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LED Matrixで砂シミュレーション機をつくろう

2023/10/21に公開

C++

以前、X(旧twitter)でみた砂シュミュレーション機に一目惚れしました。
@witnessmenowさんの公開されているFalling-Sand-Matrixを参考に、
自分でもLED Matrixと加速度センサーを使った砂シュミュレーション機を作りました。

参照プロジェクト

🔧パーツ一覧

機材名	備考
ESP32 DevKitC	秋月電子
ledマトリックスモジュールパネル屋内rgb 64 x 64ドット	Amazonで購入, AliExpress等でも販売
3軸加速度センサー - MPU6050	Amazonで購入
モバイルバッテリ	Amazonで購入(cheero Slim 10000mAh IoT機器対応大容量モバイルバッテリ)
ジャンパーケーブル	適量
木材・ネジ	適量 - 固定用

接続図

LEDマトリクスは、下記のコネクタがあります

ESP32とLEDマトリクス(入力コネクタ、出力コネクタ)

ESP32	LED Mat. IN	LED Mat. OUT
-	R1	R0
-	G0	R1
-	G1	G0
-	B0	G1
-	B1	B0
19	A	-
23	B	-
18	C	-
5	D	-
25	LAT	-
16	OE	-
14	CLK	-
13	R0	-
GND	GND	-

電源周り

モバイルバッテリーからの5V/GNDをLEDマトリクスとESP32に接続します。

ESP32と加速度センサー

ESP32	MPU6050
3V3	VCC
22	SCL
21	SDA
GND	GND

💻環境

Arduino IDEを使用します。

Arduino IDE
- Version:2.1.1

ライブラリ

LEDマトリクスのライブラリは、下記となります。

https://github.com/2dom/PxMatrix

また、動作確認した際の各ライブラリのバージョンは以下となります。

Library	Version	Note
PxMatrix LED MATRIX library	1.8.2	上記のライブラリ
Adafruit BusIO	1.14.3	-
Adafruit GFX Library	1.11.7	-
Arduino-MPU6050	patch-1	witnessmenow/Arduino-MPU6050 修正は後述

📝作業ログ

いくつかハマったので、作業内容を時系列で記載します。

ピン番号の変更

fallingSand/fallingSand.inoを上記の接続に修正します
ピン番号をこの基板用に変更します
- failingSand.ino
```
#define P_LAT 25 // myboard
// #define P_LAT 22  //original
#define P_A 19
#define P_B 23
#define P_C 18
#define P_D 5
#define P_E 15
#define P_OE 16 // 2
```
- !
  
  14(CLK), 13(R0)は、ライブラリ内 - PxMatrix.hにて指定されています。
  そのため、コードの変更は不要です。

また、I2Cのピン設定も接続図に合わせます

failingSand.ino

while (!mpu.begin(MPU6050_SCALE_2000DPS, MPU6050_RANGE_4G, MPU6050_ADDRESS, 21, 22))    //myboard
// while (!mpu.begin(MPU6050_SCALE_2000DPS, MPU6050_RANGE_4G, MPU6050_ADDRESS, 27, 33)) //original

動作確認1 - I2C周りの修正

修正自体は、上記で終わりのため、動作を確認しました。
電源を入れたところ、LEDが光りません。
print文で追ったところ、上記のMPU6050初期化のmpu.begin()の処理が抜けないことがわかりました
追うと、I2Cのread処理にて停止していることがわかりました
- STOP Conditionが発行されていない？？？

Wireライブラリのサンプルコードをもとに修正しました

修正前

Arduino-MPU6050/MPU6050.cpp(before)

// Read 8-bit from register
uint8_t MPU6050::readRegister8(uint8_t reg)
{
    uint8_t value;

    Wire.beginTransmission(mpuAddress);
    Wire.write(reg);
    Wire.endTransmission();

    Wire.beginTransmission(mpuAddress);
    Wire.requestFrom(mpuAddress, 1);
    while (!Wire.available())
    {
    };
    value = Wire.read();
    Wire.endTransmission();

    return value;
}

修正後

Arduino-MPU6050/MPU6050.cpp(after)

// Read 8-bit from register
uint8_t MPU6050::readRegister8(uint8_t reg)
{
    uint8_t value;

    Wire.beginTransmission(mpuAddress);
    Wire.write(reg);
    Wire.endTransmission();

    Wire.beginTransmission(mpuAddress);
    Wire.endTransmission(true);
    uint8_t bytesReceived = Wire.requestFrom(mpuAddress, 1);
    if( bytesReceived )
    {
        Wire.readBytes(&value, bytesReceived);
    }
    Wire.endTransmission();

    return value;
}

同じ処理が MPU6050::fastRegister8(uint8_t reg)にもあるため、同じように修正しました

上記の修正に伴い、MPU6050.cpp/hをローカルに移動し、各インクルード文を修正します
MPU6050.cpp/fallingSandRep.ino
```
// #include <MPU6050.h>
#include "MPU6050.h"
```

動作確認2-加速度センサー軸の修正

上記の修正を行い、再度動作を確認しました
無事にLEDが点灯しましたが、傾けた方向と逆に砂が転がります

加速度センサーの取り付け方にて、転がる向きが変わってしまうため、下記のコードを追加しました

fallingSandRep.ino

ImgBufferGFX imgWrapper(img, WIDTH, HEIGHT);

#define MPU6050_CHANGE_X_Y      1 //add - X/Y軸の入れ替え
#define MPU6050_CHANGE_SIGN_X   1 //add - X方向の反転
#define MPU6050_CHANGE_SIGN_Y   0 //add - Y方向の反転

float xOffset = -1350; 
float yOffset = -2590;

略

void pixelTask(void *param) {
略
  #if MPU6050_CHANGE_SIGN_X
  float xOffset = (accelVector.XAxis) * -1;
  #else
  float xOffset = (accelVector.XAxis * -1) * -1;
  #endif
  #if MPU6050_CHANGE_SIGN_Y
  float yOffset = (accelVector.YAxis) * -1;
  #else
  float yOffset = (accelVector.YAxis * -1) * -1;
  #endif
  #if MPU6050_CHANGE_X_Y
  float tmpOffset = xOffset;
  xOffset = yOffset;
  yOffset = tmpOffset;
  #endif


  while (true) {
略
#if MPU6050_CHANGE_SIGN_X
float accelX = (accelVector.XAxis) + xOffset;
#else
float accelX = (accelVector.XAxis * -1) + xOffset;
#endif
#if MPU6050_CHANGE_SIGN_Y
float accelY = (accelVector.YAxis) + yOffset;
#else
float accelY = (accelVector.YAxis * -1) + yOffset;
#endif
float accelZ = accelVector.ZAxis;
#if MPU6050_CHANGE_X_Y
float accelTmp = accelX;
accelX = accelY;
accelY = accelTmp;
#endif

上記の場合、LEDパネルと加速度センサーの位置関係は以下となります
最終的なファイル構成は、下記となります
- ./fallingSandRep/
  - fallingSandRep.ino
  - imgBufferGFX.h
  - MPU6050.cpp
  - MPU6050.h

以上で、うまく動作することができました🎉。

📄メモ

当たり判定や表示の仕組みは、コメントに詳しく記載されています
気になったことを列挙します

64x32に変更する場合

64x32のLEDパネルにする場合、下記の修正が必要です

該当箇所は、以下です

表示サイズの定義

fallingSand.ino

// 64x64
#define WIDTH 64      // Display width in pixels
#define HEIGHT 64     // Display height in pixels

// 64x32
#define WIDTH 64      // Display width in pixels
#define HEIGHT 32     // Display height in pixels

PxMATRIXの初期化

fallingSand.ino

// 64x64
PxMATRIX display(64, 64, P_LAT, P_OE, P_A, P_B, P_C, P_D, P_E);

// 64x32
PxMATRIX display(64,32,P_LAT, P_OE,P_A,P_B,P_C,P_D);

行指定

fallingSand.ino

// 64x64
display.begin(32);

// 64x32
display.begin(16);

RGBの順番変更

メーカによってRGBの順番が異なるようです

下記にて変更できます

fallingSand.ino

// RGB
display.setColorOrder(RRGGBB);

// GBR
display.setColorOrder(GGBBRR);

mapと当たり判定

img[]がmapとなっている
- uint16_t img[WIDTH * HEIGHT]; // Internal 'map' of pixels
- 本配列が衝突の判定のmapとなっている
- imgWrapper経由で描画した文字列を描画した場合、その部分は壁になる
  - 壁 : imgWrapper.print("HI");
  - 表示 : display.print("HI");
- 例:HIを描画した場合の動作
  - 動画を取る

さいごに

久しぶりに電子工作をして楽しかったです。
目に見えるものは、わかりやすくていいですね。

GitHubで編集を提案

ESP32	LED Mat. IN	LED Mat. OUT
-	R1	R0
-	G0	R1
-	G1	G0
-	B0	G1
-	B1	B0
19	A	-
23	B	-
18	C	-
5	D	-
25	LAT	-
16	OE	-
14	CLK	-
13	R0	-
GND	GND	-

ESP32	LED Mat. IN	LED Mat. OUT
-	R1	R0
-	G0	R1
-	G1	G0
-	B0	G1
-	B1	B0
19	A	-
23	B	-
18	C	-
5	D	-
25	LAT	-
16	OE	-
14	CLK	-
13	R0	-
GND	GND	-

参照プロジェクト

🔧パーツ一覧

接続図

ESP32とLEDマトリクス(入力コネクタ、出力コネクタ)

電源周り

ESP32と加速度センサー

💻環境

ライブラリ

📝作業ログ

ピン番号の変更

動作確認1 - I2C周りの修正

動作確認2-加速度センサー軸の修正

📄メモ

64x32に変更する場合

RGBの順番変更

mapと当たり判定

さいごに

Discussion

ESP32	LED Mat. IN	LED Mat. OUT
-	R1	R0
-	G0	R1
-	G1	G0
-	B0	G1
-	B1	B0
19	A	-
23	B	-
18	C	-
5	D	-
25	LAT	-
16	OE	-
14	CLK	-
13	R0	-
GND	GND	-