초음파센서 아두이노 RC카 자율주행 준비 입문자용(아두이노)

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• 온라인 가상시뮬레이터 : https://www.tinkercad.com
• 참고 :
  초음파센서 제어(아두이노)
  서보모터 제어(아두이노)
  아두이노 RC카 준비 (아두이노)
• 초음파센서 RC카(자율주행) Post 과정 :
  초음파센서 아두이노 RC카 자율주행 준비 입문자용(아두이노)
  초음파센서 아두이노 RC카 장애물 감지 방법(아두이노)
  아두이노 RC카 초음파센서로 장애물 피하기 패턴(아두이노)
  아두이노 RC카 자율주행(장애물피하기) (아두이노)

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아두이노 2륜 RC카를 가지고 초음파센서와 결합하여 장애물을 감지하면서 자율주행을 할 수 있도록 하는 간단한 실험을 할 예정입니다. 오늘 Post는 초음파센서를 이용한 자율주행 RC카를 만들기 위한 몸체 조립과 조립에 대한 테스트 동작을 통해 아무 문제가 없는지 확인하는 단계의 내용으로 구성되어 있는데 천천히 배워보도록 하죠.

진짜로, 정교한 자율주행 RC카를 만든다면 영상처리 부분까지 하셔야 합니다. 입문자분들이 바로 영상처리까지 하기는 무리가 따릅니다. 저도 영상처리 부분은 어렵고 실시간 영상을 가지고 주변환경 영상의 에지를 추출하여 그 값을 기반으로 주행 처리를 해야하는데 대충 코딩 방향은 아는데 실시간 영상에서 에지 검출이 좀 힘들어서 설명드리기가 어렵네요. 에지 검출이 영상처리책 보면 대표적으로 canny, sobel 에지 검출 알고리즘이 있습니다. 이 알고리즘으로 정지 영상에서 에지를 추출하는 것은 쉽지만 실시간 영상에서는 저도 알고리즘 로직이 잘 감이 안와서 설명을 못 드리겠네요. opencv로 얻은 영상에서 에지를 검출하고 그 영상을 기반으로 주행을 시키는 것 같은데 고급 자율주행은 사실 깊게 이쪽 분야로 공부를 안해서 아쉽게 실험을 못해 봤습니다. 나중에 라즈베리파이로 공부할 때 한번 도전은 해보고 싶긴 하네요.

사설은 그만하고 오늘 post의 주제는 지난 시간에 만든 아두이노 RC카 정면에 초음파센서를 부착하는 조립하는 단계입니다. 초음파센서에 서보모터를 통해 0~180도 사이각의 회전을 시킬 수 있는 형태로 조립을 하게 되는데 사실 뼈대가 부품가격과 거의 비슷하기 때문에 그냥 테이프로 부착시켰습니다. 테이프로 부착하다보니 정교한 측정이 되지 않지만 그래도 근사값 측정을 통해서 원하는 동작을 충분히 실험할 수 있기 때문에 아무런 문제는 없습니다. 여러분들은 뼈대를 구매하거나 3D 프린트로 직접 만들시면 좋겠죠. 저처럼 테이프로 고정시키는 실험은 보기 흉하니깐 뼈대를 사셔서 이쁘게 만들어 보세요.

이제 본격적으로 아두이노 RC카 자율주행을 도전 할까요.

1. 아두이노 RC카 준비

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• 사전학습 : 아두이노 RC카 준비 (아두이노)

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사전학습 post로 가셔서 아두이노 RC카에 대한 학습을 먼저 하셔야 합니다. 대충 사전학습에서 RC카 조립을 끝낸 상태면 이렇게 완성되어 있겠죠.

조립이 완성된 상태에서 다음 준비 부품이 필요합니다.

2. 아두이노 RC카에 추가 부품 조립

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• 준비물 : 아두이노 RC카 1대, 초음파센서 1개, ServoMotor 1개

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위 사진에서는 뼈대가 있으면 좋은데 간단히 실험을 하기 위해서 그냥 테이프로 붙였습니다. 아두이노 RC카 정면에 Servo Motor와 초음파 센서를 정면을 바라보도록 배치하시면 됩니다. 혹시 뼈대를 개인적으로 구매하신다면 안정적으로 배치 할 수 있겠죠. 저는 테이프로 붙여서 각도도 안맞고 약간 아래로 쳐져 있어서 좀 불편하게 실험 했네요.

위에서 바라보는 모습입니다. 보시면 A은 초음파센서핀으로 연결합니다. 초음파센서 핀은 A4(Trig), A5(Echo)핀입니다. 그리고 B는 Servo Motor 핀을 연결합니다. 바깥쪽부터 (-,+,sig) 이렇게 순서대로 있는데 3핀을 순서대로 연결하시면 됩니다. 제가 실험한 모터쉴드는 2개의 Serovo Motor 핀을 제공하는데 상단 첫번째 줄은 아두이노 디지털핀 10번이고 두번째 줄은 9번핀이네요. 10번핀을 사용하였습니다.

좀 더 자세히 아래 사진의 L293D Motor Shield의 모습을 보시고 연결하세요.

해당 위치에 핀을 꼽아주고 아두이노 RC카 정면에 Servo Motor와 초음파 센서를 부착하시면 조립은 완성입니다.

2. 간단히 장애물 감지센서 시범 회전 코딩

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• newPing 라이브러리 출처 : https://playground.arduino.cc/Code/NewPing (Tim Eckel)

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Servo Motor

#include <Servo.h> 

• Servo servo : 서보모터 객체변수 선언
• servo.attach(servoPin) : 서보모터 시작하는데 사용되는 핀은 servoPin(10) 임
• servo.write(angle) : angle 값으로 서보모터를 회전 시킨다.

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NewPing

#include <NewPing.h>

• NewPing sonar(TrigPin, EchoPin, MaxDistance) : TrigPin과 EchoPin과 최대제한거리(MaxDistance)의 값을 선언합니다.
• sonar.ping_cm() : 센서 거리를 'cm'로 계산된 값을 출력한다.

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1) Servo Motor 회전

Servo Motor가 정상적으로 회전이 되는지 테스트 코딩을 해야 겠지요.

Servo servo;
const int servoPin = 10;
int state = 1;
int angle = 90;

이렇게 우선 서보모터 객체변수을 하나 만들고 서보모터를 제어할 아두이노 디지털 핀 10을 선언하고 초기 각도(angle) 값을 90도로 표현 했습니다. 그리고 state은 초기값이 1인데 이 값은 1이면 1씩 증가 -1이면 1씩 감소하는 변수로 사용하기 위해 만든 변수입니다.

void setup() {
  servo.attach(servoPin);
  servo.write(angle);
  delay(1000);
}

setup()함수에서 초기화 작업을 하는데 서보모터를 시작하고 바로 servo.write()함수를 사용하여 angle(90)각도로 회전합니다. 딜레이 시간은 1초를 줬네요. 초기값이라서 원하는 시간값을 여러분들이 마음대로 결정하세요. 서보모터를 회전시킬 만큼의 딜레이시간을 줘야하는데 1초은 꽤 긴시간이고 더 짧게 딜레이시간을 주고 90도까지 회전 시켜도 됩니다. loop()함수로 진입하기 전에 충분히 대기시간을 주기 위해서 1초정도 딜레이를 줬네요.

void loop() {
  //회전
  servo.write(angle);
  delay(50);  

  //회전 각도
  if (angle == 180) state = -1;    
  else if (angle == 0) state = 1; 
  angle += state;
}

loop()함수는 0.05초 간격으로 서보모터를 angle(각)으로 회전시키게 됩니다. 어떻게 회전될 까요 회전 각도 로직을 살펴보시기 바랍니다.

  if (angle == 180) state = -1;    
  else if (angle == 0) state = 1; 
  angle += state;

보시면 angle이 180도면 state은 -1이고 angle이 0도이면 state 값은 1이다. 이 의미를 이해하기 위해서는 아래 문장을 보시면 쉽게 이해가 되실 꺼에요.

angle = angle + state;

이 문장은 0.05초 간격으로 loop()함수가 무한 반복하는데 기존에 angle값에다가 state을 계속 더해주는 문장입니다. 여기서, state가 1이면 1씩 증가하고 state가 -1이면 1씩 감소하게 됩니다. 의미를 잘 이해해 주세요. 이렇게 되면 초기값이 state가 1이기 때문에 초기각도 angle이 90도니깐 1도씩 증가하게 됩니다.

서보모터는 0~180도까지 제어가 가능합니다 그러면 1씩 증가하더라도 180도를 넘을 수 없게 됩니다 180도가 되면 state값을 -1로 변경하면 1도씩 감소하게 되고 역방향으로 회전하게 됩니다. 그러면, 다시 역방향으로 1도씩 감소하는데 angle은 0이하로 떨어질 수 없습니다. 이때 state 값을 1로 변경하고 다시 정방향으로 1도씩 증가하게 됩니다. 이렇게 표현하면 0~180도 사이를 1도씩 왔다 갔다 회전하게 됩니다.

loop()함수 로직의 동작은 0.05초 간격으로 0~180도 사이를 무한 반복 회전을 하게 됩니다. 이 움직임을 보시면 초음파레이더가 생각 나시는 분이 있을 지 모르겠네요. 초음파레이더의 기본 동작 코딩입니다. 이 코딩으로 초음파레이더를 만들 수 있습니다. 현재 우리가 초음파레이더를 만드는 것이 목적이 아니기 때문에 서보모터 회전에 대한 테스트 동작으로만 이해해 주셨으면 합니다.

2) 초음파센서 거리 측정

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이제는 서보모터가 회전할 때마다 초음파센서로 거리를 측정해야 겠죠.

NewPing sonar(A4, A5, 100);

trig(A4), Echo(A5), 제한거리1미터(100)으로 초음파센서 객체변수를 만듭니다.

  int distance = sonar.ping_cm();

distance 변수에 초음파센서에서 측정한 거리(cm)값이 저장됩니다. 이렇게 해서 거리 측정이 끝났네요.

그러면 이 코딩은 전체소스 안에서 어느 위치에 삽입하는 것이 좋을까요. 회전 시마다 초음파센서로 측정한다고 했죠. 서보모터는 어떻게 회전한다고 했죠. 0.05초 간격으로 회전이 이뤄집니다. 그러면, 0.05초 간격으로 회전할 때 초음파센서로 측정하면 되겠죠. 즉, 서보모터를 angle(각)으로 회전시킨 후 초음파센서로 거리를 측정하게 코딩하면 간단히 해결 됩니다.

void loop() {
  //회전
  servo.write(angle);
  delay(50);  
    
  int distance = sonar.ping_cm();
    
  //회전 각도
  if (angle == 180) state = -1;    
  else if (angle == 0) state = 1; 
  angle += state;
}

이렇게 하면, 0.05초 간격으로 서보모터를 회전시키고 distance 변수에 회전 시킨 각도에서 거리측정한 값이 저장됩니다.

그러면, 이 값을 시리얼모니터로 정상적으로 출력되는지 Serial 함수로 표현하면 되겠죠.

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• Serial.begin(9600) : 시리얼통신 시작
• Serial.print(distance) : 시리얼모니터로 출력

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3) 종합 코딩

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좀 더 깔끔하게 각도와 거리값을 동시에 시리얼모니터로 출력시켜서 확인할 수 있도록 소스를 수정하였습니다. Serial함수는 너무 많이 설명을 드렸기 때문에 구지 설명을 안드려도 아실꺼라 믿고 아래 변경된 부분만 잘 확인해 주세요.

참고로, 완성된 소스는 초음파레이더 소스와 동일합니다. 이 소스로 processing으로 시각화 하면 초음파레이더가 됩니다. 초음파레이더로 보시지 마시고 그냥 앞에 장애물을 감지하는 센서로 보셨으면 합니다. 서보모터의 회전이 정상적으로 이뤄지고 거리측정이 정상적으로 이루어지는지 테스트하는 용도로 코딩을 바라 보시기 바랍니다.

[소스]

#include <Servo.h> 
#include <NewPing.h>

const int TRIG = A4;
const int ECHO = A5;
const int MAX_DISTANCE = 100;
NewPing sonar(TRIG, ECHO, MAX_DISTANCE);

Servo servo;
const int servoPin = 10;
int state = 1;
int angle = 90;

void setup() {
  Serial.begin(9600);
  servo.attach(servoPin);
  servo.write(angle);
  delay(1000);
}

void loop() {
  //회전
  servo.write(angle);
  delay(50);  

  //거리측정
  int distance = sonar.ping_cm();
  Serial.print(angle);        
  Serial.print(" : ");        
  Serial.print(distance);    
  Serial.println(" cm");         

  //회전 각도
  if (angle == 180) state = -1;    
  else if (angle == 0) state = 1; 
  angle += state;
}

newPing 라이브러리를 혹시 안깔고 코딩하신분들이 있을 것 같아서

라이브러리 매너저 창에서 "newPing"이라고 검색하시면 자동으로 검색되고 해당 라이브러리를 설치하시면 됩니다.

3. 결과

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촬영이 좀 깔끔하게 되지 못했네요. 폰으로 찍어서 하다 보니깐 공간적 제약도 따르고 해서 좀 보기 불편하시더라도 대충 어떤식으로 Servo Motor가 회전 되고 초음파센서를 통해 거리가 측정되는지 영상으로 살펴보시기 바랍니다. 참고로 위쪽 상단는 모니터가 있어서 거리값이 10~11정도로 측정됩니다. 오류값이 아니라 모니터와의 거리 때문에 나온 값이니깐 감안하시고 보세요.

마무리

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오늘은 아두이노 RC카가 준비된 상태에서 두개의 부품 Servo Motor와 초음파센서를 조립에 대해 간단히 살펴보았습니다. 그리고 정상적으로 동작하는지 실험 코딩으로 테스트까지 해보았습니다. 이렇게 해서 초음파센서를 통해 아두이노 RC카는 정면의 장애물 감지까지 할 수 있게 되었습니다. 다음 단계는주행 도중에 장애물이 감지된 정보에 대해 어떻게 반응 할 것인지가 남아 있습니다.

사실 위에서 정상 작동하는지 테스트한 코딩을 이해하셨다면 조금만 상상을 더하면 장애물을 피해 자율주행을 시키는 코딩은 어렵지 않게 하실 수 있을 겁니다. 이미 이 post로 아두이노 RC카 자율주행은 끝난 거나 다름 없습니다. 그런데, 이걸로 어떻게 자율주행이 되냐고 생각하시는 분들도 많을 꺼에요. 잘 연상이 안되실 꺼에요. 상상을 많이하고 자기 자신이 RC카라고 상상하면서 내 이마에 서보모터가 부착되어 회전하고 있고 회전하면서 초음파센서로 거리를 측정하고 있다고 상상하면서 한번 제자리에서 걸어 다녀보세요. 전방에 벽이 나타나면 여러분들은 걷다가 멈추게 되겠죠. 그리고, 그 벽을 피해서 어떤 행동을 하겠죠. 벽 앞에서 다시 뒤로 되돌아 간다거나 오른쪽 길이 있으면 오른쪽으로 걸음을 옮기게 되겠죠. 이렇게 어떤 행동을 취하게 됩니다. 그 행동을 코딩화 하면 그 코딩이 아두이노 RC카의 자율주행 코딩이 됩니다. 즉, 어떤 상황이 되면 그 상황을 피하기 위해서 어떤 행동을 취하고 그 행동이 자율 주행 명령 코드가 되어 실제로 아두이노 RC카가 자율주행을 하게 됩니다. 코딩은 모르더라도 대충 어떤 느낌이신지 아시겠지요.

한번 자기자신이 아두이노 RC카라고 상상하고 제자리에서 주변을 걸어다녀보시면서 상황을 만들고 그 상황을 기록했다가 상상 코딩을 해보셨으면 합니다.