[아두이노] 아두이노 RC카 초음파센서로 장애물 피하기 패턴

[아두이노] 아두이노 RC카 초음파센서로 장애물 피하기 패턴

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• 온라인 가상시뮬레이터 : https://www.tinkercad.com
• 참고 : [아두이노] 아두이노 2륜 RC카 주행 패턴 실험
• 초음파센서 RC카(자율주행) Post 과정 :
  [아두이노] 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)

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지난 시간에는 초음파센서로 장애물을 감지하는 방법들에 대해서 간단히 살펴 보았습니다. 오늘은 감지 했을 때 피하는 방법에 대해 한번 이야기 하고자 합니다. 아두이노 RC카는 주행 중 전방에 장애물이 감지하면 후진을 할 것인지 좌회전을 할 것인지 아니면 우회전을 할 것인지를 결정해야 합니다. 여러분들은 어떤 선택을 하실 건지 한번 머리속에서 상상을 해보세요. 현재 여러분들이 서 있는 위치에서 앞으로 걷다가 앞에 벽이 나타난다면 나는 어느 방향으로 벽을 피해 이동할지를 상상하며 한번 걸어보세요. 벽이 나타나고 벽을 피해서 방향전환하고 나서 다시 걷는 상상을 하거나 아니면 실제 걸어보시면서 걷는 과정을 기록해 주세요. 이 행동의 기록이 아두이노 RC카의 주행 패턴이 됩니다. 아두이노 RC카는 이 주행 패턴을 통해서 자율주행을 하게 됩니다. 어떤 느낌인지 아시겠지요.

지금부터 장애물 감지 센서인 초음파센서를 지난 시간에 배운 방식 중에 하나를 선택해서 실험해야 하는데 위 사진을 보면 서보모터로 회전되는 초음파센서로 전방에 하나 배치했기 때문에 이 방식을 통해 장애물을 감지 하고 장애물을 피하는 패턴들을 만들겠습니다.

1. 초음파센서로 장애물 감지 시 피하기 패턴

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• 선행 학습 : [아두이노] 아두이노 2륜 RC카 주행 패턴 실험

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위의 선행 학습을 꼭 하시고 오셔야 합니다. 그래야 아래 내용을 쉽게 이해 하실 수 있습니다.

1) 전방 장애물 피하는 기본 방향 패턴

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지난 시간에 몇가지 초음파센서로 장애물 감지에 대해서 살펴 보았습니다. 장애물 감지 중 첫번째 회전 초음파센서로 장애물 감지를 기준으로 한번 패턴을 만들어 보도록 할까요.

주행 중 회전 초음파센서로 장애물을 감지 상황은 다음과 같습니다.

주행 중에 전방에 장애물이 감지하는 한다고 상상해 봅시다. 이 상황에서 여러분들은 어떤 주행 패턴을 만드시겠습니까?

좌회전 아니면 우회전 그것도 아니면 후진 중 어떤 주행패턴을 하실지 머리속에서 그려 보세요.

#include <AFMotor.h>

AF_DCMotor motor1(3); //왼쪽 모터
AF_DCMotor motor2(4); //오른쪽 모터

두개의 DC기어모터를 제어할 Motor가 있을 때

• motor.run(FORWARD) : 전진
• motor.run(BACKWARD) : 후진
• motor.run(RELEASE) : 해제

모터의 기본 동작함수인데 이 함수를 통해서 장애물을 피하는 패턴을 만듭니다.

if(장애물 감지){
  장애물 피하기 패턴;
}

장애물 감지 시 제자리에서 좌/우 회전을 시킨 후 회전 된 방향으로 주행을 계속 진행하도록 주행패턴을 만들어 보도록 합시다. 단, 90도 회전은 0.5초동안 회전하고 180도 회전은 1초동안 회전이라고 가정하고 상상 코딩을 합니다. Motor의 속도에 따라 시간에 따른 회전각은 달라집니다. 개념을 잡기 위해서 0.5초은 90도 이고 1초가 180도라고 상상한 것이기 때문에 이대로 실제 코딩하시면 안됩니다. Motor 속도와 시간에 대한 회전각도를 수학적으로 계산하시거나 단순하게 속도에 따른 시간별 각도를 일일히 체크해서 각도를 가늠하시거나 둘 중 하나를 선택하셔서 나중에 실제 만들어 보세요.

[90도 우회전 후 전진]

motor1.run(FORWARD);
motor2.run(BACKWARD);
delay(500);   
motor1.run(FORWARD);
motor2.run(FORWARD);

[90도 좌회전 후 전진]

motor1.run(BACKWARD);
motor2.run((FORWARD););
delay(500);   
motor1.run(FORWARD);
motor2.run(FORWARD);

이렇게 하면, if문으로 장애물 감지되면 좌/우로 90도 회전 시킨 후 그 방향으로 전진하게 됩니다. 장애물 피하기 주행 패턴이 단순하죠.

다음으로, 뒤로 회전 한다면 좌/우로 회전 방향은 상관 없이 180도 회전을 시키면 됩니다.

[180도 뒤로 회전 후 전진] 우방향을 기본으로 잡았을 경우

motor1.run(FORWARD);
motor2.run(BACKWARD);
delay(1000);   
motor1.run(FORWARD);
motor2.run(FORWARD);

대충 이런 느낌이 됩니다. 1초가 정확히 180도 회전이 아닙니다. 가정한 것이고 DC기어모터 회전 속도에 따라서 회전각은 달라집니다. 가정하에서 코딩한 것이기 때문에 감안하시고 보세요.

이렇게 해서 간단히 장애물을 피해서 주행을 할 수 있게 되었습니다.

2) 전방 장애물을 피할 때 문제점

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방금 세가지 피하는 방식에서 문제가 발생할 수 있습니다. 제자리에서 아래 그림처럼 DC기어모터가 회전하면 바퀴를 기준으로 몸체가 돌아가게 됩니다. 몸체가 돌아갈 때 장애물과의 충돌이 발생 할 수 있습니다.

제자리 좌/우회전을 시키거나 뒤로 180도 회전 시킬때 장애물 거리 감지가 짧을 경우 아래와 같은 상황이 발생 할 수 있습니다.

[우회전]

[180도 회전]

위 그림같은 상황 때문에 주행 중 진행 방향에 장애물이 감지 되었을 때 다음 장애물 피하기 동작 패턴을 만들려면 감지한 거리과 아두이노 RC카의 몸체의 크기를 고려해야 합니다. 그리고 피하는 행동을 할 때에도 주변 환경의 장애물과의 충돌 상황도 고려해야 합니다.

[해결 방법]

• 첫번째, 장애물 감지 거리를 좀 더 길게 잡으면 해결 됩니다. 아두이노 RC카가 충분히 회전 할 수 있는 거리만큼을 장애물 감지 거리로 설정해 놓으면 장애물 감지 후 바로 회전을 하더라도 정상적으로 회전 할 수 있습니다.
• 두번째, BACKWARD(후진)을 일정 거리만큼 시킨 뒤 회전을 시키면 됩니다. 하지만, 이 경우에는 또 다른 문제점으로 후진 후 회전시 아래 그림처럼 측면에 장애물이 있을 경우 충돌 가능성이 있습니다.

위 그림처럼 문제가 생기면 후면에 초음파센서를 부착하여 후진 시 뒷면에 장애물을 감지하면 해결 할 수 있겠죠. 그런데 이부분은 코딩화 하지 않겠습니다 계속 상황을 만들어 가면 이야기가 끝도 없기 때문에 의미만 전달하기 위해서 이정도로 마무리 합니다.

장애물을 피하는 주행 패턴을 만들 때 처음에 제가 설명한 세가지 주행 패턴을 기반으로 상상코딩을 한 뒤에 주행 패턴을 변화시키십시오. 만약에, 자신이 만든 주행패턴에 문제가 생기면 그 문제 해결을 위한 주행 패턴을 만들고 기존 소스에 덧붙여가며 코딩을 늘려가시면 문제를 충분히 해결 할 수 있게 됩니다. 처음은 단순한 주행패턴으로 머리속에서 정리하고 그 주행 패턴에서 하나씩 새로운 주행 패턴을 만들어가면 좀 더 정교한 장애물 피하기 패턴을 만들 어 가면 자율주행하는 재밌는 아두이노 RC카를 만들 수 있습니다.

2. 회전 초음파센서로 장애물 감지 후 피하기 패턴 - I

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위 그림처럼 초음파센서는 전방에 일정 각도로 좌/우 회전을 하면서 각도마다 거리를 측정하게 됩니다. A, B, C로 세부분으로 나누었지만 만약, 40~140도 사이의 각도를 10도 간격으로 하면 11개의 각도의 장애물 감지 거리를 측정하게 됩니다. 11개의 각도가 나올 때 전방 중앙을 90도 각도로 하면 좌/우 5개의 각도로 장애물 감지 거리가 측정 할 수 있습니다.

이렇게 각도별로 장애물이 감지 되었을 때 어떻게 상상코딩을 할까요. 정중앙을 90도기준으로 장애물이 감지된 초음파센서 각도에서 반대 방향으로 회전시켜 장애물을 피하는 간단한 방법이 있습니다.

위 그림에서 B가 90도 기준으로 A은 140도 방향이고 C은 40도방향이라고 한다면 A방향은 좌측이고, C방향은 우측으로 나눌 수 있습니다. 이때, A방향의 장애물이 감지 되었을 때 우측으로 진로 C방향으로 진행하도록 합니다. C방향 우측에서 장애물이 감지되면 좌측으로 진로 C방향으로 진행하게 하면 간단한 피하기 패턴을 만들 수 있습니다.

[A방향 장애물 발견 시 90도 우회전 후 전진]

motor1.run(FORWARD);
motor2.run(BACKWARD);
delay(500);   
motor1.run(FORWARD);
motor2.run(FORWARD);

[B방향 장애물 발견 시 90도 좌회전 후 전진]

motor1.run(BACKWARD);
motor2.run((FORWARD););
delay(500);   
motor1.run(FORWARD);
motor2.run(FORWARD);

이렇게 진로 방향을 바꾼다면 장애물 감지는 아래와 같이 코딩을 할 수 있겠죠.

if(장애물거리<15){
  if(초음파각도>90){
      [A방향 장애물 발견 시 90도 우회전 후 전진];
  }
  else{
      [B방향 장애물 발견 시 90도 좌회전 후 전진];
  }
}

이렇게 단순하게 표현 할 수 있습니다.

추가로

전방, 좌/우측 방향의 장애물이 나타 났을 때 각도별 상황 구간을 잡아 놓고 아두이노 RC카를 좀 더 세부적으로 아래와 같이 if문으로 나누어서 각도별로 회전 주행 패턴을 만들 수 있습니다. 아래는 3구간으로 나눴지만 더 나눌 수 있고 또는 각 나눈 구간에서 다시 if조건문으로 해당 구간의 각도 범위에서 좀 더 각도를 나눠서 제어 방식을 변경할 수 도 있습니다. 이것은 여러분들의 상상력에 달려 있으니깐 한번 상상해 보세요.

if(A상황일때) 우회전;
else if(B상황일때) 좌/우회전 결정;
else if(C상황일때) 좌회전;

3. 회전 초음파센서로 장애물 감지 후 피하기 패턴 - II

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위에서는 단순하게 장애물이 발견 된 시점에서 제자리에서 방향전환을 시키고 그다음 주행을 진행 했습니다. 뭔가 주행 중에 멈춰서 회전을 하기 때문에 끊기는 느낌으로 주행이 됩니다.

위 그림처럼 부드럽게 반원을 그리 듯 곡선 주행을 시키는 주행 패턴을 만들고 싶지 않으신가요. 이 방식은 어떤 주행패턴 일까요.

지난 [아두이노] 아두이노 2륜 RC카 주행 패턴 실험에서 주행패턴을 여러가지를 설명했는데 다음 주행패턴 코딩으로 표현을 할 수 있습니다.

motor1.setSpeed(130);
motor2.setSpeed(200);
motor1.run(FORWARD);
motor2.run(FORWARD);

바로, 이 주행패턴 코딩으로 곡선 주행을 하게 됩니다. 좌회전을 하고 싶다면 좌측 DC기어모터의 속도를 낮추게 되면 좌회전을 위 그림처럼 하게 되고 우회전을 하겠다면 우측 DC기어모터의 속도를 낮추면 그 방향으로 회전이 이뤄집니다. 실험에 사용하는 2륜 아두이노 RC카의 방향전환은 해당 DC기어모터의 속도에 따라서 방향을 전환하면서 주행할 수 있습니다. 도로주행과 같은 느낌의 주행이 되겠죠.

하지만, 아두이노 RC카는 이 방식만 있는게 아닙니다. 앞바퀴에 핸들식으로 서보모터를 부착해서 좌/우회전을 시킬 수 있는 방식이 있습니다. RC카 완제품을 사시면 앞바퀴 핸들식으로 무선조정하는 제품들을 많이 보셨을 꺼에요. 이방식에서는 서보모터가 45도가 수평일 때 90도는 좌회전이고 0도는 우회전으로 방향으로 조정하고 뒷바퀴는 그냥 RC카의 속도와 전진/후진 기능을 담당하면 됩니다.

servo.write(90);
motor1.run(FORWARD);
motor2.run(FORWARD);

이렇게 코딩을 바꾸면 됩니다.

마무리

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대충 장애물 감지 했을 때 몇가지 패턴들을 만들어 보았습니다. Post [아두이노] 아두이노 2륜 RC카 주행 패턴 실험 의 내용에서 별로 바뀐 부분은 없습니다. 그냥 장애물 감지했을 때 상황을 두고 몇가지 패턴만 만들었을 뿐입니다. 상황을 그림으로 그리고 나서 그 그림을 기반으로 DC기어모터의 바퀴 회전을 어떤 형태로 회전 시킬 건지만 여러분들이 결정해서 패턴을 만들어 내면 됩니다.

• motor.run(FORWARD) : 전진
• motor.run(BACKWARD) : 후진
• motor.run(RELEASE) : 해제

이 함수 3개를 이용하여 초음파센서로 장애물이 감지되면 각 DC기어모터를 FORWARD, BACKWARD, RELEASE 중 하나를 선택하여 장애물를 피하는 주행 패턴을 만들면 됩니다.

처음에는 이렇게 단순하게 장애물에 대해서 난 이렇게 피할꺼야! 아니면 저렇게 피할꺼야! 하면서 쉽게 만들면 됩니다. 처음부터서 정교하게 실제 차처럼 주행시켜야하지 하면 단순하 RC카 주행도 못시킬 가능성이 큽니다. 처음은 단순하게 무조건 쉽게 아두이노 RC카 주행을 시키면서 거기서 문제점이 발견되면 그 문제에 대해 다시 또 다른 주행 패턴을 만들고 하면서 조금씩 살을 붙여가면서 하셔야 정교한 주행이 되는 아두이노 RC카를 만들어 낼 수 있습니다.

오늘 Post도 처음에는 기조척으로 90도 기준으로 해서 좌/우 방향 회전하여 주행 패턴을 만들었는데 만들고 나서 Post를 쓰다보니깐 쓰는 도중에 상상코딩을 하게 되면서 주행 패턴에 대해 내용이 추가되었네요. 몇가지 더 내용이 있었는데 너무 길게 쓰는 것은 좀 그래서 중간에 멈췄네요. 다른 상황과 주행 패턴이 있었는데 대충 이런식으로 장애물을 피하는 주행패턴을 만들 수 있다는 의미를 전달하고 여러분들의 상상력에 맞기는게 나을 것 같아서 이정도로 마무리 했네요.

다음 Post에서 장애물 감지와 장애물 감지 했을 때 어떤 주행 패턴을 선택할지는 결정을 못했네요. 90도 기준으로 좌/우 방향 회전이 가장 유력하지만 너무 복잡한 주행 코딩은 안하고 단순하게 의미전달하는 주행 코딩으로 소개할 것 같습니다. 아무튼 여러분들은 오늘 제가 상상한 주행 패턴을 보시고 여러분들도 직접 장애물이 이렇게 배치 되어 있다면 난 이런 주행을 시켜봐야지 하고 상상을 하는 시간을 가졌으면 합니다.