地震計を作ってみる(その3)

取り敢えずOLCDに震度測定値を表示できるようにした。あとラズパイのシャットダウンがネットワーク未接続でも対応できるようにシャットダウンボタンを追加、

現時点でのコード

<seismic.py>

#
# core code is as follow
# https://github.com/p2pquake/rpi-seismometer/blob/master/seismic_scale.py
#
import time
import datetime
import math
import socket

import spidev
import os
import sys

import RPi.GPIO as GPIO
import subprocess

# FPS制御 -----
# ターゲットFPS
target_fps = 200

start_time = time.time()
frame = 0

# initial skip
skip = 7

# Shut down sw is assigned to GPIO17
# GPIO initialize
SHUTDOWN = 17

GPIO.setwarnings(False)
GPIO.setmode(GPIO.BCM)
GPIO.setup(SHUTDOWN, GPIO.IN)
GPIO.setup(SHUTDOWN, GPIO.IN, pull_up_down=GPIO.PUD_UP)

# wait for spidev driver ready
time.sleep(20)

def handle_sw_input():
# wait key inout event
    def switch_callback(gpio_pin):
        subprocess.call('sudo shutdown -h now', shell=True)
#
    GPIO.add_event_detect(SHUTDOWN, GPIO.FALLING,bouncetime=250)
    # when the sw was pushed, call the 'call back routine' 
    GPIO.add_event_callback(SHUTDOWN, switch_callback) 
    return

handle_sw_input()

# SPIセンサ制御 -----
spi = spidev.SpiDev()
spi.open(0,0)
spi.max_speed_hz = 1000*1000

def ReadChannel(channel):
    adc = spi.xfer2([(0x07 if (channel & 0x04) else 0x06), (channel & 0x03) << 6, 0])
    data = ((adc[1] & 0x0f) << 8 ) | adc[2] return data # reset the seisamic intensity with open("/home/pi/python/value.txt", "w") as file: file.write("0") file.close() # 加速度データ制御 ----- # A/Dコンバータ値 -> ガル値 係数
ad2gal = 1.13426
# 0.3秒空間数
a_frame  = int(target_fps * 0.3)

# 地震データ -----
adc_values = [[1] * target_fps, [1] * target_fps, [1] * target_fps]
rc_values   = [0, 0, 0]
a_values = [0] * target_fps * 5

adc_ring_index = 0
a_ring_index = 0

# リアルタイム震度計算 -----
while True:
    # リングバッファ位置計算
    adc_ring_index = (adc_ring_index + 1) % target_fps
    a_ring_index = (a_ring_index + 1) % (target_fps * 5)

    # 3軸サンプリング
    for i in range(3):
        val = ReadChannel(i)
        adc_values[i][adc_ring_index] = val
   
    # フィルタ適用及び加速度変換
    axis_gals = [0, 0, 0]
    for i in range(3):
        offset = sum(adc_values[i])/len(adc_values[i])
        rc_values[i] = rc_values[i]*0.94+adc_values[i][adc_ring_index]*0.06
        axis_gals[i] = (rc_values[i] - offset) * ad2gal

    # 3軸合成加速度算出
    composite_gal = math.sqrt(axis_gals[0]**2 + axis_gals[1]**2 + axis_gals[2]**2)

    # 加速度リングバッファに格納
    a_values[a_ring_index] = composite_gal

    # 0.3秒以上継続した合成加速度から震度を算出
    seismic_scale = 0
    min_a = sorted(a_values)[-a_frame]
    if min_a > 0:
      seismic_scale = 2 * math.log10(min_a) + 0.94

    # 0.1秒おきに出力
    if frame % (target_fps / 1) == 0:
            if seismic_scale > 0.5:
                if skip > 1:
                    skip -= 1
                else:
                    with open("/home/pi/python/value.txt", "w") as file:
                        file.write(str(round(seismic_scale, 1)))
                        file.close()
                    #print(datetime.datetime.now(), "scale:" , round(seismic_scale, 2), " frame:", frame)

    # 次フレームの開始時間を計算
    frame += 1
    next_frame_time = frame / target_fps

    # 残時間を計算し、スリープ
    current_time = time.time()
    remain_time = next_frame_time - (current_time - start_time)

    if remain_time > 0:
        time.sleep(remain_time)

    # フレーム数は32bit long値の上限あたりでリセットしておく
    if frame >= 2147483647:
        start_time = current_time
        frame = 1

表示(disp1.py)にはvalue.txtファイルを介在してデータ渡してます、時間情報と合わせてsqlite3に格納するようにする予定

<disp1.py>

import time
import board
import digitalio
from PIL import Image, ImageDraw, ImageFont
import adafruit_ssd1306

# Define the Reset Pin
oled_reset = digitalio.DigitalInOut(board.D4)

# Change these
# to the right size for your display!
WIDTH = 128
#HEIGHT = 32  # Change to 64 if needed
HEIGHT = 64  # Change to 64 if needed
BORDER = 5

# Use for I2C.
i2c = board.I2C()
oled = adafruit_ssd1306.SSD1306_I2C(WIDTH, HEIGHT, i2c, addr=0x3C, reset=oled_reset)

# Use for SPI
# spi = board.SPI()
# oled_cs = digitalio.DigitalInOut(board.D5)
# oled_dc = digitalio.DigitalInOut(board.D6)
# oled = adafruit_ssd1306.SSD1306_SPI(WIDTH, HEIGHT, spi, oled_dc, oled_reset, oled_cs)

# Clear display.
oled.fill(0)
oled.show()

# Create blank image for drawing.
# Make sure to create image with mode '1' for 1-bit color.
image = Image.new("1", (oled.width, oled.height))

# Get drawing object to draw on image.
draw = ImageDraw.Draw(image)

# Load default font.
font = ImageFont.truetype("fonts-japanese-gothic.ttf", 32)
#font = ImageFont.load_default()

# Draw Some Text
while True:
    with open("/home/pi/python/value.txt", "r") as file:
        text = file.read()
    image = Image.new("1", (oled.width, oled.height))
    draw = ImageDraw.Draw(image)
    #text = str(mag)
    (font_width, font_height) = font.getsize(text)
    draw.text(
        (oled.width // 2 - font_width // 2, oled.height // 2 - font_height // 2),
        text,
        font=font,
        fill=255,
    )

# Display image
    oled.image(image)
    oled.show()
    time.sleep(1)

震度は対数メモリでの尺度だから、震度七の強烈さはよく実感できます。

 

admin

地震計を作ってみる(その2)

部品実装と配線、配線チェックと単体の機能試験まで、

① 回路図:ライブラリが存在しないパーツは適宜置き換え、三端子、加速度センサー、OLECD、ライブラリあったのはラズパイI/FとADCだけという結果

アナログ電源はノイズ除去のためにL/Cでπ型のフィルタ構成にしています、ラズパイやM5StackなどのADCではデジタルノイズ混入しまくりだし、精度も10ビットしか取れないので震度計算の目的には使えないでしょう

 

P.S. 2024/10/1 回路図誤記修正(MCP3004電源)

 

② 実装と配線

アナロググランドは一点アース、この程度の周波数だとそれがベストだろう

③ 機能確認

・OLCD

https://qiita.com/tkarube/items/6808538012cba499d5e2

CircuitPythonのライブラリを使うのが今は推奨だが、動くだけなら旧ライブラリでも動くようだ

・加速度センサー

https://note.com/upyc101/n/nd3a1d606adf2

静止状態で一万回読み出して、最大値と最小値は、

python ./main.py
1259 1262
2045 2048
1843 1847

z, y, x座標の値ですが、z軸の値は重力加速度が加算(モジュールを裏返しにしている)されます。ガル値の計算では測定値からオフセットは差し引いていますが

S/Nでフルスケールに対してノイズレベルはおよそ60dB(およそ2/2000)はとれてるからまあまあではないか、

サンプルの最大・最小値を求めるために、リンクのコードのmain.pyは以下に変更、

import sub1

value_array = [
	[4000, 0],
	[4000, 0],
	[4000, 0]
]
adc = sub1.adc()    # クラス adc のインスタンスを作成

for j in range(10000):
	for i in range(3):
		c = adc.rdadc(i) 
		if c > value_array[i][1]:
			value_array[i][1] = c
		if c < value_array[i][0]:
			value_array[i][0] = c 
print(value_array[0][0], value_array[0][1])
print(value_array[1][0], value_array[1][1])
print(value_array[2][0], value_array[2][1])

 

admin

地震計を作ってみる

日本はいつも地震がどこかで発生しているから、自宅の揺れぐらいは観測してみたい。

https://greensoybean.hatenablog.com/search?q=地震計

を参考に作ってみる、最終的にはコードはRustにしてしまうつもりだけど、

地震計用のラズパイzeroはだいぶ前に調達済みで、地震計用の加速度計、三端子レギュレータ、ユニバ基板とコネクタ、ADコン、OLEDは部品調達して、基盤においてみた。

次のステップはアナロググランドとデジタルグランドをセパレーションして配線すること。

 

admin

Rust(@Raspberry PI zero)のクロスコンパイル環境構築

当然ながらzeroの能力ではRustのコンパイルには時間かかるので、クロス環境が必要です。以前Golang用のDocker(QEMU環境)では上手くいかなかった、おそらくlinkerの問題なのか、ので代替え案としてIntel MacのVMware環境でのUbuntuで環境作りました。

https://www.freecodecamp.org/news/embedded-rust-programming-on-raspberry-pi-zero-w/

を参考にしています。

いくつか修正が必要だったので、そこを記述します。

・ターゲットインストールのコマンドはtargetとaddが逆になってる

$ rustup target add arm-unknown-linux-gnueabihf configはobslete

 

・~/.cargo/configを使うのは古くて(obsoleteと言われる)コンパイル通らないから、.cargo/config.tomlに入れる(以下のように)てlinker対象ファイルはパスを通すかフルパスで指定

[target.arm-unknown-linux-gnueabihf]

linker = "/rpi_tools/arm-bcm2708/arm-rpi-4.9.3-linux-gnueabihf/bin/arm-linux-gnueabihf-gcc"

 

・hello worldのサンプルプログラムをcargo initで作成(sampleディレクトリに)してコンパイル

fn main() {
    println!("Hello, world! from Ubuntu compiler");
}
$ cargo build --release --target=arm-unknown-linux-gnueabihf

 

・バイナリをラズパイに転送(実行ファイルはsample/target/arm-unknown-linux-gnueabihf/release以下に存在)

$ scp release/sample pi@192.168.1.16:~/sample

 

・ラズパイで実行

$ ./sample

Hello, world! from Ubuntu compiler

 

ただし、

https://github.com/raspberrypi/tools

のページには、

tools

These toolchains are deprecated. They are outdated and easily available from other sources (e.g. direct from Ubuntu apt). e.g.

sudo apt-get install gcc-arm-linux-gnueabihf

とあるので、このやり方の方がスマートなのかもしれない。

クロスコンパイルには他にはcrossとDockerを使うやり方もありますが、それほどのアドバンテージがあるようには思えないから当面この環境かな。

 

admin

 

cargo-edit tool

rustはパッケージ管理が楽なのですが、それをさらに補強するツールがcargo-editです。

https://tkyonezu.com/開発ツール-言語/raspberry-pi-に-rust-をインストールする/

を参考にラズパイ zeroにrustインスト後にcargo-editをインスト、ツールのインストには流石にzeroなのでたっぷり時間かかって(二時間ぐらいか)完了、一度はエラー終了したので再度実行。

何が便利かというと、例えばcargo add xxxxでcrate xxxxの最新版を自動で探して(版数指定もできますが)Cargo.tomlに追加してくれます。

例えばrandを追加すると、

$ cargo add rand
    Updating crates.io index
      Adding rand v0.8.5 to dependencies

で、Cargo.tomlの[dependencies]にrandが追加されています。

 

admin

NT東京 2024

NT(Tanka Tukuttemiyo)の見学に科学技術館に行ってきましたが、ここではRustの話とワークベンチの出展について

ESP32をRustがサポートするようになったので作ってみたESP32評価ボードだそうです

 

ワークベンチが欲しくて作ってみたというもの、自分の城のようなものですが、搬入がめちゃくちゃ大変で、組み立て時間は制限時間の一時間では終わらず30分超過したとか

霧箱とかの話題はnoteに、記載してます

https://note.com/coderdojoisehara/n/n9500fcb2bc85

 

admin

 

 

 

参照でライフタイム指定が必要な場合(@Rust)

Beginning Rustは言語仕様を単に羅列するのではなく、なぜそのような仕様にする必要があるかを丁寧に説明していますが、ライフサイクル指定でもそれは同じことが言えます。

そもそも関数が返すことができる参照(リファレンス)とは、以下の二つのうちのどちらかだと、

① 静的オブジェクトの借用:以下のstr関数

② 引数の借用:以下のf関数

それ以外の関数の引数オブジェクト、関数内のローカル変数オブジェクト、関数内の一時的オブジェクトは関数から戻る時に破棄されるから参照にはなり得ない、したがってライフタイム指定が必要なケース(本来は関数の戻り時点で破棄されるオブジェクトを、戻り値の参照が破棄されるまでライフタイムを延命と同義)もある程度限定的ということになる。コードとしてライフタイム表記はスッキリ感がないし、

/* It prints:
Static object
13 12*/

fn main() {
    // borrowing of the static object
    fn str<'a>() -> &'a str {
        "Static object"
    }
    println!("{}", str());

    // borrowing of the augments
    // in this case x and y need to have different life time
    fn f<'a, 'b>(x: &'a i32, y: &'b i32) -> (&'a i32, bool, &'b i32) {
        (x, true, y)
    }
    let i1 = 12;
    let i2;
    {
        let j1 = 13;
        let j2;
        let r = f(&i1, &j1);
        i2 = r.0;
        j2 = r.2;
        print!("{} ", *j2);
    }
    print!("{}", *i2);
}

関数fで複数のライフタイムが必要な理由は、関数fを展開してみれば理由がわかる、つまり{}の外側にあるi1/i2と内側にあるj1/j2では本質的なライフタイムに差があるのだから、それを一律なライフタイムで規定しようとしても不可能だということを言っているだけ。

 

admin

 

 

Unityで2DのシンプルゲームをVS(Visual Scripting)で作ってみる

Visual Scriptingは旧Boltと言われたものを、正式にUnityに取り込んだもののようですが、ゲームエンジンでこのようなスクリプティングを使うのはUnityだけではないですが、おそらく最もポピュラーなのがUnityのVSではないかと思うので、Scratchで最初に作ってみるような2Dゲームを作ってみます。

全体の画面はこんな感じで、右からTreeが移動してきてPlayerはジャンプしてそれを避ける、プレイ開始からの時間表示を行い、PlayerがFloorから落下してしまったらタイマー停止というもの。猫スプライトとサウンド(Coin)はScratchからインポートしています。

オブジェクトを動かすまでは、

https://qiita.com/K3nsuke/items/a1946fe4dac3513f012b

をそのまま使っています。

実際の動作は、

以下から、オブジェクトごとに割り付けられたスクリプト他を記載します。

<Treeの移動を操作するScript machine>

Treeがあるところまで移動(左側の見えなくなる位置)したら、乱数でスタート位置を右側に設定してやります。

 

<Playerの状態チェンジ>

state machineでFloorに設置状態とJumping状態を識別して遷移条件を記述します。

 

<遷移条件 -> Jumping, -> Grounded>

Spaceキー押されたらジャンプ状態に移行

Floorに接地したらGrounded 状態に移行

 

<Jumpingに対応するスクリプト>

Jumpingステートに入ったら、上方向に力を加えてジャンプ、同時に音を出します。

 

<時間表示のためのcanvas設定>

ElapsedTimeCtlにはElapsed変数を追加して、時間更新と停止のスクリプトをアタッチします、Elapsedは単なるラベルです。

 

 

<ElapsedTimeCtlへのScript machine>

Elapsedタイムの更新と停止、停止はPlayerがFloorから押し出されたことをカスタムイベントとして受け取って対処。

 

<scene変数の追加>

sceneの中の共通変数(GameEnd)を定義します。

 

<ゲーム終了判定するScript machine>

Playerにアタッチされて、自分自身がFloorの外に出たことを判定してカスタムイベントを発行します。

この例からもわかるように、裏側ではC#のスクリプトが動いているので、C#から独立したスクリプトブロックにはなっていなくて、多分にC#のコードブロックを意識したものとなっています。したがってVSに慣れればC#でコード書くのも実はそれほど障壁があるものではないと思います。

 

admin

 

 

構造体や列挙体などオブジェクト要素にCopy/Cloneが実装されてない型の複製(@Rust)

コピーや複製はRustでは、オブジェクトの型に依存してデフォルトで実装されているもの(プリミティブ型)もありますが、性能を重視しているので基本は移動です。

代入のセマンティクには以下の三種類がありますが、

① 共有:本体は共有してアクセスポインタは個別に持つやり方、GCを持つ言語(Java, C#, Golang)では標準のようです

② コピー:C++のデフォルト実装が該当

③ 移動:Rustの標準、ただしプリミティブ型(オブジェクトの長さが変化しないのでスタックを使用する型)は例外

Rustでプリミティブ型以外のヒープ領域に保存されるオブジェクトは標準は移動ですが、コピー(コピーすることに意味があれば、DBのコネクションとかコピーは無意味だし害があるだろう)はcloneを実装すれば良いのですが、例えば構造体などはデフォルトでcloneを適用しようとしても、対象オブジェクトのメンバーは対象に含まれないからコンパイルは通りません。

以下のコードはコンパイルエラーになりますが、理由はderiveは構造体という型に適用されるだけで、その要素であるVec型には適用されないから。

回避方法は、以下のソースでコメントアウトしているCloneのカスタマイズが必要になります。

  |     #[derive(Copy, Clone)]
  |              ^^^^
  |     struct S {
  |         x: Vec,
  |         ----------- this field does not implement `Copy`
fn main() {
    #[derive(Copy, Clone)]
    struct S {
        x: Vec<i32>,
    }
    /*impl Clone for S {
        fn clone(&self) -> Self {
            S { x: self.x.clone() }
        }
    }*/
    let mut s1 = S { x: vec![12] };
    let s2 = s1.clone();
    s1.x[0] += 1;
    print!("{} {}", s1.x[0], s2.x[0]);

    //
    // same as above(this field(x: Vec) does not implement `Copy`)
    // Object members are out of target, Copy/Clone is applied only to struct S/S1
    //

    struct S1 {
        x: Vec<i32>,
    }
    impl Copy for S1 {}
    impl Clone for S1 {
        fn clone(&self) -> Self {
            *self
        }
    }
}

この辺りについては、

https://doc.rust-lang.org/std/marker/trait.Copy.html

の解説を読むのが良いと思います。

 

admin

コンパイルのoptimizeオプション(@Rust)

Beginning Rustに出てくるコードですが、rustcに -Oというコンパイルオプションがありますが、以下のコードで-Oを指定しないと何回か実行するとその都度時間は変わってきますが、この程度の処理時間、

実行環境はM1 Mac 16GB/512GB、rustc 1.79.0です

5.14425ms 1.031666ms

ここでrustic -Oでコンパイルすると、

584.666µs 84ns

この数字はwhileループを丸々パス、全く処理しないでvdをクリアしているだけに見えます。

fn main() {
    use std::time::Instant;
    const SIZE: usize = 40_000;
    let start_time = Instant::now();
    let mut vd = std::collections::VecDeque::<usize>::new();
    for i in 0..SIZE {
        vd.push_back(i);
        vd.push_back(SIZE + i);
        vd.pop_front();
        vd.push_back(SIZE * 2 + i);
        vd.pop_front();
    }
    let t1 = start_time.elapsed();
    while vd.len() > 0 {
        vd.pop_front();
    }
    let t2 = start_time.elapsed();
    print!("{:?} {:?}", t1, t2 - t1);
}

で、コンパイラが手抜きをさせないように、毎回結果を使うように書き換えると、

    while vd.len() > 0 {
        sum += vd.pop_front().unwrap();
    }
    let t2 = start_time.elapsed();
    print!("{:?} {:?} {}", t1, t2 - t1, sum);
386.083µs 81.209µs 2933353333

こちらはまともそうに見えます。コンパイルオプションで処理時間が著しく異なるときは実はコードが冗長というケースもありそうだよねということです、

 

admin