项目总结报告

一．任务介绍：

本次设计任务要求基于Raspberry Pi Pico（RP2040）平台，开发一款体感控制的重力迷宫游戏。玩家通过倾斜开发板，利用姿态传感器检测俯仰和横滚角度，控制小球在LCD屏幕上实时移动，穿越固定迷宫。系统需包含至少3个难度递增的关卡，并具备完整的游戏控制功能：按键实现开始、暂停、重开与关卡切换。游戏界面需实时显示计时与得分，并通过蜂鸣器提供碰壁与通关的音频反馈。该任务综合运用了嵌入式系统的多项核心技术，包括传感器数据采集与处理、实时图形渲染、人机交互设计以及状态机编程思想。

二．项目介绍：

本项目"重力迷宫滚球"是一款基于RP2040游戏开发套件的体感益智游戏。游戏的核心机制源于经典的滚珠迷宫玩具：玩家通过物理倾斜整个设备，利用重力引导小球从起点抵达终点。与传统物理迷宫不同，本项目采用姿态传感器实时感知设备姿态，并将角度数据映射为小球在二维平面上的加速度，从而实现虚拟小球的平滑运动。

游戏设计了三个固定迷宫关卡，从简单障碍训练到复杂通道探索，难度逐级递增。玩家可通过板载按键控制游戏状态，系统实时记录通关时间并显示得分。当小球触碰迷宫墙壁时，蜂鸣器发出短促提示音；成功抵达终点时，则播放特定通关旋律。项目旨在通过趣味性游戏展示嵌入式系统的综合应用能力，同时为玩家带来新颖的体感交互体验。

三．硬件介绍

四．方案框图和项目设计思路介绍

1. 方案框图

2.项目设计思路

（1）核心设计理念：

将物理世界的倾斜转化为虚拟小球的运动，关键在于建立"传感器角度→小球加速度→小球速度→小球位置"的映射链。

（2）姿态映射算法：

从MMA7660读取三轴加速度数据，计算俯仰角（X轴）和横滚角（Y轴）。角度值映射为小球在X/Y方向的加速度分量。例如，向右倾斜产生正向X加速度，向上倾斜产生正向Y加速度。通过调节映射系数，控制游戏的灵敏度。

（3）物理引擎设计：

采用简易欧拉积分法，每帧更新小球的速度和位置。引入摩擦系数实现自然减速，避免小球无限滑动。位置更新公式：

v_x += ax * deltaTime - friction * v_x * deltaTime

x += v_x * deltaTime

（4）碰撞检测机制：

基于迷宫地图的像素级碰撞检测。迷宫存储为二维数组（0表示通路，1表示墙壁）。小球位置映射到地图坐标，检查周围区域是否触碰墙壁。若检测到碰撞，回退位置并重置对应方向速度，同时触发蜂鸣器提示。

五．调试软件及使用的编程语言说明、软件流程图及关键代码介绍

1.软件说明

本项目采用MicroPython 作为主要编程语言。MicroPython为RP2040提供了丰富的硬件库支持，能够快速开发原型，特别适合需要频繁调试传感器和显示逻辑的教学项目场景。

2.开发工具

Thonny IDE：轻量级Python编辑器，支持RP2040直接连接和文件传输

RP2040固件：预刷MicroPython的UF2固件

3. 关键代码介绍

（1）实时姿态数据获取：

# === 读取 IMU ===

tilt_x, tilt_y = 0.0, 0.0

try:

    tilt_x, tilt_y = imu.get_tilt()

except:

pass

从MMA7660传感器读取当前倾斜角度。get_tilt()方法返回归一化后的X轴和Y轴倾斜值，范围约-1.0~1.0。异常处理确保在传感器通信失败时程序继续运行。

（2）碰撞响应机制

if hit_wall:

    if current_time >= invincible_until:

        lives -= 1

        draw_lives(lives)

        play_sound(200, 100)  # 碰壁音效

        invincible_until = current_time + 1000  # 1秒无敌时间

        if lives <= 0:

            game_state = "DEFEAT"

            draw_defeat(lives)

else:

safe_x, safe_y = new_x, new_y  # 无碰撞时更新位置

六．功能展示图及说明（实物展示、软件或工具调试）

实际运行游戏过程如图，具体游戏元素包括倒计时，生命值，起始点，终点等等，通过倾斜游戏机改变重力方向来改变方块移动方向，躲避墙体在有限时间内到达终点即为通关。

七．项目中遇到的难题及解决方法

难题1：

姿态传感器数据噪声导致小球抖动

现象表现为静止放置时，小球在屏幕上仍有微小抖动，影响游戏体验。

分析：MMA7660作为低功耗加速度计，原始数据存在±0.05g的随机噪声，直接映射到小球位置导致视觉抖动。

解决方法：

1.低通滤波：对传感器读数采用一阶低通滤波，filtered = 0.8*filtered + 0.2*raw，有效平滑瞬时跳变。

2.降低灵敏度：适当减小sensitivity系数，使小球响应更平缓

难题2：

碰撞检测边缘卡顿

现象为小球靠近墙壁时，有时会卡在墙壁边缘无法移动，或发生"穿墙"现象。

分析：初始碰撞检测采用单点检测（只检查小球中心点），当小球半径较大时，边缘部分可能已进入墙壁但中心点仍在通路，导致检测失效或物理响应异常。

解决方法：

1.多点检测：改为检测小球圆周上的多个采样点（上下左右四点），任一触点进入墙壁即视为碰撞。

2.位置回退机制：检测到碰撞后，将小球位置回退到前一有效位置，并反向速度，模拟物理反弹效果。

八．心得体会

通过本次"重力迷宫"项目的设计与实现，我对嵌入式系统开发有了更深入的理解和实践经验。

理论与实践结合的重要性：课堂上学习的传感器原理、数字滤波算法、状态机设计等理论知识，在项目中得到了实际应用。尤其是物理引擎的设计，需要综合运用运动学公式、碰撞检测算法和实时系统调度，让我深刻体会到理论指导实践的价值。

调试技巧的提升：项目开发过程中遇到了各种预料之外的问题，如传感器噪声、碰撞检测异常等。学会使用串口输出关键变量、逐步隔离测试模块、借助示波器观察信号波形等调试方法，这些技能对于解决复杂系统问题至关重要。