пули и космический мусор

Рассмотрим на примере пуль. Сделаем структуру bulletsObject, которая включает в себя координаты размеры и состояние пули (если пуля в полёте, то busy = true).

struct bulletsObject
{
	int x;
	int y;
	int width = 3;
	int height = 6;
	bool busy;
};

Сделаем буфер, содержащий информацию о трёх пулях:

const int bullets_max = 3;
bulletsObject bulletsObjectArray[bullets_max];

Космический мусор (если hidden = true, то объект нейтрализован):

struct spaceDebrisObject
{
  int x;
  int y;
  int width = 15;
  int height = 15;
  bool hidden;
};

Сделаем буфер, содержащий информацию о космическом мусоре:

const int spaceDebris_max = 100;
spaceDebrisObject spaceDebrisArray[spaceDebris_max];

Шаг 3. Двигаем то, чего много

Многозадачность? Нет – всё проще. Помните в одной из статей на сайте Arduino было рассказано, как реализовать мигание светодиодом без функции delay, которая заставляет микроконтроллер бездействовать? Если нет, то айда почитать https://www.arduino.cc/en/Tutorial/BlinkWithoutDelay.
Аналогичным образом поступим и мы (рис. 5). Когда придёт время, тогда выполним необходимые действия и обновим значение предыдущего времени millis.

Рисунок 5.

Функция fire вызывается из бесконечного цикла gameLoop() и принимает в качестве аргумента целочисленное значение вектора наклона по оси Y. Если значение вектора менее, чем -250, то будет открыт огонь. О том, как получать значения векторов наклона поговорим в следующем шаге.
Движение происходит на экране по оси Y всего массива с графическими объектами (рис. 5.1).

Рисунок 5.1. Принцип движения графических объектов

void gameLoop() {
  while (true)
  {
    if (!moveCraft(getAccel('X'))) break;
    if (!moveSpaceDebris()) break;
    fire(getAccel('Y'));
    if (health < 0) break;
  }
  craftExplode();  
}

void fire(int vector) {
  if (vector < -250)
  {
    if (!openFire)
    {
      for (int i = 0; i < bullets_max; i++)
      {
        if (!bulletsObjectArray[i].busy)
        {
          openFire = true;
          bulletsObjectArray[i].x = ((craft_x + (craft_width / 2)) - 1);
          bulletsObjectArray[i].y = craft_y;
          bulletsObjectArray[i].busy = true;
          break;
        }
      }
    }
  }
  else
  {
    openFire = false;
  }

  unsigned long millis_ = millis();
  if (((millis_ - moveBullets_pre_millis) >= moveBullets_time))
  {
    moveBullets_pre_millis = millis_; 
    for (int i = 0; i < bullets_max; i++)
    {
      M5.Lcd.fillRect(bulletsObjectArray[i].x, bulletsObjectArray[i].y, bulletsObjectArray[i].width, bulletsObjectArray[i].height, 0x0000);
      if (bulletsObjectArray[i].busy)
      {
        bulletsObjectArray[i].y--;
        M5.Lcd.fillRect(bulletsObjectArray[i].x, bulletsObjectArray[i].y, bulletsObjectArray[i].width, bulletsObjectArray[i].height, 0xff80);
        if (bulletsObjectArray[i].y <= statusBar_height)
        {
          bulletsObjectArray[i].busy = false;
        }
        for (int j = 0; j < spaceDebris_max; j++)
        {
          if (((((spaceDebrisArray[j].x + spaceDebrisArray[j].width) >= bulletsObjectArray[i].x) && (spaceDebrisArray[j].x <= (bulletsObjectArray[i].x + bulletsObjectArray[i].width))) && ((spaceDebrisArray[j].y + spaceDebrisArray[j].height) >= (bulletsObjectArray[i].y + (bulletsObjectArray[i].height / 2))) && (spaceDebrisArray[j].y <= (bulletsObjectArray[i].y + bulletsObjectArray[i].height)) && (!spaceDebrisArray[j].hidden)))
          {
            bulletsObjectArray[i].busy = false;
            spaceDebrisArray[j].hidden = true;
            M5.Lcd.fillRect(bulletsObjectArray[i].x, bulletsObjectArray[i].y, bulletsObjectArray[i].width, bulletsObjectArray[i].height, 0x0000);
            M5.Lcd.fillRect(spaceDebrisArray[j].x, spaceDebrisArray[j].y, spaceDebrisArray[j].width, spaceDebrisArray[j].height, 0x0000);
            score++;  
            drawHealthAndScore();
          }
        }
      }
    }
  }
}

Если пуля соприкасается с космическим мусором, то счёт игры увеличиваем на единицу, состояние пули принимает значение busy = false, космический мусор становится скрытым hidden = true.

Шаг 4. Получение данных с акселерометра

Как было сказано раньше – акселерометр возвращает значения углов отклонения от осей "векторы наклона" (рис. 6).

Рисунок 6. Векторы наклона акселерометра

Прежде всего необходимо подключить библиотеку для работы с MPU9250:

#include "utility/MPU9250.h"

Объявим экземпляр класса:

MPU9250 IMU;

Произведён инициализацию и выполним калибровку датчика. Помните, что MPU9250 подключён к ESP32 через I2C интерфейс:

void setup(){
	M5.begin();
	Wire.begin();
  	IMU.initMPU9250();
  	IMU.calibrateMPU9250(IMU.gyroBias, IMU.accelBias);
	// any actions	
}

Напишем функцию, которая принимает в качестве аргумента символ, соответствующий одной из осей 'X', 'Y' или 'Z'. Возвращает функция вектор наклона по оси. Если никаких данных не получено, то функция возвращает 0:

int getAccel(char axis) {
  if (IMU.readByte(MPU9250_ADDRESS, INT_STATUS) & 0x01)
  {
    IMU.readAccelData(IMU.accelCount);
    IMU.getAres();
    switch(axis)
    {
      case 'X':
        IMU.ax = (float)IMU.accelCount[0] * IMU.aRes * 1000;
        return IMU.ax;
      case 'Y':
        IMU.ax = (float)IMU.accelCount[1] * IMU.aRes * 1000;
        return IMU.ax;
      case 'Z':
        IMU.az = (float)IMU.accelCount[2] * IMU.aRes * 1000;
        return IMU.az;
    }
  }
  return 0;
}

Шаг 5. Двигаем космический корабль

Функция чрезмерно простая, принцип работы мы рассмотрели на предыдущем шаге:

bool moveCraft(int vector) {
  unsigned long millis_ = millis();
  if (((millis_ - moveCraft_pre_millis) >= moveCraft_time))
  {
    moveCraft_pre_millis = millis_;  
    int craft_x_pre = craft_x;

    if (abs(vector) > 70)
    {
      if (vector > 0)
        craft_x -= craft_step;
      else if (vector < 0)
        craft_x += craft_step;
      M5.Lcd.fillRect(craft_x_pre, craft_y, craft_width, craft_height, 0x0000);
    }

    if ((craft_x < (screen_width - craft_width - craft_step)) && (craft_x > craft_step))
    { 
      M5.Lcd.drawBitmap(craft_x, craft_y, craft_width, craft_height, (uint16_t *)craft);
    }
    else
    {
      return false;                                                                               
    }
  }
  return true;
}

Шаг 6. Игра окончена

void gameOver() {
  M5.Lcd.fillScreen(0x0000);
  M5.Lcd.setTextSize(2);
  M5.Lcd.setTextColor(0x7bef);
  M5.Lcd.setCursor(35, 80);
  M5.Lcd.print("GAME OVER");
  M5.Lcd.setCursor(35, 110);
  M5.Lcd.print("score: ");
  M5.Lcd.print(score);
  M5.Lcd.setCursor(35, 140);
  M5.Lcd.print("please, press any key");  
  gameReset();
  while(true)
  {
    M5.update();
    if (M5.BtnA.wasPressed() || M5.BtnB.wasPressed() || M5.BtnC.wasPressed()) break;
  }
}

Шаг 7. Запуск!

В целом это был очень интересный проект, посвященный работе с акселерометром на борту MPU9250. Давайте запустим и посмотрим, как это работает (рис. 7, 7.1.):

Рисунок 7. Игровой процесс

Рисунок. 7.1. Игра окончена

Скачать

• Видео с демонстрацией работы (YouTube): https://youtu.be/9gyiFfciUU4

• Исходные коды (GitHub): https://github.com/dsiberia9s/SpaceDefense-m5stack

• Конверторы изображений (Yandex Disk):https://yadi.sk/d/m2zvebPf3T5Zrc

• Изображения (Yandex Disk): https://yadi.sk/d/JMMyPHOq3T5Zmf