用Arduino和加速度传感器制作数字滚球迷宫【后篇】

前篇：用Arduino和加速度传感器制作数字滚球迷宫

这次将为大家介绍一个使用Arduino制作的独特电子作品项目，将会分【前篇】和【后篇】两部分进行介绍。为我们介绍这个非常有趣的电子制作项目的是平原真先生，他是一位以事物之间的关系为主题进行探索的艺术家。平原先生同时也是大阪艺术大学的副教授，迄今为止，他使用计算机和电子器件制作了很多媒体艺术作品。在Device Plus上，平原先生也发表了一些极具意义的电子作品，例如“用Arduino制作的太阳能电池板供电数字生态箱”和“用Arduino和TOF距离传感器制作甜甜圈播放器”。在后篇中，我们将会见证数字滚球迷宫是如何完成的。

前言

大家好！我是平原。本文是“用Arduino和加速度传感器制作数字滚球迷宫”的后篇。在前篇中，我们组装了电子电路，写入了Arduino程序，并确认了电子部件的工作情况。接下来，在本文中我们将完成实物迷宫的制作，并使用游戏引擎Unity实际制作游戏。请大家也一起参与挑战！

本项目的组成

本项目共分为六个部分。
在前篇中，我们完成了作品规划、电子电路和Arduino程序。
在后篇中，我们将按照以下1到3的步骤进行制作。

制作迷宫外壳

创建迷宫的3D模型

Unity程序

1. 制作迷宫外壳

迷宫的设计是决定游戏可玩性的重要因素。我们需要一边想象小球如何滚动一边制作迷宫。

我们按照以下步骤制作迷宫外壳：

设计盒子

设计迷宫

切割材料

组装盒子和迷宫

固定电子部件

粘贴标记

步骤1：设计盒子

盒子由5块椴木单板粘合而成。盒子的尺寸为宽145mm、宽145mm、高70mm，以便里面有足够的空间放置部件。板的厚度为4mm。为了使角部贴合在一起，设计时要考虑到厚度。在背面的板上打一个可以让USB数据线穿过的孔。请使用Illustrator设计要裁剪的形状。请参阅分发文件CutBox.ai。

>> 分发文件下载（50.4MB）

步骤2：设计迷宫

在这个迷宫中，将正方形的盘面分成10个方格×10个方格，并设置围墙。起点在左下角，终点在右上角。我创建了3种不同难度级别的迷宫。这里创建的迷宫数据不仅会用作激光加工机的切割数据，还会用于创建要在Unity中使用的3D模型。

在Illustrator中，将正方形分隔成10个方格 x 10个方格并绘制之间围墙。使用网格功能会很方便。需要一边想象小球的滚动一边思考迷宫的设计。

如果从头开始创建比较麻烦，可以参考下面的迷宫自动生成工具。

>>自动创建迷宫

完成后，调整线条的粗细，勾勒出整体轮廓，然后调整其大小以适应145mm x 145mm的盒子。

迷宫的地板与盒子底部的形状相同。将墙壁与地板粘在一起形成迷宫。然后雕刻起点（S）和终点（G）。

创建具有3个难度级别的迷宫。1级没有特别的关卡（左）。2级的起点和终点之间没有连接，无法直接到达终点，小球在途中掉入一个洞中，就会穿越到另一个洞（中间）。3级的中心被挖空成圆形，这部分会像旋转门一样移动（右）。请参阅分发文件中的CutMaze.ai。

步骤3：切割材料

请使用创建的数据用激光加工机对椴木单板进行切割。椴木单板的厚度为4mm，请根据要使用的设备进行切割所需的设置。

切割后的迷宫。迷宫的墙壁很薄，应该小心处理，以免它们断裂。

步骤4：组装盒子和迷宫

用木材专用胶粘贴盒子。这种胶即使用量很少也可以粘得很牢固，不要用量太大哦。

以同样的方式将迷宫的地板和墙壁粘在一起。请用牙签等在迷宫的墙壁背面粘上少量的胶，然后根据地板和墙壁的位置进行粘贴。注意不要混淆表面和背面，以及起点和终点的位置。

步骤5：固定电子部件

使用3D打印机制作一个面包板底座，将底部抬高28mm，使反射式光电传感器处于接触盖子背面的高度。请使用分发文件BreadboadHolder.stl。如果您正好有一个高度合适的盒子，也可以用它来代替。

将面包板嵌入支架中，并用双面胶将支架和Arduino UNO固定在盒子上。

步骤6：粘贴标记

制作标记用于反射式光电传感器的读取。请在不干胶纸上打印两个30mm x 30mm正方形并列的矩形。由于反射式光电传感器对喷墨打印机的墨水没有反应，所以请用黑色的笔涂抹为黑白、白黑、黑黑。

将标记粘贴在盖子背面的反射式光电传感器的位置。下面的照片中，从左到右的难度等级依次为1级、2级和3级。1级难度的迷宫，反射式光电传感器1为黑色，反射式光电传感器2为白色。难度的差异是通过白色和黑色的组合来判断的。

2. 创建迷宫的3D模型

我们按照以下步骤创建迷宫的3D模型：

从Illustrator导出SVG文件

将SVG文件导入Fusion360

利用推挤功能创建立体模型

输出OBJ文件

步骤1：从Illustrator导出SVG文件

将Illustrator中的迷宫数据导出为SVG文件。移动在“1.制作迷宫外壳”的步骤2中创建的迷宫轮廓数据，使中心为0,0。从Illustrator菜单中选择[文件] > [另存为]，然后选择SVG作为文件类型。请创建从1级到3级共3个文件。

步骤2：将SVG文件导入Fusion360

将步骤1中导出的SVG文件导入到3D CAD软件Fusion 360中。Fusion360的安装方法请参考其官网：

>> Fusion360

请从Fusio 360的菜单中，选择 [插入] > [插入SVG]， 将步骤1中导出的SVG文件导入Fusio 360。导入的形状是草图。

步骤3：通过推挤功能创建立体模型

推挤迷宫的形状，使其成为立体模型。请将整个草图向下推挤5mm以使其成为地板。接下来，请仅将墙壁部分向上推出5mm。

在2级难度迷宫的地板上打两个用来穿越的孔，孔径约为Φ8mm。
3级难度的迷宫，在中央挖空Φ48mm的圆圈，制作两层地板。

步骤4：输出OBJ文件

需要从Fusion 360导出OBJ文件。请从Fusion 360的菜单中选择[文件] > [导出] ，然后将文件导出为OBJ文件。由于该过程需要在云端完成，因此需要一些时间。完成后，该文件将会进入下载文件夹中。分发文件MazeLv1.obj、MazeLv2.obj、MazeLv3-A.obj、MazeLv3-B.obj是完成后的数据。

3. Unity程序

终于到了Unity中的程序部分了。请按照以下步骤操作：

在Unity中创建一个新项目

加载3D模型

配置小球

运用物理运算

安装Serial Port Utility Pro

主程序

设置终点

2级关卡

3级关卡

切换迷宫

步骤1：在Unity中创建一个新项目

本次使用的Unity版本为2019.4.8f1 Personal。Unity的安装方法请参考其官网：

>> Unity

请用3D模式创建一个新的Unity项目。

步骤2：加载3D模型

加载迷宫的3D模型。将Fusio 360导出的OBJ文件拖放到Unity项目面板中的Asset文件夹中。

创建一个空的GameObject来挂载迷宫。请从Unity菜单中，选择[Game Objects（游戏对象）] > [Create Empty（创建空对象）]。 将新建的GameObject重命名为“MazeObject”，并将Transform的位置设置为0。

将3D模型配置于stage上。将刚刚加载的地图的3D模型“MazeLv1”拖放到层级面板的“MazeObject”中。如果直接这样用，大小和旋转会很奇怪，因此需要进行调整以使其处于正确的位置。请通过检视面板的Transform，将旋转设置为X270、Y180，将缩放设置为0.2。以同样的方式设置2级的3D模型。3级由“MazeLV3-A”和“MazeLV3-B”两个3D模型组成，因此请创建一个名为“MazeLv3”的空GameObject，并将这两个3D模型放入其中。

需要更改每个级别的颜色。请从Unity菜单中选择 [Asset] > [Create] > [Material]，创建三个材质。名称分别是“MatLv1”、“MatLv2”和“MatLv3”。在材质的Inspector面板的反照率（Albedo）项目中更改颜色。我们将“MatLv1”设置为浅蓝色，“MatLv2”设置为黄色，“MatLv3”设置为橙色。请将创建的材质拖放到“MazeLv1”、“MazeLv2”、“MazeLv3-A”、“MazeLv3-B”中的网格上。可以看到迷宫已被着色。

当前，三个迷宫是重叠显示的，但“MazeLv2”和“MazeLv3”处于初始状态，可以将它们禁用，在Inspector面板中名称的左侧取消选中即可。

步骤3：配置小球

将小球配置在起点。请从Unity菜单中，选择[Game Objects（游戏对象）] > [3D Objects（3D对象）] > [Sphere（球体）]。对象的名称是“Sphere”。更改为从正上方向下看的视角，更容易对齐位置。我想让小球从空中落下，所以将y设置为5.0左右。

步骤4：运用物理运算

给3D模型赋予判断碰撞的功能。请在“MazeObject”中选择“MazeLv1”，在Unity菜单中选择[Component（组件）] > [Physics（物理）] > [Rigid Body（刚体）]。从刚体的设置项目中取消选中“Use Gravity（使用重力）”并选中“Is Kinematic（开启动力学）”。碰撞检测项请选择“连续且动态地进行碰撞检测”。需要减少墙壁的摩擦力。然后请从Unity菜单中选择[Component（组件）] > [Physics（物理）] > [Mesh Collider（网格碰撞器）]。网格碰撞器设置项目中的网格，请选择“MazeLv1”中包含的网格。

将刚体和网格碰撞器附加给“MazeLv2”、“MazeLv3-A”和“MazeLv3-B”并进行相同的设置。

最后，将刚体附加给小球。选择“Sphere”，然后从Unity菜单中选择 [Component（组件）] > [Physics（物理）]> [Rigid Body（刚体）]。我希望“Sphere（球体）”根据重力移动，因此仍保持选中“UseGravity（使用重力）”。

如果在这个阶段执行程序，小球应该会落下并碰撞迷宫。您可以试试看这部分的运行情况。

步骤5：安装Serial Port Utility Pro

Unity与Arduino之间的通信仅通过标准功能也能实现，但这次我们将使用名为“Serial Port Utility Pro (SPUP)” 的工具。使用SPUP进行通信时，您可以不必担心运行环境的差异。这个工具在资源商店的售价为79美元，不过您可以从其官网下载试用版。试用版需要在通信量达到一定程度时重新启动Unity。我们可以在开发过程中使用试用版，在想长期使用时购买它。

>> Serial Port Utility Pro

下载试用版后，请解压缩ZIP文件。从Unity菜单中，请选择[Assets（资产）] > [Import Package（导入包）] > [Custom Package（自定义包）] ，然后选择ZIP文件中包含的“spup_v2_free.unitypackage”。在接下来出现的窗口中，请选择并导入包中的所有文件。

然后，创建一个空的GameObject，并附加SPUP组件。请从Unity菜单中，选择[Game Objects（游戏对象）] > [Create Empty（创建空对象）]。 将新创建的游戏对象重命名为“SPUPObject”。选择“SPUPObject”后，请从Unity菜单中选择[Component] > [SerialPort] > [SerialPort Utility Pro]，添加组件。

设置为连接Arduino UNO。使用USB数据线将Arduino UNO连接到您的电脑，在已连接状态下按下“SerialPort Utility Pro”上显示“Show the devices connected to this PC”的黄色按钮。如果您按下在新窗口中打开的按钮，将会自动输入VenderID、ProductID和Serial Number。需要使通信速度与Arduino程序中设置的值相匹配。请从BaudRate的下拉菜单中选择57600bps。需要设置接收来自Arduino的数据的方法。请将“Read Protocol”设置为“Line Feed Data To String”。

步骤6：主程序

创建一个用SPUP执行串行通信并根据加速度传感器模块的值移动迷宫的程序。这是本项目的核心程序。

请从Unity菜单中选择[Assets] > [Create] > [C# Script]，创建一个C#文件，并将其命名为“MazeScript”。双击C#文件打开编辑器，输入以下代码。

MazeScript.cs

using System.Collections; using System.Collections.Generic; using UnityEngine; using System; public class MazeScript : MonoBehaviour { public SerialPortUtility.SerialPortUtilityPro serialPort = null; Vector3 accSensor;//加速度传感器 int photoRef1 = 0;//反射式光电传感器1 int photoRef2 = 0;//反射式光电传感器2 int threshold = 700;//反射式光电传感器阈值 int mazeType = 0;//0:无 public GameObject mazeLv1;//迷宫Lv1的游戏对象 public GameObject mazeLv2;//迷宫Lv2的游戏对象 public GameObject mazeLv3;//迷宫Lv3的游戏对象 public GameObject ball;//小球的游戏对象 public GameObject goalText;//显示终点 public Vector3 cameraPosOffset;//小球和相机的距离 Vector3 ballDefaultPos; void Start () { ballDefaultPos = ball.transform.position;//记录小球的初始位置 reset(); } void Update () { //摄像头 Camera.main.transform.position = ball.transform.position + cameraPosOffset; Camera.main.transform.LookAt(ball.transform.position); // 旋转 Vector3 rotationEuler = new Vector3(Mathf.Atan2(accSensor.x, accSensor.z) / Mathf.PI *180, 0, Mathf.Atan2(accSensor.y, accSensor.z) / Mathf.PI *180); Quaternion rotation = Quaternion.Euler(rotationEuler); gameObject.transform.rotation = Quaternion.Lerp(gameObject.transform.rotation,rotation, 0.1f); // 复位 if(Input.GetKeyDown(KeyCode.Space)) { reset(); } } public void reset() { setMaze();//迷宫的初始化 ball.transform.position = ballDefaultPos; ball.GetComponent().velocity = Vector3.zero; ball.GetComponent().angularVelocity = Vector3.zero; goalText.SetActive(false); stopVibe();//振动电机停止 } public void setMaze() { Debug.Log("photoRef1:" + photoRef1 +" photoRef2:" + photoRef2); if( (photoRef1 == 0) && (photoRef2 == 0)) { //如果值为 0，则不执行任何操作 return; }else if( (photoRef1 < threshold) && (photoRef2 > threshold) ) { //1级 mazeType = 1; mazeLv1.SetActive(true); mazeLv2.SetActive(false); mazeLv3.SetActive(false); }else if( (photoRef1 > threshold) && (photoRef2 < threshold) ) { //2级 mazeType = 2; mazeLv1.SetActive(false); mazeLv2.SetActive(true); mazeLv3.SetActive(false); }else if( (photoRef1 < threshold) && (photoRef2 < threshold) ) { //3级 mazeType = 3; mazeLv1.SetActive(false); mazeLv2.SetActive(false); mazeLv3.SetActive(true); } } public void ReadComplete(object data) { var text = data as List; if(text.Count != 5) return; accSensor = new Vector3( float.Parse(text[0]), float.Parse(text[1]), float.Parse(text[2])); photoRef1 = int.Parse(text[3]); photoRef2 = int.Parse(text[4]); } public void startVibe() { //使振动电机运转的命令 serialPort.WriteCRLF("start"); } public void stopVibe() { //使振动电机停止的命令 serialPort.WriteCRLF("stop"); } }

请将“MazeScript”拖放到“MazeObject”。

从“MazeObject”的检视面板中设置“MazeScript”。将“SPUPObject”拖放到Serial Port（串行端口）。将“MazeObject”中的“MazeLv1、Lv2、Lv3”分别拖放到“Maze Lv1、Lv2、Lv3”项目中。将“Sphere”拖放到“Ball”上。Goal Text（终点文本）将在稍后设置，因此暂时将其留空。Camera Pos Offset用来设置摄像头和小球保持多少距离。请输入x 0、y 5、z -3。

在“SPUPObject”的检视面板的SerialPortUtilityPro设置中，有一个叫做“Read Complete Event Object(Object)”的项目。该项目用来指定接收到串行通信时调用的函数。这里为“MazeScript”的 ReadComplete函数。

请单击项目右下角的加号图标。将Maze Object（迷宫对象）拖放到“无（对象）”字段。单击右上角的Nofunction下拉菜单，然后选择[MazeScript] > [ReadComplete]。

如果在这里执行程序，应该可以收到来自Arduino的加速度传感器模块数据，并且迷宫应该可以动了。那就试试这部分程序的运行情况吧。然后，该休息一下了！

步骤７：设置终点

我们需要创建一个当成功到达终点时做出反应的机制。在终点设置一个用于判断碰触终点的透明对象（触发器），当小球碰到触发器时，会显示文本对象。

请从Unity菜单中选择 [Game Object] > [3D Object] > [Cube]，创建一个立方体。将其重命名为“GoalTrigger”，并将其放置在层级面板的“MazeObject”中。移动到地图右上角的终点附近，通过缩放来调整大小。请取消选中“Mesh Renderer（网格渲染器）”，并将其设为隐藏，选中“BoxClider”的“设为触发器”。

然后需要配置文本对象。请从Unity菜单中选择[Game Object] > [3D Object] > [3DText]。将其重命名为“GoalText”，并将其放置在层级面板的“MazeObject”中。当使Transform的X旋转90度时，应该可以看到“HelloWorld”字样。在检视面板的文本项目中输入“GOAL!!!”。改变Transform的位置，将其移动到终点附近，将缩放设置为 0.2，并将字体大小设置为 100。

将用于判定到达终点的程序附加到“GoalObject”。
请从Unity菜单中选择[Assets] > [Create] > [C# Script（C#脚本）]，创建一个C#文件，并将其命名为“GoalScript”。双击C#文件打开编辑器，输入以下代码。

GoalScript.cs

using System.Collections; using System.Collections.Generic; using UnityEngine; public class GoalScript : MonoBehaviour { public GameObject goalText; MazeScript MazeScript; void Start() { MazeScript = transform.root.GetComponent(); } void OnTriggerEnter(Collider other) { //接触时调用的事件 if(other.name == "Sphere"){//如果名字是Shpere， goalText.SetActive(true);//显示终点文本 MazeScript.startVibe();//发送使振动电机运转的命令 } } }

请将“GoalScript”拖放到“GoalTrigger”，将“GoalText”拖放到“Goal Script”的“Goal Text”项目中。

从“MazeObject”的检视面板中，将“GoalText”拖放到“MazeScript”的“GoalText”栏中。

如果在这里执行程序，当到达终点时会显示“GOAL!!!”，并且振动电机应该会振动。要停止振动时，请按空格键重置游戏。终于像游戏样了！

步骤８：2级关卡

需要给2级难度的迷宫添加扭曲功能。将触发器配置在地板开孔的下方，然后将小球移动到扭曲对象的坐标处。

首先，请禁用“MazeLv1”并激活“MazeLv2”。就像设置到达终点判定机制一样，制作一个立方体，将其放在地板开孔的下方，然后选中“BoxClider”的“设为触发器”。对象的名称是“WarpIn1”和“WarpIn2”。

接下来，需要配置对象，用来指定要扭曲的目标。请从Unity的菜单中选择[Game Object] > [Create Empty]。对象的名称是“WarpOut1”和“WarpOut2”。将其配置在另一个孔的附近。

请将“WarpIn1”、“WarpIn2”、“WarpOut1”和“WarpOut2”放入层级面板的“MazeLv2”中。

需要编写一个脚本来控制扭曲。请创建C#文件并在编辑器中输入以下代码：

WarpScript.cs

using System.Collections; using System.Collections.Generic; using UnityEngine; public class WarpScript : MonoBehaviour { public GameObject warpOut; void OnTriggerEnter(Collider other) { if(other.name == "Sphere"){ other.transform.position = warpOut.transform.position; } } }

请将“WarpScript.cs”附加到“WarpIn1”和“WarpIn2”中，并将“WarpOut1”和“WarpOut2”拖放到“Warip Out”项。

当执行这部分程序时，小球掉进洞里，会穿越到另一个洞附近。

步骤9：3级关卡

3级难度的迷宫由两部分组成。迷宫外侧为“MazeLv3-A”，中间圆形挖空部分为“MazeLv3-B”。需要使中心部分缓慢旋转。请禁用“MazeLv2”并激活“MaseLv3”。然后编写使对象旋转的代码。请创建一个C#文件并输入以下代码：

RotateScript.cs

using System.Collections; using System.Collections.Generic; using UnityEngine; public class RotateScript : MonoBehaviour { void Update() { transform.Rotate(new Vector3(0.0f, 0.0f, 0.05f)); } }

将“RotateScript.cs”附加到“MazeLv3-B”后，中心部分将会旋转。碰撞检测功能也会正常工作。

步骤10：切换迷宫

终于完成了这三个迷宫。最后，我们需要进行一些设置，使替换实物迷宫时3D模型迷宫也会切换。请在1级实物迷宫放置在盒子上的状态下，运行Unity项目。当按下空格键时，控制面板上将会显示如下所示的反射式光电传感器反应值。

photoRef1:451 photoRef2:971

在1级实物迷宫的背面，在反射式光电传感器1的位置贴有黑色标记，在反射式光电传感器2的位置贴有白色标记。也就是说，反应值为黑色451，白色971。根据反射式光电传感器的高度，该值可能会有所不同，但存在“黑色<白色”的关系。

1级是黑白，2级是白黑，3级是黑黑，所以需要确定白色和黑色的阈值，当满足每个条件时就切换迷宫。

请看“MazeScript.cs”的第13行。在这里设置阈值。我们将阈值设为700，该值大致位于白色（451）和黑色（971）的中间。

int threshold = 700;//反射式光电传感器阈值

在按下空格键时调用的setMaze()中，处理不同的情况。

public void setMaze() { Debug.Log("photoRef1:" + photoRef1 +" photoRef2:" + photoRef2); if( (photoRef1 == 0) && (photoRef2 == 0)) { //如果值为 0，则不执行任何操作 return; }else if( (photoRef1 < threshold) && (photoRef2 > threshold) ) { //1级 mazeType = 1; mazeLv1.SetActive(true); mazeLv2.SetActive(false); mazeLv3.SetActive(false); }else if( (photoRef1 > threshold) && (photoRef2 < threshold) ) { //2级 mazeType = 2; mazeLv1.SetActive(false); mazeLv2.SetActive(true); mazeLv3.SetActive(false); }else if( (photoRef1 < threshold) && (photoRef2 < threshold) ) { //3级 mazeType = 3; mazeLv1.SetActive(false); mazeLv2.SetActive(false); mazeLv3.SetActive(true); } }

已完成的Unity项目请参考分发文件中的“UnityApp”。但是，免费版的SerialPortUtilityPro无法分发文件，因此删除了SerialPortUtilityPro包和“SPUPObject”。请参阅步骤5进行设置。

4. 结束语

大家辛苦了！这个“数字滚球迷宫”怎么样？我认为这是一个使用Arduino和传感器将实物和数字内容混合在一起的有趣作品。

在本文中，我们制作了三个stage，还制作了要穿越的洞和旋转的墙壁。此外，还可以根据创意和想法创建各种stage，比如貌似有粘性而缓慢移动的地板、进入内部会弹出到空中的大炮、以及追球的对手角色。请大家勇敢地尝试制作原创stage作品！

本系列连载一览

前篇：用Arduino和加速度传感器制作数字滚球迷宫
后篇：用Arduino和加速度传感器制作数字滚球迷宫（本章）

平原真

以事物之间的关系为主题进行探索的艺术家。他使用电脑和电子设备创作了很多媒体艺术作品，近年来，主要使用木材和石头等天然素材创作三维立体作品。日本长冈造形大学副教授。Oggoroggo Products的代表。著有《Arduino实战！ 通过电子制作让梦想成真》（OHMSHA）。https://makotohirahara.com/