[아두이노] 초음파센서 아두이노 RC카 장애물 감지 방법

IOT/아두이노|2019. 5. 27. 09:00

[아두이노] 초음파센서 아두이노 RC카 장애물 감지 방법

오늘은 초음파센서로 전방에 장애물을 감지하는 방법에 대해서 이야기를 할까 합니다. 우선, 주행하는 전방에 장애물이 등장 했을 때 여러분들이 제작한 RC카가 어떤 주행을 시킬 것인지 상상을 한번 해봅시다. 주행과 장애물 감지에 대해 잘 상상이 안될 수 있습니다. 그런데 주행과 장애물 감지 원리를 알면 그렇게 어렵지 않습니다. 주행과 장애물 감지에서 주행은 그냥 전진주행을 하게 하고 전진 주행 중 장애물에 대해 일정시간 단위로 초음파센서가 측정하게 하면 됩니다. 이 두가지 과정을 loop()함수에서 반복하게 하면 아두이노가 전진 주행중에 실시간으로 계속 장애물을 감지하게 되겠죠. 그리고 장애물이 감지 되었을 때 주행 방향을 바꿔주는 코딩을 하면 아두이노 RC카 자율주행이 됩니다. 복잡하게 출발하지 말고 쉽게 전진 중행을 하면서 초음파센서로 거리를 측정하여 장애물을 감지한다는 개념만 잡고 출발하시면 됩니다.


그러면, 간단히 상황을 설정하고 장애물 감지에 대해 살펴보도록 합시다.

1. 아두이노 RC카의 기본 주행

참고 자료를 보시면 주행 패턴에 대한 내용입니다. RC카가 주행을 하기 위한 기본 소스 코딩이 있는데 주행 패턴에 대해 사전학습을 하셨으면 합니다. 우선 아두이노 RC카의 움직임을 먼저 머리속에서 개념을 잡아놓고 출발하시면 쉽게 코딩 할 수 있습니다.

자율 주행은 전진 주행을 기본 베이스로 합니다.

#include <AFMotor.h>

AF_DCMotor motor1(3);
AF_DCMotor motor2(4);

void setup() {
  motor1.setSpeed(200);
  motor2.setSpeed(200);
  motor1.run(RELEASE);
  motor2.run(RELEASE);
}

void loop() {  

  초음파센서 장애물 감지;

  motor1.run(FORWARD); //전진
  motor2.run(FORWARD);
  delay(1000);
}

이렇게 기본 베이스 코딩이 끝났습니다. 실행을 하면 무조건 전진 주행을 하게 됩니다. 지난 RC카 post에서 위 소스에 대한 설명을 했기 때문에 간단히만 재정리 차원으로 설명하면 motor1(3), morot2(4)로 모터쉴드에서 M3, M4의 위치의 핀으로 DC기어모터 두개를 제어하는데 속도는 setSpeed(200)으로 스피드가 200이고 FORWARD(전진), BACKWARD(후진), RELEASE(해제) 중에서 loop()함수에서 무한 반복 FORWARD(전진)을 한다는 로직입니다.

딱 한줄로 정리하자면 전진만 하는 RC카라고 생각하시면 됩니다.

자율주행 기본 베이스 코딩은 끝났습니다. 이 소스를 기반으로 초음파센서로 장애물을 감지하는 방법들을 살펴 볼까요.

2. 초음파센서로 장애물 감지

초음파센서로 장애물을 감지하는 방식은 엄청 많습니다. 지금 소개하는 방식 외에도 더 많지만 생각나는 것만 몇개 간단히 설명을 할까 합니다.

1) 회전 초음파 센서로 장애물 감지


위 그림처럼 직진으로 주행하다가 장애물이 나타났을 때 초음파센서가 장애물을 어떤 식으로 감지 해야 할까요. 초보적 접근 방법으로는 두가지 방식으로 나누어 살펴 볼 수 있습니다. 주행 중 전방, 좌/우측 방향의 장애물 감지하는 방식과 주행 중에는 전방 장애물만 감지하다가 장애물 발견시 주행 중단 후 좌/우측 방향 장애물 감지하는 방식으로 나누어 살펴 볼 수 있습니다.

주행 중 전방, 좌/우측 방향의 장애물 감지


위 그림처럼 아두이노 RC카는 전방으로 진행하면서 서보모터가 부착된 초음파센서가 전방 일정 각도 범위로 왔다 갔다 회전하면서 장애물을 감지합니다. 이 방식은 전방, 좌/우측 방향으로 3가지 방향을 실시간으로 측정하여 장애물이 감지했을 때 이 3가지 방향의 값을 기준으로 장애물을 피하기 위한 RC카 주행 패턴을 만들 수 있습니다. 주행 중에 초음파센서가 장애물 감지하기 위해 거리 측정을 하고 장애물이 감지 된 측정 각도에 따라 진행 방향을 바꿀 수 있기 때문에 장애물이 감지된 각도에 따라 적절하게 방향을 바꿀 수 있게 할 수 있습니다.

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

  //거리측정
  int distance = sonar.ping_cm();
  
  //장애물 감지
  if(distance<15){
      각도에 따른 장애물 피하기 동작;  
  }
  
  //회전 각도
  if (angle == 140) state = -10;    
  else if (angle == 40) state = 10; 
  angle += state;

  전방주행;
}

위 소스는 지난시간에 정상적으로 초음파센서가 0~180도 회전되는지 테스트한 코딩을 약간 수정한 소스입니다. 이 코딩을 기반으로 0.05초 간격으로 회전하면서 거리를 측정하면 됩니다. 회전 각도는 10도씩하여 40~140도 사이를 11번을 측정하게 됩니다. 1도씩 안하고 10도씩 한 이유는 사실 장애믈을 측정하기 위해서 1도씩 하면 110번을 측정해야하고 왕복 220번을 0.05초 간격으로 측정을 한다면 꽤 긴시간이 걸리기 때문에 실시간 대응이 어렵습니다. 짧게 돌면서 원하는 동작을 수행하기에는 10도정도가 가장 이상적이네요. 더 큰 각도로 제어해도 됩니다, 그냥 90도, 135도, 45도 이렇게 세각도만 측정해도 됩니다. 선택은 여러분의 마음입니다.

주행 중에는 전방 장애물만 감지하다가 장애물 발견시 주행 중단 후 좌/우측 방향 장애물 감지


아두이노 RC카가 직진 주행하는 중 전방 방향의 장애물만 측정합니다. 그러다가 장애물이 발견 되면 위 그림에서 오른쪽 그림처럼 A, B 각도의 장애물을 있는지 측정해서 둘 중 안전한 방향을 찾아 진행 방향을 선택하는 방식입니다.

void loop() {
  delay(50);  

  //거리측정
  int distance = sonar.ping_cm();
  
  //장애물 감지
  if(distance>0 && distance<15){
    주행정지
      angle=135;
        servo.write(angle);
        delay(500);
        int distanceA = sonar.ping_cm();
        angle=45;
        servo.write(angle);
        delay(500);
        int distanceB = sonar.ping_cm();
        
    if(distanceA<distanceB){
         B방향으로 피하기 주행;  
    }
    else{
         A방향으로 피하기 주행;
    }
  }
  전방주행; 
}

위 소스는 0.05초 간격으로 전방 장애물을 감지하다가 장애물이 발견되면 if문으로 들어가서 먼저 주행이 정지되고 그다음 135도와 45도의 방향으로 장애물을 감지합니다. 그리고 둘 중 거리값이 긴 쪽으로 장애물을 피하는 동작을 만들 수 있습니다.

2) 고정 초음파센서 장애물 감지


고정 형태로 한개의 초음파센서로 전방 장애물만 감지합니다. 전방 장애물을 감지 할 때 장애물을 피하기 동작 패턴을 만들기가 애매합니다. 그냥 랜덤 방향으로 할지 아니면 무조건 우방향으로 피할지는 여러분의 마음에 달렸습니다.

void loop() {
  delay(50);  

  //거리측정
  int distance = sonar.ping_cm();
  
  //장애물 감지
  if(distance<15){
    장애물 감지 방향선택;
  }
  전방주행; 
}

코딩은 가장 단순합니다. if문으로 전방 장애물이 발견 되면 그냥 후진, 좌/우 방향으로 진로 변경 할지는 여러분들의 선택으로 하나의 방향을 만들어 주면 됩니다.

3) 양쪽 두개의 고정 초음파 센서 장애물 감지


두개의 고정된 초음파 센서로 장애물을 감지할 경우 A, B 두지점으로 좌/우 방향 위치의 장애물을 감지하게 됩니다. 이 경우는 위에서 전방 장애물을 감지 되었을 때 주행을 정지 한 상태에서 좌/우 방향 위치의 장애물을 감지 했던 코딩과 유사 합니다. 차이점은 주행 중에 실시간으로 좌/우 방향의 장애물을 감지 한다는 점만 차이가 있습니다.

void loop() {
  //거리측정
  delay(50);  
  int distanceA = sonar[0].ping_cm();  
  delay(50);  
  int distanceB = sonar[1].ping_cm();
    
  //장애물 감지
  if(distanceA<15 || distanceB<15){
    if(distanceA<distanceB){
         B방향으로 피하기 주행;  
    }
    else{
         A방향으로 피하기 주행;
    }
  }
  전방주행; 
}

이렇게 두 지점의 거리를 측정 한 뒤에 if문에서 조건식을 체크하는데 '||'로 두 조건식 중 하나라도 만족하면 참인 조건문으로 체크하게 됩니다. 둘중 하나라도 만족하면 진로 방향에 장애물이 있다고 간주하는 것이죠. 즉, A or B의 거리가 15cm 이하이면 참이되어 장애물을 감지된 걸로 간주 합니다. 여기서, 두 지점을 비교하여 A지점이 거리가 더 짧으면 B방향으로 주행하게 만들고 A지점의 거리가 더 길면 A방향으로 주행하도록 만들 수 있습니다.

이외에도 장애물 감지 방식은 여러분들이 상상하는 방식에 따라서 다양하게 표현이 가능합니다. 순간 떠오른 생각들을 몇가지 정리한 것이 위의 장애물 감지 표현입니다. 여러분들도 이 방식 말고 다른 방식으로 장애물을 감지할 수 있는 방법을 찾아보셨으면 합니다. 그래야 상상코딩 능력을 키울 수 있습니다.

마무리

오늘은 초음파센서를 이용하여 장애물을 잠지하는 방법들을 살펴 보았습니다. 초음파센서를 어떤 형태로 배치하느냐에 따라서 감지하는 방식이 달라집니다. 어떤 방식이 정도라도 말 할 수 없으며 여러분들이 원하는 방식으로 표현하시는게 바로 정도입니다. 그리고, 위에서 열거한 방식으로 구지 안하셔도 됩니다. 여러분들의 상상력으로 감지 방식을 만들면 됩니다.

장애물 감지를 위해 실험에 사용한 초음파센서를 이용하셔도 되고 다른 거리측정 센서를 이용하셔도 됩니다. 아니면 전혀 다른 방식으로 주변을 감지할 수 있는 부품을 사용하여 표현하셔도 됩니다. 저는 가장 쉽게 접근할 수 있는 방식이 초음파센서라서 초음파센서를 사용한 것 뿐입니다. 여러분들이 다른 방식으로 하기 어려우시다면 1200원 짜리 초음파센서를 이용하여 실험하셔도 됩니다. 초음파센서를 어떻게 배치하고 사용할지는 여러분의 상상력에 달려 있음으로 한번 상상의 나래를 펼쳐보세요.

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