ものづくり情報局: 6月 2026

2026年6月12日金曜日

マイコンゲームの乱数初期化方法（２）

　マイコンによっては、EEPROMが使えない場合があります。その時の一例です。

スイッチ回路

　右はスイッチ回路を接続した図です。

左のボードはESP32マイコンをGroveコネクタで接続できるようにした拡張ボードです。

　ブレッドボードにスイッチを配置して、GroveケーブルでIO13ーGND間に接続しています。

スイッチから乱数列を初期化する

　ゲームをするときに、ほぼスタートスイッチで始める場合が多いかと思います。このスイッチを利用します。スイッチを押してから離すまでの時間を使って乱数の初期化をします。

　プログラム例です。

#define SW  13
long cnt=0;
void setup() {
  pinMode(SW,INPUT_PULLUP);
  Serial.begin(115200);
  delay(100);
  Serial.printf("Plese press the SW.\n");
  // 押されるまで待つ
  while(digitalRead(SW)!=0);
  Serial.printf("Plese release the SW.\n");
  cnt=micros();
  // 離すまで待つ
  while(digitalRead(SW)==0);
  cnt=micros()-cnt;  
  Serial.printf("cnt: %5ld\n", cnt);
  // 乱数の初期化
  srand(cnt);
  for(int i=0;i<10;i++){
    int r=random();
    Serial.printf("%5d\n",r);
  }
}
 
void loop() {
}

　Arduinoでは内部時間を持ってします。millis()関数やmicros()関数を使うと、リセットされてからの時間を取得できます。

　これを利用して、スイッチを押したときの内部時間と話したときの内部時間の差を取ると、スイッチを押していた時間が取得できます。この時間は個人差があり、毎回異なります。この時間をmicros()関数で計算すると、マイクロ秒で時間を取得できます。マイクロ秒単位であれば、ほとんど同じになることはありません。

　実行結果を示します。

　先頭のcntがスイッチを押していた時間[μS]です。これを乱数の初期化に使うと、毎回異なる乱数列となります。

　Arduinoマイコンでない場合でも、押しているときに数値をカウントするだけで、同じ働きが作ることができます。

2026年6月11日木曜日

マイコンゲームの乱数初期化方法（１）

　マイコンでゲームをプログラミングする場合、生成される乱数列が固定されてしまいます。つまり、常に同じ乱数でゲームをすることになり、記憶すれば攻略することができてしまいます。

random関数の動作を確認する

　まず、random関数の動作確認をします。次のプログラムを実行します。

void setup() {
  Serial.begin(115200);
  delay(100);
  for(int i=0;i<10;i++){
    int r=random();
    Serial.printf("%5d\n",r);
  }
}
void loop() {
}

　乱数を１０個表示させるプログラムです。

　実行させると、右図のように乱数が表示されます。

何度もリセットボタンを押して、再起動しても同じ乱数が表示されます。

EEPROMを使う

　ゲームのプログラミングを行うときに、パソコンのように内部時計が動作していると、起動時の時間から乱数列の初期化を行うことができます。

　しかし、マイコンで、WiFi機能があるとインターネットに接続することもできますが、一般的には割高になってしまいます。

　初期化する方法として、EEPROMにプログラムが実行された回数を記憶しておき、その数値で乱数の初期化をすることができます。

#include "EEPROM.h"
int addr = 0;
#define EEPROM_SIZE 64
void setup() {
  Serial.begin(115200);
  EEPROM.begin(EEPROM_SIZE);
  delay(100);
  byte cnt=EEPROM.read(addr);
  Serial.printf("cnt: %2d\n", cnt);
  // 乱数の初期化
  srand(cnt);
  // EEPROMのカウントアップ
  cnt++;
  EEPROM.write(addr, cnt);
  EEPROM.commit();

  for(int i=0;i<10;i++){
    int r=random();
    Serial.printf("%5d\n",r);
  }
}

void loop() {
}

　プログラムでは、EEPROMから読み出し、プラス１してEEPROMに書き込み直します。読みだした数値で乱数の初期化を行い、その後、１０個の乱数を発生、表示しています。

　実行結果が右図です。

　先頭でEEPROMの数値cntを表示後、１０個の乱数を表示させた結果です。

　cntの値が変わると、乱数列が変わっていることが確認できます。

EEPROMを使った乱数の初期化（アレンジ）

　プログラムの起動回数cntを使った乱数の初期化ですが、起動回数が同じであれば、同じ乱数になってしまいます。

　これを回避する一例として、ハイスコアを別のEEPROMのアドレスに記憶しておき、起動回数cntと組み合わせて、乱数の初期化を行うことや、スイッチの押された回数を記憶して、起動回数cntと組み合わせるなどのアレンジをすると、同じ起動回数でも乱数列を変えることができます。

2026年6月4日木曜日

ロードセルを使った重心計算（３）

重心の計算のための準備

　重心を求めるためには座標の概念が必要です。そこで、右図のように座標を設定します。

　ボードの中央が原点Ｏです。

　正規化して-1～+1の割り当てでも良いのですが、計算するときに、浮動小数点演算となるので、座標をｰ100～+100としました。

重心の計算アルゴリズム

　重心計算は物理学で出てきます。

　右図のように、点Ａ～Ｃの座標x、yとその点の荷重mが与えられたときに、重心Ｇの座標XG、YGは次の式で計算することができます。

　４点以上でも同様な計算で求めることができます。

　それぞれの点は

　点Ａ(-100,+100,m1)

　点B(+100,+100,m2)

　点C(-100,-100,m3)

　点D(+100,-100,m4)

となるので、重心の式に当てはめると、次の式となります。

　よって、ロードセルで重量を測定し、右の式で計算することで、重心位置（XG，YG）を計算することができます。

　計算結果を表示させたものが、右図です。

図の一番右側に、重心の座標が（XG，YG）が表示されています。

（重心位置が中央に近い場合には非表示にしています）

ロードセルを使った重心計算（２）

重心を測定するためのハードウェア

　ロードセルを部材に付けるために、右のように３Ｄプリンタでネジ留しやすいように設計しました。また、ケーブルも細いため、切断しにくいように、スパイラルチューブで保護しています。

　重心を測定するため、１ｘ４材の木組みの角にロードセルを４個設置しました。各ロードセルから、HX711を経由して、中央のESP32マイコンに接続しています。

　これで、4つのロードセルにかかる荷重を測定できるようになります。

プログラム

　4個のロードセルから読み込むためには、インスタンスを4個作ってプログラムします。　

  HX711 scale1(  32, 33 );
  HX711 scale2(  25, 26 );
  HX711 scale3(  19, 23 );
  HX711 scale4(   5, 18 );

　あとはそれぞれに対して、begin()、getGram()などのコマンドにより、4つのロードセルにかかる荷重を測定します。

　実行結果（シリアルモニタ）を示します。

　W1～W4が、それぞれのロードセルから読み込んだ重量、Wが合計になります。

（合計は総重量となります）

2026年6月3日水曜日

ロードセルを使った重心計算（１）

ロードセルとＡＤモジュール

　ロードセルは、電子はかりなどに使われているセンサです。いろいろな形状があるのですが、右図は今回使用したロードセルです。50Kgまで測定できます。

　ロードセルにはひずみゲージが付けられており、その抵抗の変化で、重さを測定するものです。

　ロードセルから重さのデータを取得するには、HX711と呼ばれるロードセル用のＡＤモジュールが使われます。

　このモジュールでは、標準で1秒間に10回（10Hz）のデータ取得ですが、右上の抵抗(0Ω)を80Hz側にする(短絡)ことで、1秒間に最大80回までのデータ取得が可能になります。

　ロードセルとの接続は、左側のE+、E-、A-、A+の4端子を使って接続します。Arduinoとの接続は、右側のGND、DT、SCK、VCCの4端子を接続します。

Arduinoプログラミング

　Arduinoでは、HX711用のライブラリがありますので、これを利用すると簡単に重さを測定することができます。ただし、ロードセルには測定できる重さが様々のため、パラメータ設定が必要です。サンプル例を示します。

#include "hx711.h"

// HX711    ( dat, sck )  ピンの設定 
HX711 scale(  19, 18 );
// ロードセル設定
#define OUT_VOL   0.001f      // 定格出力 [mV/V]
#define LOAD      50000.0f    // 定格容量 [kg]
long offset;

int kg = -1;
long gram;

void setup(void) {
  Serial.begin( 115200 );
  delay(200);
  Serial.printf("\n\n" );
  Serial.printf("=== start System. ===================\n" );

    // HX711 初期化
  scale.begin();
  if( scale.isReady() ){
    scale.setOutVol( OUT_VOL );
    scale.setLoad( LOAD );
    delay(50);
    long sum=0;
    for(int i=0;i<10;i++){
      sum += abs( scale.getGram() );
    }
    offset = sum / 10;
  }
}

int readWeightKg(){
  kg= -1;
  if( scale.isReady() ){
    gram = abs( abs(scale.getGram()) -  offset ) ;
    kg  = (int)(( gram ) / 1000 );
    if( kg < 0 ) kg = 0;
  }else{
    kg = -1;
  }
  return kg;
}

int cntKg= 0;
int cntLED= 0;
void loop(void) {
  delay(1);
  cntKg++;
  if( cntKg > 100 ) {
    cntKg=0;
    int kg = readWeightKg();
    if( kg >= kg_TH ){
      Serial.printf("Weight: %4ld[g]\n", gram );    
    }
  }
}<10 -="" 0="" 1000="" 10="" abs="" cntkg="" cntled="0;" delay="" else="" gram="" i="" if="" int="" kg="" loop="" offset="" readweightkg="" return="" scale.getgram="" scale.isready="" sum="" void="">

　プログラムでは、ロードセルのばらつきがあるため、setup()内で初期化後に、10回読み込み、平均を取ってオフセット値を計算しています。

　実際の値は、読み込んだ値からオフセット値を引いたものが、実際の重量となります。　

　実行結果は右のシリアルモニタです。

　参考にソースコードを見る方は次のリンクからご覧ください。

ソースコード

登録: 投稿 (Atom)

ものづくり情報局