[아두이노] 조이스틱 + Servo Motor 제어

[아두이노] 조이스틱 + Servo Motor 제어

---

• 온라인 가상시뮬레이터 : https://www.tinkercad.com/
• 참고 링크 :
  [아두이노] 조이스틱 제어
  [아두이노] 서보모터 제어
  [아두이노] Sensor 읽는 법
  [아두이노] 스위치 버턴 제어
  [아두이노] 서보모터를 리모콘(IRremote)으로 제어

---

조이스틱으로 뭔가를 조정하는 응용 예제로 소개할 만한게 없나 고민하다가 지금까지 포스트 한 것 중에서 찾다가 조정 느낌이 느낄 수 있는 LED로 실험 했다가 그냥 포스트에 올리는 걸 포기했네요. 다른 부품으로 찾다가 Servo Motor를 제어를 해보는게 재밌 소재가 될 것 같고 따로 코딩하는 부분도 별로 없을 것 같아 실험 주제로 결정 했네요. 코딩도 아주 초 간단하게 원리만 표현 했고 지난 시간에 조이스틱 조정기 값을 읽는 것을 배웠으니깐 이제는 그 값을 기준으로 Servo Motor의 Angle을 정하면 되니깐 별로 어렵지 않고 재밌는 포스팅이 될 것 같네요.

자! 그러면 Servo Motor를 조이스틱으로 제어를 해 봅시다.

1. 회로도 구성

---

• 준비물 : 조이스틱 1개, Servo Motor 1개, Red LED 1개, 저항 220옴 1개, 아두이노우노
• 내용 : A0, A1 핀은 x,y 방향 아날로그 신호를 받고 5번핀은 스위치 신호를 받도록 선은 연결하고 7번핀에 Servo Motor 출력핀으로 연결하고 12번핀은 Red LED의 출력으로 사용한다.

---

[ Fritzing 디자인 ]

회로도를 보시면 좀 복잡해 보일 수 있는데, 조이스틱에서 방향 신호(VRX, VRY)와 스위치 신호(SW) 선만 아날로그 핀과 디지털 핀에 연결 하고, Servo Motor핀과 LED 핀들은 사용하고자 하는 디지털 핀을 선택해서 연결하시면 됩니다. 나머지는 다 전원에 관련된 핀이라 회로도 그림만 좀 복잡해 보이고 선 연결은 어렵지 않습니다.

2. 코딩

---

• 사용함수 : pinMode(), analogRead(), digitalRead(), digitalWrite(), delay(), servo.attach(), servo.write(), map()
• 내용 : 조이스틱으로 Servo Motor를 회전시키고 스위치 버턴으로 Red LED에 동작을 표현
• 참고자료 : [아두이노] 조이스틱 제어 , [아두이노] 서보모터 제어

---

함수

• pinMode(사용핀, 입/출력모드) : 해당 사용핀을 어떤 모드로 사용할지 결정한다. INPUT_PULLUP모드로 설정(내부저항을 사용할 예정)
• analogRead(아날로그핀) : 아날로그 신호를 읽음(0~1023)
• digitalRead(디지털핀) : 디지털 신호를 읽음(0 or 1)
• digitalWrite(출력핀, HIGH/LOW) : 출력핀에 HIGH(5V) or LOW(0)를 출력
• delay(시간값) : 시간값만큼 대기한다.
• map(입력값,입력최소,입력최대,출력최소,출력최대) : 입력값이 입력 최소~최대범위가 출력 최소~최대에 매칭되어 출력

Servo Motor 함수

#include <Servo.h> 

• Servo servo : 서보모터 객체 선언
• servo.attach(서보핀) : 서보 모터에 출력을 담당할 핀 선언
• servo.write(회전각) : 회전각 만큼 서보모터를 회전 시킴

---

설계

조이스틱의 어떤 값으로 Servo Motor를 제어 해야 할까요. X 방향, Y 방향, 스위치 버턴 이 세가지 신호 중에 어떤 것을 사용할까요. 여기서, X, Y 값 중에 하나를 선택하면 됩니다. Servo Motor 한개가 하나의 축 방향이라고 생각하면서 접근하시면 됩니다.

간단히, 저는 X 방향 아날로그 신호로 Servo Motor를 제어 해볼까 합니다.

그러면 조정값을 어떻게 Servo Motor랑 매칭해야 할까요. 한번 생각을 해보세요.

조이스틱이 처음 어떤 상태로 어떤 값을 초기값으로 되어 있나요. 조이스틱의 현재 상태와 현재 신호를 곰곰히 생각 해보시면 그 안에 답이 있습니다. 바로, 조이스틱은 방향 아날로그 신호값이 중앙값으로 처음 시작 합니다. 즉, 0~1023의 아날로그 신호에서 512이라는 중심값이 초기 상태로 아날로그 신호로 시작 합니다.

이때 왼쪽은 0~512 사이가 되고 오른쪽은 512~1023 사이의 값으로 좌우 방향을 나타낼 수 있습니다. 이 원리를 이용하시면 쉽게 해결 됩니다. 512를 기점으로 좌우 신호 값으로 Angle를 표현하면 되니깐요. 여기서 0~1023의 아날로그 신호값에서 0도가 0의 값이 되고 180도는 1023이 되게 하면 중앙값 512은 90도가 되고 이 개념을 가지고 코딩을 하면 됩니다.

그렇게 하면, 처음 시작은 중앙값 512로 Servo Motor은 90도에서 시작하게 되고 아날로그 신호가 0에 가까울 수록 0도에 가까워지고 아날로그 신호가 1023에 가까울 수록 180도에 가까워지겠죠.

여기서, 문제점은 0을 0도로 1023을 180도로 어떻게 표현 할까요. map()함수를 이용하면 됩니다. 은근히 자주 사용하는 함수인데 여기에서도 사용 하네요.

m_Angle = map(analogRead(AXIS_X),0,1023,0,180);

AXIS_X핀의 아날로그 신호값이 0~1023 범위에서 출력 0~180범위에 어느 정도의 위치가 되는지 알아서 해당 값을 찾아주는 함수입니다. 만약, 512값이 입력신호로 들어오면 출력 0~180 범위에서 90이라는 값의 위치하니깐 90이 반환되어 나옵니다. 즉, 입력신호값을 0~180사이의 값으로 자동으로 변환시켜주는 함수인 셈이죠.

이 한줄로 조이스틱의 X방향의 아날로그 신호를 각도로 만들어 낼 수 있겠죠.

 servo.write(m_Angle); 
 delay(100); 

아날로그 신호 512일 때, Servo.write(90)함수로 90도를 Servo Motor가 회전하게 됩니다. delay()함수는 Servo Motor가 충분이 회전할 시간값을 줘야 하기때문에 같이 코딩 해야 합니다. 100은 0.1초인데 더 짧게 하시면 좋겠죠. 그냥 이전 포스트 소스를 가져다가 표현한거라 딜레이 시간은 그냥 뒀네요. 원래 저 값은 특정한 각도로 회전 한뒤에 다시 다른 특정한 각도로 회전할 때까지의 충분한 시간 값인데 조이스틱 조정기에서는 이렇게 큰 시간값은 필요 없습니다. 각도 값 범위가 변화율은 크지 않기 때문에 짧게 시간을 주면 됩니다. 100은 아주 큰 값이지만 조정기로 해본 결과 그냥 사용해도 제 실험에서는 상관 없어서 그냥 뒀네요.

결론은 조이스틱의 X방향 신호값을 읽어와서 map()함수로 각도를 만들어 내고 servo.write()로 각도를 출력하는 코딩으로 딱 두줄이면 조이스틱으로 Servo Motor를 움직이게 할 수 있게 됩니다.

그러면, 전체 소스를 살펴봅시다.

[ 소스 ]

#include <Servo.h> 

Servo servo;

const int AXIS_X = A0;
const int AXIS_Y = A1;
const int SW_P = 3; 

const int servoPin = 7;
const int redLed = 12;

int m_Angle = 0;
 
void setup() {
  servo.attach(servoPin);
  pinMode(redLed, OUTPUT);
  pinMode(SW_P,INPUT_PULLUP);
}
 
void loop() {
  m_Angle = map(analogRead(AXIS_X),0,1023,0,180);
  digitalWrite(redLed,digitalRead(SW_P));
  servo.write(m_Angle); 
  delay(100);   
}

변수가 코딩의 절반을 차지 하네요. 정작 로직 코딩은 몇 줄 안되는 데 말이죠.

  digitalWrite(redLed,digitalRead(SW_P));

서비스 코딩으로 스위치 버턴을 누르면 12번에 연결된 Red LED가 꺼지도록 했네요. 조이스틱 스위치 버턴은 내부풀업저항을 이용하기 때문에 초기값은 '1'이 됩니다. 그래서 전원이 공급되면 Red LED에 불이 들어오게 됩니다. 그리고 스위치를 누르면 '0'의 상태가 되어서 Red LED는 불이 꺼지게 됩니다.

4. 결과

---

5. 추가 내용

---

위 실험 코딩은 그냥 조정기의 0~1023값을 단적으로 0~180도로 나눠서 조정한 거라서 실제로 뭔가 조정하거나 정밀 제어 할 때는 사용하지 않는 코딩입니다. 단순히 조정기를 움직일 때 그 움직임 값으로 Servo Motor를 움직이게 한 것 뿐이니깐요.

원래는 조정기에 대한 코딩을 제대로 하실려면은 조정기를 움직일 때에 채터링 문제 또는 조정값의 범위라던가 조정기의 수치에 따른 회전 속도라든가 고려해야할 것이 산더미로 많습니다. 거기에 조종기의 중심값의 보정 작업도 추가 해야 합니다.

이런것들을 다 코딩하면 회전 하나의 동작을 하기 위해서 수십 줄의 코딩으로 늘어나게 됩니다. 배보다 배꼽이 더 커지겠죠. 여기서 배워야할 것은 Servo Motor를 조이스틱으로 회전할 수 있는 기초 원리를 배우는게 목적이기 때문에 간단하게 원리만 전달하는 코딩만 한 것이니깐 여러분들이 실제로 뭔가를 제어할려면 많은 부분을 생각하고 코딩 하셔야 합니다.

그리고, 여러분들이 이 기초를 이해 하셨다면 조정기에 필요한 부분이 뭐가 있을지 생각하고 여러가지 상황들을 제시하고 그 문제를 해결하면서 코딩을 늘려가셨으면 합니다.

마무리

---

조이스틱으로 Servo Motor를 제어할 수 있게 되었네요. 한개의 Servo Motor를 제어 했지만 여기서 Y방향 값도 같이 적용을 하여 Motor 두개를 사용한다면 어떻게 될까요. x와 y방향으로 평면의 좌표로 이동할 수 있게 됩니다. 3D 프린터나 평면 그림을 그리는 프린트기 같은 걸 만들 수 있겠죠. 여기에 사용되는 Motor는 Stepper Motor로 360도를 회전하는 것을 사용합니다. 어찌 되었든 조정기로 뭔가를 움직이는 물체를 제작 가능해 지겠죠.

마지막으로, 뭔가 로봇 같은 관절 제어 쪽으로 상상력을 발휘해 보세요. 재밌는 상상력들을 많이 해 보셨으면 합니다.

예를들어, 로봇 손가락을 상상해 보세요. 자신의 손을 쫙 펴보세요. 손가락 하나에는 3마디로 구성 되어 있잖아요. 이 각 마디와 마디 사이에는 관절이 있습니다. 이 3개의 관절을 Servo Motor가 대신 한다고 상상을 해보세요. 손을 다시 주먹을 쥐어보세요. 한마디가 구부러질 때 몇도의 각도가 되나요. 각 관절이 90도에 가깝게 꺽기게 됩니다. 그러면 Servo모터로 3개의 관절을 동일하게 angle을 0도에서 서서히 90도에 가깝게 일정한 속도로 회전 시키면 어떻게 될까요. 주먹을 쥐는 형태로 자연스럽게 구브러 지겠죠. 다시 펼 때는 90도에서 서서히 0도로 3개의 Servo모터를 회전 시키면 어떻게 될까요 서서히 손가락을 펴는 모습이 되겠죠.
직접 자신의 손을 주먹을 쥐었다 폈다를 반복하면서 머리속에서 손가락 관절의 각도를 그려 보세요. 그 원리를 깨우치게 되면 로봇 손가락 관절 제어를 할 수 있게 됩니다.

일상의 모습을 보고 우리는 그걸 코딩화 할 수 있습니다. 일상의 모습을 코딩화 하기 위해서는 끊임없이 상상력을 끌어 올려야 하고요. 계속 자신에게 어떤 것을 배우고 다룰 수 있게 되면 다음에 뭘 배우지 보다는 이것을 이용하여 뭘 할 수 있지 하고 2개 이상의 응용할 수 있는 상상력 훈련을 하셨으면 합니다.