[아두이노] 아두이노 RC카 준비 

• 온라인 가상시뮬레이터 : https://www.tinkercad.com
• RC Car post 과정 :
  [아두이노] L293D Motor Shield+DC MOTOR 제어
  [아두이노] 아두이노 RC카 준비
  [아두이노] 아두이노 2륜 RC카 주행 패턴 실험
  [아두이노] 2륜 RC카 Bluetooth를 통해 스마트폰(무선) 조정하기
  [아두이노] 아두이노 RC카를 조정하는 다양한 코딩 접근법

지난시간까지 DC Motor 기본 방향과 속도 제어에 대해서 살펴 보았습니다. DC Motor에 대한 post를 그냥 마무리하면 아쉬울 것 같아서 간단히 아두이노 RC카에 실험을 연장에서 진행하면 좋을 것 같아서 post를 추가로 연장합니다. 아두이노 RC카를 어느선까지 실험을 할지는 아직 계획은 없습니다. 우선 가지고 있는 재료를 가져다가 RC카를 만들어 볼 예정입니다. 새로 뼈대를 만들고 하면 좋은데 손재주가 부족해서 예전에 사놓은 RC카 프레임을 가지고 제어를 해 볼 예정입니다. 오늘은 간단히 준비물과 조립에 대한 내용을 다루고 간단히 테스트해서 조립이 정상적으로 이뤄졌는지 살펴보도록 하겠습니다.

1. 아두이노 2륜 RC카 준비물

준비물 :

• RC 프레임 몸체
• 보조 바퀴
• RC카 DC기어모드모터 2개
• 바퀴휠 2개
• L293D Motor Shield or L9110S Motor Shield
• 아두이노우노
• AAx4개 배터리 케이스 배터리 홀더 6V 아두이노
• HC-06 Bluetooth 모듈

세트 구매 :

• RC카 프레임세트(RC 프레임 몸체, 보조바퀴, RC카 DC기어모드모터 2개, 바퀴휠 2개, AAx4개 배터리 케이스 배터리 홀더)(약 6천원)
• L293D Motor Shield(약4천원) or L9110S Motor Shield(약2천원)
• HC-06 Bluetooth(약5천원)

개별 구매 : RC카 프레임세트는 가격대가 많이 차이 납니다. 개별적 구매한다면 다음과 같습니다.

• RC카 DC기어모드모터 + 바퀴휠(약1400원) X 2개 = 약2800원
• L9110S Motor Shield(약2천원)
• AAx4개 배터리 케이스 배터리 홀더(약400원)
• HC-06 Bluetooth 모듈(약5천원)
• 몸체(직접제작)

해외 직구면 가격대는 더 떨어지겠죠. 아두이노가격을 제외한 나머지 가격을 1만원 이하로 낮출 수 있다.

추가부품 : 장애물 감지 센서를 부착한다면 다음 부품을 추가

• Servo Motor(약1800원)
• 초음파센서(약1200원)
• 초픔파센서받침대(약1000~1200원)

잡담

RC카 프레임은 꼭 구매해야하는 것은 아닙니다. 그냥 CD케이스로 몸체를 만드셔도 되고 딱딱한 플라스틱이나 나무같은 걸로 만드셔도 됩니다. 그리고 균형을 잡히더라도 DC Motor를 몸체에 붙이시면 됩니다. 두바퀴로 RC카 몸체를 지탱하기 어렵기 때문에 두바퀴를 삼각형 형태로 두 꼭지점에 배치하고 나머지 꼭지점은 막대기 같은 걸로 보조 바퀴역활을 할 수 있게 RC카 프레임을 지탱할 수 있게 뭔가를 세우시면 됩니다. 그러면 재료비를 절약할 수 있습니다.

AAx4개 배터리 케이스 배터리 홀더의 경우도 그냥 기존 아두이노 세트나 부품 중 전원 공급하는 선이 있으면 그거롤 대체해도 됩니다. 6V로 DC Motor를 제어하는 것은 사실 Motor 회전에 힘을 잘 못 받습니다. 즉, speed 조절시 애먹게 되는 원인 중에 하나 입니다.

모터 쉴드는 2륜 RC카니깐 그냥 L293D 칩을 하나 몇백원짜리 구매하셔서 뻥판같은 작은 사이즈의 기판을 전자상가에서 판매하는데 몇백원 안합니다. 거기에다가 L293D를 기판에 납땡해서 모터쉴드를 제작하셔도 됩니다

실제로 최대한 절약한다면 아두이노우노+HC-06 합쳐서 만원정도 소요되고 나머지 DC 기어모터+바퀴휠 2개씩 약2~3천원 정도 들고 모터쉴드 기판을 만드는데 약1천원 안들거라 생각됩니다. 몸체는 집에서 궁글러다니는 네모란 딱딱한 플라스틱핱는 몸체만 구하시면 됩니다. 모든 풀세트로 조립한다면 약 만오천원정도 소요될 거라 생각됩니다. 기존에 아두이노우노랑 Bluetooth를 가지고 있는 분이라면 RC카 세트는 5~6천원도로 해결되겠죠. DC Motor Shield를 혹시 가지고 있는 분이라면 3천원 이라로 제작이 가능하겠죠.

재밌는 것은 RC카 프레임세트 가격하고 건전지 가격하고 비슷하다는 점 참고하세요. 편의점에서 1.5V 건전지 4개랑 9V 건전지 1개를 구매하니깐 7천원정도 하더군요. 충전 건전지 살것을 하고 후회했네요.

2. 아두이노 2륜 RC카 조립

2륜 RC카 프레임(구입가5800원)을 기반으로 설명하도록 하겠습니다. 직접 부품을 구매해서 대충 위치를 보시고 RC가 뼈대를 만드셔도 됩니다.

실험 준비 부품

• RC카 프레임 몸체
• 보조 바퀴
• RC카 DC기어모드모터 2개
• 바퀴휠 2개
• L293D Motor Shield
• AAx4개 배터리 케이스 배터리 홀더 6V 아두이노
• 아두이노우노

쇼핑몰 마켓 아무곳에서 "아두이노 2WD RC카"로 검색하시면 판매 정보가 나오고 조립 과정이 잘 나와 있으니깐 보고 따라하시면 됩니다. 2륜 RC카 프레임을 구매하시면 설계도 같은 종이 한장과 많은 나사 부품을 보고 순간 당황하실 수 있지만 RC카 DC기어모터 조립과 보조바퀴 조립만 하시면 조립이 90% 완성입니다. 바퀴만 조립하면 조립이 끝났다고 생각하시면 됩니다.

1) 바퀴 조립

위 사진에서 DC기어모터 몸체 기준으로 바퀴휠과 안쪽에 검은색 원이 있는데 두개를 DC기어모터에 양쪽으로 끼우면 됩니다. 그리고 위 사진에서 나사 부분은 RC카 몸체에 연결할수 있는 길죽한 바가 있는데 두개를 양쪽으로 해서 긴 나사를 끼워서 고정시킵니다. 그외는 따로 없습니다. DC기어모터의 전원 선이 너무 두꺼워서 선을 납땜했는데 살작 눌렀는데 부러져 버리더군요. 다시 부러진곳에 납땜을 살작 했는데 좀 불안하게 고정시켰습니다. 전원 전선을 연결할 때 주의해서 하세요 너무 약해요.

조립이 끝난 모습입니다.

2) 보조바퀴 조립

3) AAx4개 배터리 케이스 배터리 홀더(6V ) 조립

바퀴는 뒷면에 연결했다면 배터리케이스는 앞면에 연결합니다. DC기어모터와 보조바퀴 사이의 중앙지점에 나사구멍을 잘 찾으시면 위 사진처럼 해당 위치에 나사로 고정시키면 끝납니다. 그리고 스위치부분은 그냥 키워넣으시면 됩니다. 뒤집으면 빠져나오더군요. 고정시키는 것이 없어서 귀찮은 부분이네요.

4) 스위치 버턴 선 연결

뒷면의 모습입니다. 배터리케이스 빨간선을 스위치에 연결하고 반대편 스위치 선은 Motor Shield에 연결하게 됩니다.

5) Motor Shield에 전선 연결

2륜 RC카여서 2개의 DC기어모터의 전선을 제 경우 M3, M4에 연결했습니다. 전원은 Motor Shield의 전원선 쪽으로 아까 스위치 선에서 빼온 빨간선을 Motor Shield에 Vcc에 연결하고 배터리케이스 검은선을 Gnd에 연결하면 조립이 끝납니다.

3. 시험 운행 테스트

1) 코딩

• 참고 : [아두이노] L293D Motor Shield+DC MOTOR 제어
• 라이브러리 출처 : https://github.com/adafruit/Adafruit-Motor-Shield-library

[소스]

#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() {
  motor1.run(FORWARD);
  motor2.run(FORWARD);
  delay(2000);
  
  motor1.run(BACKWARD);
  motor2.run(BACKWARD);
  delay(2000);
 
  motor1.run(RELEASE);
  motor2.run(RELEASE);
  delay(2000);
}

이전 시간에는 DC Motor 한개를 회전 시켰지만 이번에는 DC Motor 2개를 회전 시켜야 하기 때문에 각각 한줄씩 동일하게 추만 하시면 됩니다.

2) 결과

[아두이노] L293D Motor Shield+DC MOTOR 제어 

• 온라인 가상시뮬레이터 : https://www.tinkercad.com
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  [아두이노] 아두이노 RC카를 조정하는 다양한 코딩 접근법

지난 시간에 74HC595 칩을 이용하여 2개의 L293D 칩을 제어함으로써 4개의 DC Motor를 제어를 가상시뮬레이터에서 실험을 하였습니다. 오늘은 L293D Motor Shield를 이용하여 실제로 DC Motor를 제어하는 실험을 하겠습니다.

1. L293D Motor Shield

• A : 전원핀
• B : Servo핀
• C :외부전원사용선택

M1, M2, M3, M4은 DC Motor 제어핀으로 총 4개의 DC Motor를 제어 할 수 있습니다. 참고로, M1, M2핀을 두개를 합치면 Stepper Motor를 제어할 수 있다. L293D Motor Shield은 비슷하지만 약간씩 다른 형태를 취하고 있는데 제가 사용하는 Motor Shield은 디지털핀을 꼽을 수 있는 곳이 없습니다. 아날로그핀은 오른쪽 하단에 A0~A5까지 꼽을 수 있게 되어 있지만 위에 0~13번까지의 디지털핀은 납땜하거나 선을 아두이노와 쉴드 사이에 묶어야 연결할 수 있기 때문에 좀 불편합니다.
핀을 많이사용할 경우 제가 쓰고 있는 L293D Motor Shield은 좀 문제가 있겠죠. 제가하는 실험은 A0~A5번핀 정도만 있어도 충분히 실험할 수 있기 때문에 사용하는데에는 문제는 없습니다.

2. L293D Motor Shield+DC MOTOR 회로도

• 준비물 : L293D Motor Shield, DC Motor 1개, 외부전원, 아두이노우노
• 내용 : 아두이노 위에 L293D Motor Shield를 꼽으면 됩니다. 참고로 M3 위치에 DC Motor 하나를 연결
• 모터 쉴드 이미지 출처 : https://github.com/adafruit/Fritzing-Library/blob/master/parts/Adafruit%20Motor%2C%20Stepper%20%26%20Servo%20Shield.fzpz

동일한 L293D Motor Shield 이미지를 찾았는데 못 찾고 가장 유사한 이미지로 회로도를 표현했는데 거의 동일한 L293D Motor Shield 이미지라고 생각하셔도 무방합니다. L293D Motor Shield를 아두이노우노 위에 꼽으면 됩니다 하나의 몸체로 만드시고 외부전원은 보시는 것과 같이 핀에 연결하고 DC Motor은 실험에서는 M3에 연결했습니다. 참고로 실험하실 때 원하는 위치 M1~M4 중에서 선택하셔서 실험하시면 됩니다.

3. L293D Motor Shield 라이브러리 설치

• 라이브러리 출처 : https://github.com/adafruit/Adafruit-Motor-Shield-library

라이브러리 관리자에서 "Motor shield" 라고 치시면 여러개가 검색됩니다. 비슷한 이름의 두개의 버전이 있는데 빨간색으로 표시한 라이브러리를 설치하시면 됩니다.

그리고 라이브러리 혹시 검색이 안된다면 위 라이브러리 출처에 가셔서 다운받아서 설치하시면 됩니다.

주의사항 : 실제 실험에 사용하시는 Motor Shield에 맞는 라이브러리를 설치해야 합니다. 다른 Motor Shield라면 다른 라이브러리를 찾아서 설치해야 합니다.

4. 코딩

DC Motor

#include <AFMotor.h>

• AF_DCMotor motor(3) : M3핀을 DC Motor 제어용으로 사용.
• motor.setSpeed(200) : 모터 속도
• motor.run(FORWARD) : FORWARD, BACKWARD, RELEASE 회전 명령

2초 단위로 전진, 후진, 정지를 테스트 명령을 내려 볼까요.

  motor.run(FORWARD);
  delay(2000);
  
  motor.run(BACKWARD);
  delay(2000);
 
  motor.run(RELEASE);
  delay(2000);

라이브러리를 이용하니깐 따로 코딩할 부분이 없습니다. 무지 간단하게 DC Motor를 제어할 수 있습니다. 이미 가상시뮬레이터에서 동작 원리와 제어 코딩에 대해 배웠으니깐 따로 설명은 안드리겠습니다. 라이브러리를 이용하면 motor.run() 함수를 이용하여 DC Motor 회전제어에 대한 명령을 한줄로 내릴 수 있게 되었고 위와 같은 코딩은 구지 설명을 안하더라도 전진, 후진, 해제라는 의미만으로 무슨 명령인지 쉽게 알 수 있을거라 생각합니다.

테스트 할 전체 코딩

#include <AFMotor.h>

AF_DCMotor motor(3);

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

void loop() {
  motor.run(FORWARD);
  delay(2000);
  
  motor.run(BACKWARD);
  delay(2000);
 
  motor.run(RELEASE);
  delay(2000);
}

5. 결과

마무리

오늘 실험은 지난 시간의 가상시뮬레이터로 실험한 내용과 동일합니다. 단지 차이점을 실제로 실험하는 것과 Motor Shield 라이브러리를 사용한다는 점만 다를 뿐이죠. 실제로 라이브러리를 이용하니깐 DC Motor를 제어하는 데 그렇게 어렵지 않죠.

 motor.run(FORWARD) => 전진
 motor.run(BACKWARD) => 후진
 motor.run(RELEASE) => 해제(정지)

이 세가지 명령을 통해 DC Motor를 마음대로 회전 시킬 수 있게 되었습니다. 그리고, motor.setSpeed(속도) 함수로 원하는 속도로 회전을 시킬 수 있게 되었습니다.

DC Motor 1개를 오늘 배운 것처럼 어렵지 않게 제어 했으니깐 DC Motor 2개를 제어하더라도 어렵지 않게 제어가 가능하겠죠.

DC Motor 2개가 있으면 2륜 RC카를 만들 수 있습니다. 오늘 배운 회전 관련 3개의 함수와 속도함수 1개만 알면 RC카 구현도 어렵지 않을 거라 생각됩니다.

한번 여러분들은 오늘 배운 4개의 함수를 가지고 RC카 구현에 대해 상상의 나래를 펼처 보세요.

[아두이노] 74HC595+L293D+DC MOTOR 제어 

• 온라인 가상시뮬레이터 : https://www.tinkercad.com
• 공개회로도 : https://www.tinkercad.com/things/72L1lWcH88O (5V Regulator LM7805)
  https://www.tinkercad.com/things/5o5Ep1YoFG5(74HC595+L293D+DCMOTOR)

지난 시간에 L293D를 이용하여 DC Motor의 회전 방향 제어와 속도 제어를 가단히 실험 하였습니다. 오늘은 좀 더 Motor 쉴드에 가깝게 74HC595 칩을 이용하여 L293D 칩을 두개를 제어하여 DC Motor 4개를 제어하는 실험을 하겠습니다.

1. 74HC595 복습

• 사전학습 : [아두이노] 쉬프트레지스터(74HC595)

• 데이터입력핀 DS핀 : 아두이노에서 데이터를 이칩에 보내게 됩니다.(총8개 출력값)
• STCP 핀 : HIGH, LOW값으로 결쇠 역할을 하는 핀입니다. 칩에 입력할때 LOW 칩을 개방하고 입력을 끝내면 HIGH 칩닫음
• SHCP 핀 : 클럭핀

세개의 핀 DS, STCP, SHCP를 통해서 74HC595핀을 제어하게 됩니다. 아두이노와 핀 연결은 위 사전학습에 가셔서 한번 읽어 주세요.

• Q0~Q7 : 각 핀으로 입력된 8개의 값을 출력합니다.

Q0~Q7까지 8개의 값을 출력하는데 여기서 각 4개씩 L293D 칩에 입력신호로 나누면 2개의 L293D 칩을 제어할 수 있게 됩니다.

2. 74HC595+L293D

두 칩을 연결한 모습을 살펴 볼까요.

위 74HC595 칩의 핀넘버를 잘 보시고 L293D 칩의 In1~In4까지 연결된 모습입니다. 좀 햇갈릴 수 있으니 아래 이미지를 보시고 정확한 위치를 파악해 두세요.

그래도, 어렵다면 위에 공개 회로도에 가셔서 해당 칩이 어떻게 연결 되어 있는지 살펴보도록 하세요.

3. 74HC595+L293D+DC MOTOR 회로도

• 준비물 : 74HC595 1개, L293D 2개, DC Motor 4개, Power Supply, 아두이노우노
• 내용 : 74HC595핀은 9, 10, 11핀을 연결하고 74HC595 출력 Q0~Q7핀으로 L293D In1~In4핀에 입력 핀에 연결한다. 마지막으로 DC Motor는 L293D 출력핀에 연결한다.

외부 5V 전압일 경우의 실험입니다.

74HC595핀의 전류 아두이노가 아니 이부분도 외부에서 공급되도록 하였습니다. 참고로 74HC595의 허용 전압이 제한되어 있기 때문에 실제로 전압은 DC Motor에 따라 더 높은 전압을 연결할 수 있습니다. 그러면 74HC595의 허용 전압을 초과하게 됩니다 그러면 칩에 문제가 생기기 때문에 5V이상의 전압을 사용할 경우 5V 레귤러를 연결해야 합니다. 그리고 안정적 전류 공급을 위해서 충전기도 달아야 하는데 사실 의미만 전달하기 위한 회로도로 실험하기 때문에 가상시뮬레이터에서만 사용하시고 실제로는 만들지 말아주세요.

외부 5V 전압 이상일 경우 실험은 아래와 같이 5V 레귤러(LM7805)를 달아야 겠죠.

위 그림을 자세히 보시면 5V 레귤러(LM7805)은 I, G, O핀으로 구성되어 있는데 I은 입력 전압이고, G은 Gnd이고, O는 출력전압입니다. 5V 이상의 전압을 출력 5V로 만들어주는 부품입니다.

참고

5V 레귤러(LM7805)를 사용하요 5V 공급되면 강압이 일어나 가상시뮬레이터에서 약3V 전류가 흐르게 됩니다. 5V 레귤러(LM7805)로 5V의 전류가 공급이 될려면 7V이상이 공급되어야 겠죠.

아래 그림처럼 10V가 공급되었을 때 7V 이상이니깐 정상적으로 5V의 전류가 흐르게 됩니다.

오늘 실험 회로도는 간단히 원리만 이해하기 위한 회로도 입니다. 실제 모터쉴드를 구현한다면 추가로 몇가지 부품이 더 있어야 합니다. 여러개의 부품을 연결하면 사실 회로도가 너무 복잡해지기 때문에 간단히 의미만 전달할 수 있는 실험을 위해서 칩들만 연결하고 5V를 제한을 둔 회로도로 DC Motor를 제어하는 실험으로 구성했습니다.

3. 코딩

지난 시간의 코딩과 마찬가지로 L293D 칩의 동작을 기준으로 FORWARD, BACKWARD, RELEASE의 세가지 상태를 코딩으로 만들겠습니다. 참고로 속도 Enable은 Vcc에 연결하여 최대속도로 무조건 회전하도록 회도로를 구성했기 때문에 따로 이부분은 생략합니다.

74HC595 칩의 장점은 1byte 신호값을 8개의 출력 신호로 만들어 낼 수 있다는 점입니다. 그래서 4개의 출력신호로 1개의 DC Motor를 제어할 수 있게 됩니다. 2개의 DC Motor를 제어하니깐 1byte로 구성된 회전명을 미리 만들어 놓으면 쉽게 회전 제어가 가능하겠죠.

#define FORWARD  0B10011001
#define BACKWARD 0B01100110
#define RELEASE  0B00000000

위 표현은 각 비트 자리가 L293D의 입력 핀 값이 되기 때문에 정방향으로 갈려면 다음과 같습니다.
예)
1001 1001
1234 5678
=> FORWARD

나머지 BACKWARD, RELEASE는 해당 Motor 핀위치의 값을 1 or 0으로 맞춰서 값을 표현하면 되겠죠. 그래서 위와 같이 FORWARD, BACKWARD, RELEASE의 세가지 상태값을 정의해 놓습니다.

74HC595 핀을 사용하기 위해서

//Pin connected to ST_CP of 74HC595
const int ST_CP = 10;
//Pin connected to SH_CP of 74HC595
const int SH_CP = 11;
////Pin connected to DS of 74HC595
const int DS = 9;

3개의 핀을 선언합니다.

   pinMode(ST_CP, OUTPUT);
   pinMode(SH_CP, OUTPUT);
   pinMode(DS, OUTPUT);

3개의 핀은 출력모드이니깐 출력모드로 사용한다고 선언하게 됩니다.

74HC595 칩에 1byte의 신호를 전송하기 위해서는 다음과 같은 명령을 내리면 됩니다.

74HC595 사용함수

     digitalWrite(ST_CP, LOW);
     shiftOut(DS, SH_CP, LSBFIRST, FORWARD);
     digitalWrite(ST_CP, HIGH);

이렇게 1byte씩 데이터를 보낼 수 있습니다. 'OB' 기호가 있는 값은 byte값을 나타내는데 8bit이니깐 1byte 값이 되고 1byte을 shiftOut()함수를 통해서 74HC595 칩에 전송하게 됩니다. 전송된 값에 의해서 74HC595 칩의 Q0~Q7핀으로 FORWARD의 출력이 발생합니다.

그러면, FORWARD, BACKWARD, RELEASE 명령을 내려 볼까요.

digitalWrite(ST_CP, LOW);
shiftOut(DS, SH_CP, LSBFIRST, FORWARD);
digitalWrite(ST_CP, HIGH);
delay(2000);

digitalWrite(ST_CP, LOW);
shiftOut(DS, SH_CP, LSBFIRST, BACKWARD);
digitalWrite(ST_CP, HIGH);
delay(2000);

digitalWrite(ST_CP, LOW);
shiftOut(DS, SH_CP, LSBFIRST, RELEASE);
digitalWrite(ST_CP, HIGH);
delay(2000);

2초 단위로 FORWARD, BACKWARD, RELEASE 명령이 내려지게 됩니다. 2초단위로 전진, 후진, 정지 이렇게 DC Motor 4개가 동시에 회전하게 됩니다. 지난 시간에 비해 코딩이 더 간소화 되었습니다.

종합해보면, 2초 단위로 전진, 정지, 후진, 정지 반복수행

#define FORWARD  0B10011001
#define BACKWARD 0B01100110
#define RELEASE  0B00000000

//Pin connected to ST_CP of 74HC595
const int ST_CP = 10;
//Pin connected to SH_CP of 74HC595
const int SH_CP = 11;
////Pin connected to DS of 74HC595
const int DS = 9;

void setup(){
   pinMode(ST_CP, OUTPUT);
   pinMode(SH_CP, OUTPUT);
   pinMode(DS, OUTPUT);  
}

void loop(){
     digitalWrite(ST_CP, LOW);
     shiftOut(DS, SH_CP, LSBFIRST, FORWARD);
     digitalWrite(ST_CP, HIGH);
     delay(2000);

     digitalWrite(ST_CP, LOW);
     shiftOut(DS, SH_CP, LSBFIRST, RELEASE);
     digitalWrite(ST_CP, HIGH);
     delay(2000);
      
     digitalWrite(ST_CP, LOW);
     shiftOut(DS, SH_CP, LSBFIRST, BACKWARD);
     digitalWrite(ST_CP, HIGH);
     delay(2000);
  
     digitalWrite(ST_CP, LOW);
     shiftOut(DS, SH_CP, LSBFIRST, RELEASE);
     digitalWrite(ST_CP, HIGH);
     delay(2000);
}

4. 결과

결과는 2초 전진, 2초 정지, 2초 후진, 2초 정지 결과 입니다.

마무리

지난시간에 비해 회로도는 더 복잡해졌지만 코딩은 더 간소화 되었습니다. 칩에 데이터를 한번에 전송하고 그 데이터를 기준으로 74HC595에서 2개의 L293D 칩에 입력신호를 보내 DC Motor를 제어 했습니다. 74HC595칩을 사용할 줄 알면은 쉽게 L293D 칩을 제어를 할 수 있습니다. '0B10011001'라는 이 데이터 값을 통해 FORWARD(전진) 쉽게 표현할 수 있게 되었습니다.

     digitalWrite(ST_CP, LOW);
     shiftOut(DS, SH_CP, LSBFIRST, 모터신호값);
     digitalWrite(ST_CP, HIGH);

이 세줄로 DC Motor를 마음대로 제어할 수 있게 되었습니다. 하지만, 실제로 이것을 적용하려면 위 회로도를 그대로 적용하시면 안됩니다. 그 이유는 위에서 설명했듯이 불안전한 회로도입니다. 단지, DC Motor를 제어하는 원리를 이해하기 위해 표현한 회로도입니다. 4개의 입력값만 있으면 L293D 칩을 제어할 수 있으니깐 L293D 칩을 두개 제어하려면 8개의 입력값을 제어할 수 있으면 되니 떠오른 것이 바로 74HC595칩이였고 이 칩을 기반으로 간단히 표현한 것 뿐입니다.

초보분들은 대충 원리만 이해하고 넘어가시기 바랍니다. 사실 편하게 DC Motor 쉴드를 사용하는게 편하니깐요. 처음부터서 너무 완벽하게 전부 다 하실 필요는 없습니다. 모르는 것은 이미 구현된 것을 가져다가 사용하시면 됩니다. Motor를 안정적으로 제어하기 위해서는 DC Motor 쉴드를 구매하셔서 쉽게 제어하시기 바랍니다.

이렇게 해서 DC Motor 제어를 간단히 살펴보았습니다.

[아두이노] L293D + DC MOTOR 제어

• 온라인 가상시뮬레이터 : https://www.tinkercad.com
• 공개회로도 : https://www.tinkercad.com/things/akrMoDcVkYt

지난 시간에 DC Motor의 회전 방향 제어와 속도 제어를 가단히 실험 하였습니다. 오늘은 L293D 칩을 이용하여 방향과 속도 제어를 실험을 하겠습니다. DC MOTOR를 제어하는 모터쉴드 중 가장 싸고 가장 많이 사용되는 모터쉴드의 사용되는 칩입니다. 이제 L293D 칩으로 어떻게 DC MOTOR를 제어하는지 알아보도록 하죠.

1. L293D

L293D 칩은 16Pin으로 구성되어 있습니다. 아래 핀 정보를 잘 살펴 봐주세요.

[핀 정보]
Vcc - 8, 16 Pin
Gnd - 4, 5, 12, 13 Pin
Enable - 1, 9 Pin (속도)
Input - In1(2), In2(7), In3(10), In4(15)
Output - Out1(3), Out2(6), Out3(11), Out(14)

총 4개의 Input 값에 의해 4개의 Output 신호를 만들어 냅니다. L293D 칩을 이용하면 D2 Motor 2개를 제어할 수 있게 됩니다.

In1+In2 => Out1+Out2 = DC Motor1 (Enable1 - 1번핀)
In3+In4 => Out3+Out4 = DC Motor2 (Enable2 - 9번핀)

위 관계를 잘 기억해 두세요. 이 관계를 통해서 DC Motor의 회전과 속도가 결정됩니다.

예로)
In1(HIGH) + In2(LOW) 이면 Out1(DC Motor + 연결), Out2(DC Motor - 연결) 되어 있다면 정방향 회전입니다.
Enalbe1(255) 이면 정방향으로 255속도로 회전됩니다.

In1(LOW) + In2(HIGH) 이면 Out1(DC Motor + 연결), Out2(DC Motor - 연결) 되어 있다면 역방향 회전입니다.
Enalbe1(255) 이면 역방향으로 255속도로 회전됩니다.

In1(HIGH) + In2(HIGH) 이면 Out1(DC Motor + 연결), Out2(DC Motor - 연결) 되어 있다면 정지입니다.
In1(LOW) + In2(LOW) 이면 Out1(DC Motor + 연결), Out2(DC Motor - 연결) 되어 있다면 정지입니다.

기본 동작을 이해 했으니깐 이제 실험을 할까요.

2. L293D + DC Motor 회로도

• 준비물 : L293D, 가변저항 1개, DC Motor 2개, Power Supply, 아두이노우노
• 내용 : 핀정보를 통해서 DC Motor 제어할 4개의 Input핀과, 1개 Enable 핀을 아두이노에서 적당한 핀을 선택하여 연결한다.

L293D 핀을 연결할 때 In1(7번), In2(6번), In3(8), In4(9번)을 연결 했습니다. Enable(5번) 핀은 2개의 Enable핀을 하나의 핀으로 연결 했습니다.

Motor1 => In1(+핀), In2(-핀)
Motor2 => In4(+핀), In3(-핀)

3. 코딩

L293D 칩의 동작을 기준으로 FORWARD, BACKWARD, RELEASE의 세가지 상태를 코딩으로 만들어야 합니다.

가상시뮬레이터에서 실험을 해야 하기 때문에 const 형을 가상시뮬레이터에서 실험하니깐 사이트 문제인지 error가 발생했다 안했다 해서 그냥 아래와 같이 선언 했습니다. 한번 error가 발생하면 지금까지 실험한 정상적인 모든 회로로들이 전부 error가 발생해서 이 표현을 원래 싫어하는데 그냥 사용 했네요.

#define FORWARD  1
#define BACKWARD 2
#define RELEASE  3

byte enablePin = 5;
byte motorPin1 = 7;
byte motorPin2 = 6;
byte motorPin3 = 9;
byte motorPin4 = 8;

FORWARD 상태를 우선 하나를 기준으로 만들어 볼까요.

digitalWrite(motorPin1,HIGH);
digitalWrite(motorPin2,LOW);
digitalWrite(motorPin3,HIGH);
digitalWrite(motorPin4,LOW);

이렇게 L293D 칩에 입력을 주어졌을 때 이 상태를 FORWARD라고 기준을 정합니다. 그러면, BACKWARD은 반대로 전류가 공급되면 되겠죠.

digitalWrite(motorPin1,LOW);
digitalWrite(motorPin2,HIGH);
digitalWrite(motorPin3,LOW);
digitalWrite(motorPin4,HIGH);

어렵지 않죠. 그러면 RELEASE은 어떻게 전류 공급 상태를 만들어야 할까요. 정지는 두가지로 나뉘는데 어떤 것을 선택해도 상관 없습니다.

digitalWrite(motorPin1,HIGH);
digitalWrite(motorPin2,HIGH);
digitalWrite(motorPin3,HIGH);
digitalWrite(motorPin4,HIGH);

or

digitalWrite(motorPin1,LOW);
digitalWrite(motorPin2,LOW);
digitalWrite(motorPin3,LOW);
digitalWrite(motorPin4,LOW);

전부 HIGH or LOW가 되면 전류가 흐르지 않기 때문에 정지 상태가 됩니다.

이대로 코딩하기 보단 가독성을 위해 사용자 정의함수로 표현

void motorMove(int key){
  switch(key){
    case 1:
            digitalWrite(motorPin1,HIGH);
            digitalWrite(motorPin2,LOW);
            digitalWrite(motorPin3,HIGH);
            digitalWrite(motorPin4,LOW);
            break;
    case 2:
            digitalWrite(motorPin1,LOW);
            digitalWrite(motorPin2,HIGH);
            digitalWrite(motorPin3,LOW);
            digitalWrite(motorPin4,HIGH);
            break;
    case 3:
            digitalWrite(motorPin1,HIGH);
            digitalWrite(motorPin2,HIGH);
            digitalWrite(motorPin3,HIGH);
            digitalWrite(motorPin4,HIGH);
            break;
  }  
} 

3가지 상태를 선택제어문 switch() 함수를 통해서 3가지 상태중 하나를 선택하게 사용자정의 함수로 만들어 놓습니다.

이제 명령은 아래와 같이 가독성이 있는 코딩을 할 수 있습니다.

motorMove(FORWARD);
delay(1000); 
  
motorMove(BACKWARD);
delay(1000); 
  
motorMove(RELEASE);
delay(1000);  

코드만 봐도 FORWARD 상태로 1초동안 회전하고, BACKWARD 상태로 1초동안 회전하고 RELEASE상태로 1초동안 회전한다고 쉽게 위 코딩을 해석할 수 있고 쉽게 motorMove()함수로 Motor 동작을 제어할 수 있게 되었습니다.

DC Motor 속도 제어

지난 시간의 코딩과 동일합니다. 가변저항으로 속도를 결정하게 하였습니다.

  int speed = map(analogRead(A0), 0, 1023, 0, 255); //가변저항기의 입력값
  analogWrite(enablePin, speed);

속도핀 enablePin으로 가변저항으로 읽은 speed 값으로 DC Motor의 속도를 결정하게 됩니다.

종합해보면,

#define FORWARD  1
#define BACKWARD 2
#define RELEASE  3

byte enablePin = 5;
byte motorPin1 = 7;
byte motorPin2 = 6;
byte motorPin3 = 9;
byte motorPin4 = 8;

void setup() {
  pinMode(enablePin,OUTPUT); 
  pinMode(motorPin1,OUTPUT);
  pinMode(motorPin2,OUTPUT);
  pinMode(motorPin3,OUTPUT);
  pinMode(motorPin4,OUTPUT);  
  motorMove(RELEASE);
}
 
void loop() {
    
  int speed = map(analogRead(A0), 0, 1023, 0, 255); //가변저항기의 입력값
  analogWrite(enablePin, speed);

  motorMove(FORWARD);
  delay(1000); 
  
  motorMove(BACKWARD);
  delay(1000); 
  
  motorMove(RELEASE);
  delay(1000);  
} 

void motorMove(int key){
  switch(key){
    case 1:
            digitalWrite(motorPin1,HIGH);
            digitalWrite(motorPin2,LOW);
            digitalWrite(motorPin3,HIGH);
            digitalWrite(motorPin4,LOW);
            break;
    case 2:
            digitalWrite(motorPin1,LOW);
            digitalWrite(motorPin2,HIGH);
            digitalWrite(motorPin3,LOW);
            digitalWrite(motorPin4,HIGH);
            break;
    case 3:
            digitalWrite(motorPin1,HIGH);
            digitalWrite(motorPin2,HIGH);
            digitalWrite(motorPin3,HIGH);
            digitalWrite(motorPin4,HIGH);
            break;
  }  
}

4. 결과

위 회로도대로 연결해서 시뮬레이터를 하면 FORWARD가 +RPM이고 BACKWARD은 -RPM으로 돌아갑니다. 그리고, FORWARD, BACKWARD, RELEASE 상태를 각각 1초씩 실행하기 때문에 속도가 즉각적으로 반응하지 않습니다. 즉각적으로 반응하게 하려면 delay함수 없이 delay 효과를 부여하여 코딩해야 합니다. 하지만 오늘 실험은 회전 방향과 속도만 실험하기 때문에 생략 했습니다.

마무리

오늘 배운 L293D 칩을 통해서 DC Motor 2개를 제어를 해보았습니다. L293D 칩의 경우는 16개핀으로 좀 복잡해 보일 수 있지만 사실 Input 핀 4개와 Enable 핀 2개에 대해서만 알고 있으면 쉽게 제어가 가능하기 때문에 어렵게 생각 안하셔도 됩니다. 시중에서 판매하는 L293D 모터쉴드는 L293D 칩이 2개가 결합 된 형태로 DC Motor 4개를 제어할 수 있습니다.

나중에 L293D 모터쉴드를 통해 DC Motor를 제어할 때 사전 지식으로 L293D 칩에 대한 동작 제어를 알아 두시면 좋습니다.

[아두이노] DC MOTOR 제어 

• 온라인 가상시뮬레이터 : https://www.tinkercad.com
• 공개회로도 :
  https://www.tinkercad.com/things/bHfbSVTf3uV (DC Motor 회전 방향)
  https://www.tinkercad.com/things/hkiXckSj9eG (DC Motor 속도)

오늘은 DC Motor의 회전 방향 제어와 속도 제어를 가단히 실험 하겠습니다. 회전 방향은 전류 공급의 +, - 의 위치를 바꿈으로써 DC Motor의 회전 방향을 바뀌게 되고 npn 트랜지스터를 이용하여 전류의 세기를 조절하여 DC Motor의 속도를 조절을 할 수 있습니다. 이 두가지에 대해서 간단히 살펴 봅시다.

1. DC MOTOR

DC Motor에서 모터의 회전수를 RPM이라고 합니다. 5V의 전류에 대한 회전수가 가상시뮬레이터에서는 170RPM이 나왔네요. 이건 그냥 가상시뮬레이터에서의 RPM이니깐 그렇게 까지 크게 의미를 두지 마세요. 그냥, RPM이란 단어가 나오면 모터의 회전수라고 생각하시면 됩니다.

DC Motor의 전류 +, - 방향에 따라서 정방향과 역방향으로 바뀝니다. 아래 이미지를 잘 살펴 보세요.

첫번째, 이미지는 전류 공급이 정방향 회전입니다.

두번째, 이미지는 왼쪽은 DC Motor +, - 연결은 정방향이라고 했을 때 오른쪽 DC Motor +, - 방향을 바꾸면 역방향으로 회전을 하게 됩니다.

전류 공급에 따라서 어떤 느낌으로 회전 되시는지 아실 수 있겠죠.

2. npn 트랜지스터 DC Motor 속도 제어

1) 회로도

• 준비물 : npn 트랜지스터, 가변저항 1개, 저항 1k옴, 다이오드 1개, DC Motor, Power Supply, 아두이노우노
• 내용 : npn 트랜지스터를 이용해서 DC Motor의 회전 속도를 제어를 해보자.

아두이노에서 전류를 공급 받아도 되지만 될 수 있으면 DC Motor를 제어할 때는 외부로 부터 전류를 공급하는 게 좋습니다. DC Motor를 아두이노와 전류를 공유하게 되면 아두이노에 정상적으로 전류 공급이 이루어지지 않을 수 있으니깐 될 수 있으면 전류를 따로 쓰는게 좋습니다.

대충 회로도는 위의 모습처럼 표현 했습니다. 위 이미지로는 좀 복잡해 보일 수 있기 때문에 스케메틱 회로도로 그린 아래 이미지로 살펴 보세요.

트랜지스터는 증폭 부품입니다. 따로 해당 부분만 빼내면 아래 그림으로 살펴 볼 수 있습니다.

위 그림처럼 전류의 방향이 화살표 처럼 흐를때 아두이노의 9번핀에 입력 전류에 의해서 증폭이 일어나게 됩니다. 실험의 아두이노 9번핀에 전류(0~255)값에 의해서 0일때 전류가 흐르지 않고 255일때 전류가 최대치로 흐르게 됩니다. 쉽게, 수도꼭지 역활을 수행한다고 생각하면 될 듯 싶네요.

여기서,

Collector, Base, Emitter 로 나눌 수 있습니다. Base 아두이노의 9번 핀이였었죠. Collector는 Vcc, Emitter는 End로 연결했을 때 Collector에 들어오는 전류는 Base에 입력에 전류에 의해서 증폭이 일어나는 원리인데요.

실험에서는 그냥 전류의 양을 조절한다고만 간단히 초보분들은 넘어가셔도 됩니다. 전자회로를 전문적으로 공부하실 분이라면 따로 npn, pnp 트랜지스터의 동작원리를 구글검색으로 통해서 다 찾아보고 깊게 이론 공부를 하셔야 겠지만 초보분들은 우선 DC Motor의 움직이는 것만 이해해 주셔도 충분합니다.

위 DC Motor에 보면 다이오드가 Motor에 연결되어 있는 그 이유는 역전류를 막기 위해서 입니다. 전류의 방향을 한방향으로만 진행되도록 하기 위한 안전장치라고 보시면 됩니다.

2) 코딩

int motorPin = 9;

void setup() 
{ 
  Serial.begin(9600);
  pinMode(motorPin, OUTPUT);  
}

void loop() 
{ 
  int speed = map(analogRead(A0), 0, 1023, 0, 255); 
  analogWrite(motorPin, speed);
  Serial.println(speed);
}

코딩은 간단합니다. 위 코딩을 보시면 우선 Dc Motor를 제어할 핀은 PWM 디지털핀으로 아날로그 0~255값을 출력하는 핀으로 제어하게 됩니다.

map(analogRead(A0), 0, 1023, 0, 255);

가변저항기를 이용하기 때문에 아날로그 0~1023값을 읽습니다. 읽은 값을 map()함수로 0~255값으로 변환 시킵니다. 이 값을 다시 npn 트랜지스터의 base 입력값으로 해서 전류의 세기를 조절하게 됩니다.

analogWrite(motorPin, speed);

어려운 코딩은 없죠. 기존에 다 쓰던 pinMode(), analogRead(), map(), analogWrite() 함수들은 지금까지 계속 반복되어 사용하는 함수임으로 이제는 해당 함수의 설명은 생략하겠습니다.

Serial.println(speed);

Motor의 속도를 speed의 값이 가변저항기로 입력받는데 그 값은 아래와 같습니다.

이 값으로 전류의 세기를 조절하게 됩니다. 그래서 실제 Motor의 회전 속도가 speed의 값에 따라서 달라지게 됩니다

3) 결과

가상시뮬레이터에서 가변저항을 조절하면 Motor의 RPM 수의 변합니다.

마무리

DC Motor 회전 방향과 속도에 대해서 살펴보았습니다. 오늘 살펴본 내용에서 +, - 방향을 어떻게 DC Motor에 연결되느냐에 따라서 회전의 방향을 바뀌는 것을 알게 되었고, 전류를 조절함으로 DC Motor의 속도를 조절 할 수 있게 되었습니다. 이 의미는 무척 중요합니다. RC카와 같은 것을 조정할 때 정면으로 달리고 싶으면 전류 방향은 정방향으로 맞춰서 정면으로 달리게 하였다면 후진을 할려고 한다면 전류 방향을 반대로 하여 역방향 회전을 시키게 하면 됩니다. 그리고 진행 방향에 속도를 조절을 할 수 있습니다. 초보분들은 위의 회로도의 npn 회로도를 그렇게 까지 깊게 이해하실 필요는 없습니다. 단지 DC Motor의 속도를 간단히 가상시뮬레이터에서 테스트 하기 위함이였으니깐요. 나중에 모터쉴드를 이용하면 쉽게 회전 방향과 속도를 제어할 수 있기 때문에 DC Motor의 회전과 속도에 대한 의미만 이해하시면 됩니다.

[아두이노] MPU-6050 + Stepper Motor 제어

• 온라인 가상시뮬레이터 : https://www.tinkercad.com
• 참고 post :
  [아두이노] MPU-6050 가속도/자이로 센서 제어
  [아두이노] MPU-6050 센서 + processing 연결 제어
  [아두이노] Stepper Motor 라이브러리로 제어

MPU-6050 가속도/자이로 센서를 그냥 끝내기가 아쉬워서 간단히 실제 뭔가를 움직이게 하는 실험을 하면 좋을 것 같아서 오늘 Post 주제로 결정했습니다. 복잡한 제어는 아니고 간단히 원리만 이해하는 차원으로 하나의 패턴 동작만 수행하도록 제어하는 코딩을 실험 할 예정입니다. 설정은 MPU-6050 모듈의 기울기 각도 중 하나 X축의 각도값에 따라 Stepper Motor를 회전 시키는 조건입니다. 이 회전은 각도의 변화 크기에 따라 회전시키는 각의 결정하는 명령입니다. 즉, X축의 기울기 각도가 커지면 커질수로 회전의 각도 변화는 크게 회전시키고 X축의 기울기 각도가 작아지면 작아질수로 회전의 각도 변화는 작게 회전 시킵니다. 여기서, X축의 기울기가 반대로 기울려졌을 때는 역방향으로 회전 시키게 됩니다.

복잡한 설정을 하면 코딩량이 늘어나고 오히려 가독성이 떨어지고 의미 전달이 되지 않기 때문에 간단히 MPU-6050 모듈의 기울기에 따라서 Stepper Motor의 회전각을 제어하는 실험입니다. 이 원리를 꼭 기억해 두셨다가 나중에 이 원리를 회전의 속도로 변형해서 실험 해보세요. 그리고 드론에서의 x,y,z 회전각을 통해서 4개의 Motor의 회전 속도 제어를 통한 수평 조절에 대한 구상을 머리속에서 상상 코딩을 해보세요.

그러면, MPU-6050 모듈로 Stepper Motor를 제어하는 실험을 해보겠습니다.

1. MPU-6050 + Stepper Motor 회로도

• 준비물 : MPU-6050 모듈, 5V 스템모터, ULN2003 모터드라이버, 뻥판, 아두이노우노
• 내용 : MPU-6050 모듈은 I2C 통신을 위해 A4(SDA), A5(SCL)핀에 연결하고 ULN2003 모터드라이버에 8,9,10,11핀을 순서대로 IN1, IN2, IN3, IN4에 연결하고 스템모터와 UNL2003 모터쉴드에 연결한다.
• 출처 :
  https://github.com/RafaGS/Fritzing/blob/master/GY-521%20(MPU-6050).fzpz
  X113647Stepper :https://github.com/tardate/X113647Stepper/tree/master/fritzing_parts
  스템모터(28BYJ-48_StepperMotor.fzpz), ULN2003 모터 드라이버(X113647_StepperDriverBoard.fzpz)

2. 코딩

• 라이브러리 출처 :https://github.com/tockn/MPU6050_tockn/tree/master/src (tockn님의 라이브러리)

1) 기본 소스

[기본베이스 소스] - GetAngle (tockn님 소스 기반)

#include <MPU6050_tockn.h>
#include <Wire.h>

MPU6050 mpu6050(Wire);
void setup() {
  Serial.begin(9600);
  Wire.begin();
  mpu6050.begin();
  //mpu6050.calcGyroOffsets(true);
   mpu6050.setGyroOffsets(0.75, 0.05, 0.05);
}
void loop() {
  mpu6050.update();
  int val=mpu6050.getAngleX();
  Serial.println(angle); 
}

mpu6050.setGyroOffsets(0.75, 0.05, 0.05);

여기서, 위 인자값은 mpu6050.calcGyroOffsets(true) 함수로 사전에 계산된 값입니다.

지난시간 복습차원으로 다시 설명 드리면, 처음에는 setGyroOffsets()함수는 주석 처리하고 calcGyroOffsets()함수의 주석을 풀고 해당 찍히는 값을 출력해 주세요. 거기서 측정 된 값은 GyroOffsets값을 메모장에 다 적어놓고 setGyroOffsets() 함수의 인자값으로 넣으면 사전에 calcGyroOffsets()함수에서의 계산 시간을 줄일 수 있습니다.

아래 그림은 MPU6050_tockn 라이브러리의 GetAngle를 돌렸던 결과 이미지 입니다. 지난시간의 이미지인데 약간 위 코딩의 인자값하고 다른데, 처음 측정된 위치가 다르기 때문에 해당 값은 다를 수 밖에 없습니다.

지금 다시 측정을 하면 위치가 좀 달라지면 또 다른 값으로 바뀌겠지요. 원래는 계산하면 좋지만 빠르게 실험을 하기 위해서 한번 계산하고 그 값을 기준으로 세팅해놓고 실험하시면 빠르게 테스트 할 수 있습니다. 나중에 정교한 제어를 한다면 계산이 필요하겠지만 간단히, 원리 테스트에서는 처음 한번만 calcGyroOffsets()함수로 x,y,z GyroOffset 값을 구해 놓고 setGyroOffsets()함수에 인자로 넣고 두번째 부터는 빠르게 테스트 하는게 더 좋겠죠.

2) MPU-6050의 X축 회전각에 따른 Stepper Motor 회전

변화각 구해서 그 변화각 만큼 회전을 시켜 보자.

  int val=mpu6050.getAngleX();
  angle = angle + val-previousAngle;
  previousAngle=val;  
  stepper.step(angle);

val에서 우선 MPU-6050 모듈에서 X축의 회전각을 구하게 됩니다. 현재의 회전각은 val에 저장됩니다. 여기서, previousAngle 변수는 이전 getAngleX() 각을 저장되어 있습니다. 매 loop()함수가 돌 때마다 getAngleX() 각을 previousAngle 변수에 저장합니다.

그러면,

현재 X회전각 - 이전X회전각 = X회전각의 변화값

이렇게 얼마만큼의 변화가 발생했는지 그 차이 값을 구할 수 있게 됩니다.

이때,

angle = angle + val-previousAngle;

이렇게 하면 angle은 X회전각의 변화값을 누적하는 변수입니다. + 방향으로 변화각이 계속 커질 때 angle의 값은 그 변화각만큼 계속 증가하게 되고 만약에 - 방향으로 변화각이 계속 변할때 그 변화각만큼 angle의 값은 그 변화각 만큼 계속 감소하게 됩니다.

stepper.step(angle);

그리고, angle을 Stepper Motor의 회전각으로 설정하면 그 방향 각도만큼 정방향 회전이나 역방향 회전을 하게 됩니다.

참고로, 위 stepper.step(angle)에서 angle은 스템수입니다. 즉 180값이라고 하면 180도 회전하는게 아닙니다. 180 스템수만큼 정방향으로 회전 시키는 것일 뿐입니다. 180도 만큼의 회전을 주고 싶다면 1024스템수로 회전 시켜야 합니다.

stepper.step(map(angle,0,360,0,2048));

이렇게 되어야 정상적인 각도 회전이 되겠죠.

3) Stepper Motor

#include <Stepper.h>

const int STEPS = 2048;
Stepper stepper(STEPS, 8,10,9,11);

void setup() {
 stepper.setSpeed(12); 
}
void loop() {
 stepper.step(angle);
}

헤더파일, Stepper 객체변수 선언하고 setup()함수안에서 stepper.setSpeed() 로 스피드를 설정합니다. 그리고 나서 실제적으로 Stepper Motor를 stepper.step() 함수로 실제 회전을 시키게 됩니다. 이 코딩 부분은 위에 MPU-6050의 코딩과 합쳐야 겠죠.

4) 코딩 합치기

#include <Stepper.h>
#include <MPU6050_tockn.h>
#include <Wire.h>

MPU6050 mpu6050(Wire);

const int STEPS = 2048;
Stepper stepper(STEPS, 8,10,9,11);
int angle = 0;
int previousAngle=0;

void setup() {
  Serial.begin(9600);
  Wire.begin();
  mpu6050.begin();
  //mpu6050.calcGyroOffsets(true);
  mpu6050.setGyroOffsets(0.75, 0.05, 0.05);
  stepper.setSpeed(12); 
}
void loop() {
  mpu6050.update();
 
  int val=mpu6050.getAngleX();
  angle = angle + val-previousAngle;
  previousAngle=val;  
     
  stepper.step(angle);
  Serial.println(angle); 
  delay(50);
}

삽입해야 할 위치에 코딩을 배치하면 됩니다. 완성된 소스는 좀 복잡해 보일 수 있지만 각 부품에 대해 의미만 제대로 이해하고 있다면 해당 위치에 삽입하는데 어려움이 없을 거라 생각 됩니다.

3. 실험 결과

아래 움짤 이미지는 회전각의 변화를 시리얼모니터로 출력한 결과물입니다. MPU-6050의 X축 회전각의 변화가 실제 Stepper Motor에 회전각의 값이 어떻게 변화되는지 잘 살펴보세요.

다음은 실제 MPU-6050모듈을 움직일 때 X축 회전각에 의해 Stepper Motor 회전되는 모습입니다.

마무리

간단히 MPU-6050 모듈에서 측정된 X축 회전각의 값을 통해서 Stepper Motor를 회전 시켰습니다. 여기서, 중요한 것은 MPU-6050의 값이 다른 부품의 움직임을 만들었다는 것이고 그것을 코딩으로 표현했다는데 의미가 있습니다.

오늘 실험은 Stepper Motor를 움직이게하는 첫발을 내딛는 코딩입니다. 여기서 부터 여러분들이 코딩에 살을 붙여가면서 상상력을 동원해서 뭔가를 하나씩 추가해보셨으면 합니다.

첫발은 내딛는데까지는 안내해드렸고 두번째 발은 어려분들이 내딛을 차례입니다.
한번 상상의 나래를 펼쳐 보세요.

[아두이노] MPU-6050 센서 + processing 연결 제어

• 온라인 가상시뮬레이터 : https://www.tinkercad.com
• 참고 출처 :
  오일러의 각 :https://ko.wikipedia.org/wiki/%EC%98%A4%EC%9D%BC%EB%9F%AC_%EA%B0%81
  상보필터 : http://mechasolutionwiki.com/index.php?title=%EC%83%81%EB%B3%B4%ED%95%84%ED%84%B0
  필만필터 :https://ko.wikipedia.org/wiki/%EC%B9%BC%EB%A7%8C_%ED%95%84%ED%84%B0
  MPU-6050 데이터시트 : https://www.invensense.com/wp-content/uploads/2015/02/MPU-6000-Datasheet1.pdf
• 포스트 과정 :
  [아두이노] MPU-6050 가속도/자이로 센서 제어 
  [아두이노] MPU-6050 센서 + processing 연결 제어 

어제 MPU-6050 가속도/자이로센서에 대해 간단히 테스트를 해 보았습니다. 어제는 MPU-6050 라이브러리 없이 I2C 통신으로 센서의 값을 가져왔는데 오늘은 MPU-6050 라이브러리를 가지고 쉽게 제어하는 방법을 살펴보도록 하겠습니다. 직접 식을 만들고 그 식을 통해서 제어하면 좋겠죠. 하지만 입문자나 초보분들은 수학적으로 알아야 할 것이 너무 많습니다. 입문자의 경우는 수학적으로 접근한다면 실제 MPU-6050를 다루기 전에 지쳐버리겠죠. 처음에는 흥미를 가지고 출발해야 좀 더 관심을 가지고 공부하게 됩니다. 수학적인 부분을 모르더라도 누군가 만들어 놓은 라이브러리를 활용하여 MPU-6050 모듈을 사용할 수 있으니 부담없이 처음에 접근하기 바랍니다. 가격이 저렴한 모듈이기에 정교한 제어용으로는 다소 무리가 있습니다. 단지 입문자용으로 부담없이 사용할 수 있는 모듈이라고 생각하시면 되겠습니다.

오늘은 실험에 사용할 라이브러는 인터넷에서 찾아보면 두개의 라이브러리가 있는데 아두이노 IDE 라이브러리관리 창에서 검색한 라이브러리를 설치하여 사용하겠습니다. 그리고, 이 라이브러리 예제를 통해 얻은 값을 테스트 한 후에 이 예제를 통해서 processing으로 만든 box 도형을 MPU-6050 모듈로 움직임을 제어하는 실험을 하겠습니다.

1. MPU-6050 가속도/자이로 센서

1) MPU-6050 가속도/자이로 센서 회로도

• 준비물 : MPU-6050 모듈, 아두이노우노
• 내용 : I2C 통신을 위해 A4(SDA), A5(SCL)핀에 연결하시오

지난 시간에 회로도와 동일합니다.

2) 라이브러리 설치

아두이노 IDE 라이브러리관리창에서 "MPU-6050"을 검색하면 아래 그림처럼 tockn님이 만든 라이브러리가 하나만 검색됩니다. 참고로 아래에 MPU6050으로 한개 더 있는데 이건 이미 설치된 라이브러인데 외부 구글검색으로 찾아서 다운받은 후 라이브러리를 추가했기 때문에 2개의 라이브러리가 표시 된 모습입니다.

직접 검색해서 다른 라이브러리를 다운 받으실려면 "mpu-6050 github"라고 구글검색하시면 해당 링크가 나옵니다.

https://github.com/jrowberg/i2cdevlib/tree/master/Arduino/MPU6050

3) 코딩

• 라이브러리 출처 :https://github.com/tockn/MPU6050_tockn/tree/master/src (tockn님의 라이브러리)

예제에 가시면 두개의 GetAllData, GetAngle 예제가 있습니다. 둘 다 한번씩 돌려보시기 바랍니다.

여기서, GetAllData 예제은 1초 단위로 전체 데이터를 출력하는 예제이고, GetAngle 예제는 회전각 X, Y, Z 값만 출력하는 예제입니다.

실험은 GetAngle 예제를 사용 하겠습니다. 이걸로 아래 Processing으로 표현한 box 회전에 사용하기 위해서 입니다.

[GetAngle 소스]-tockn님 소스

#include <MPU6050_tockn.h>
#include <Wire.h>

MPU6050 mpu6050(Wire);

void setup() {
  Serial.begin(9600);
  Wire.begin();
  mpu6050.begin();
  mpu6050.calcGyroOffsets(true);
}

void loop() {
  mpu6050.update();
  Serial.print("angleX : ");
  Serial.print(mpu6050.getAngleX());
  Serial.print("\tangleY : ");
  Serial.print(mpu6050.getAngleY());
  Serial.print("\tangleZ : ");
  Serial.println(mpu6050.getAngleZ());
}

소스를 살펴보면,

  Wire.begin();
  mpu6050.begin();
  mpu6050.calcGyroOffsets(true);

세가지 Wire, mpu6050 시작선언과 초기 작업으로 자이로 오프셋값을 계산합니다. 교정작업으로 자이로 오프셋 평균값을 계산하는데 한번 해당 함수들의 로직을 살펴봐 주세요. 이게 나중에 실험할 때 시간을 많이 잡아먹는 부분이더군요. 평균값을 구하기 위해서 자이로 x,y,z 값을 5000번 읽어고 그 값을 5000으로 나눠서 평균값을 계산하니깐 계산시간이 좀 걸려서 실험 시 대기시간이 길어지더군요.

참고로 값을 알고 있다면

mpu6050.setGyroOffsets(1.45, 1.23, -1.32);

이런식으로 값을 지정 할 수 있습니다.

• 소스 위치 출처 :https://github.com/tockn/MPU6050_tockn/blob/master/src/MPU6050_tockn.cpp

위, 3줄의 명령은 시작 초기화 함수입니다.

loop()에서는 mpu6050.update() 함수로 이전 라이브러리 없이 읽기 요청과 읽는 함수들의 로직이 이 함수안에 다 집어 넣었더군요. 그리고 그 안에서 상보필터로 회전각을 구하는 부분까지 다 포함되어 있는데 관심있는 분들은 링크 걸어놓은 곳에 "MPU6050_tockn.cpp" 가셔서 로직을 살펴보시면 됩니다.

• 상보 필터 : filtered_angle = (0.02 * accel) + (0.98 * gyro) (tockn님 계산식)

아무튼 총 4개의 함수를 사용하면 입문자분들은 따로 계산식을 걱정할 필요 없이 회전각 mpu6050.getAngleX(), mpu6050.getAngleY(), mpu6050.getAngleZ() 함수를 통해서 값을 얻을 수 있게 됩니다.

라이브러리를 이용하니깐 그렇게 까지 복잡하지 않죠.

[결과]
다음과 같은 결과가 출력됩니다.

2. MPU-6050 + processing 실험

1) MPU-6050 회전각을 시리얼통신을 통해 String으로 전송하기

[아두이노 실험 소스]

#include <MPU6050_tockn.h>
#include <Wire.h>

MPU6050 mpu6050(Wire);

void setup() {
  Serial.begin(19200);
  Wire.begin();
  mpu6050.begin();
  //mpu6050.calcGyroOffsets(true);
    mpu6050.setGyroOffsets(0.75, 0.05, 0.05);
}

void loop() {
  mpu6050.update();  
  Serial.print(mpu6050.getAngleX());
  Serial.print(',');
  Serial.print(mpu6050.getAngleY());
  Serial.print(',');
  Serial.println(mpu6050.getAngleZ());
  delay(50);
}

위 소스를 보시면 getAngle X,Y,Z 사이에 콤마(,)을 붙여서 한줄로 3개의 데이터가 시리얼 통신으로 전송됩니다. delay(50)을 정도를 설정했는데 안써도 상관 없습니다.

2) getAngle 수정(선택 사항)

이상태로 실험하셔도 되지만 좀 더 빠르게 실험하기 위해서 초기값을 주도록 하겠습니다. calcGyroOffsets(true)함수로 초기값을 계산하는게 아니라 직접 처음에 초기값을 주어서 빠르게 동작하도록 변경하겠습니다.

처음 한번은 getAnglem 예제를 실행하여 아래와 같은 X,Y,Z값을 얻게 되면 그 값을 메모장에 적어놓으세요

처음 getAngle 예제를 돌리면 (X,Y,Z) 가 (0.67, 0.10, 0.10)으로 계산 되었네요. 5천번의 MPU-6050 모듈에 측정된 값을 계산하기 때문에 시간이 걸립니다. 시작 위치의 초기값을 먼저 잡아놓으면 다음 계산이 필요 없기 때문에 빠르게 회전각을 얻을 수 있게 됩니다.

변경은 다음과 같은 calcGyroOffsets()을 주석처리하고 setGyroOffsets()함수로 선언해주면 됩니다. 아래의 X,Y,Z 값은 processing과 연결하여 실험 할 당시의 X, Y, Z의 값입니다. 즉, 여러분들이 실험하는 장소와 위치에서 처음 측정된 값으로 초기값으로 할 경우 이 수치는 달라 집니다. 귀찮은 분들은 시간이 걸리더라고 calcGyroOffsets()함수로 통일해도 되겠죠.

mpu6050.setGyroOffsets(0.75, 0.05, 0.05);

어려분들은 둘중 하나를 선택해서 실험 하시면 됩니다.

mpu6050.calcGyroOffsets(true); : 대기 시간이 길어지더라도 계산하겠면 선택
mpu6050.setGyroOffsets(0.75, 0.05, 0.05); : 처음 한번만 계산해 놓고 그 값을 초기값으로 고정하겠다면 선택

2) processing 코딩

참고 : [아두이노] 조이스틱+processing 3D 도형 회전(1)

[참고 소스]

import processing.serial.*;

Serial myPort;
int x=0;
int y=0;

void setup() {

    println(Serial.list());
    myPort = new Serial(this, Serial.list()[0], 9600);
    myPort.bufferUntil('\n');
    noStroke();
    size(600,600,P3D);    
} 

void draw() {  
    background(0); //배경색
    lights();  //조명

    pushMatrix();  //Start
    fill(0,255,0); //채우기
    translate(width/2,height/2,-100); //이동
    rotateX(radians(y)); //x축 회전
    rotateY(radians(x)); //y축 회전
    
    box(200,100,200); //상자
    popMatrix(); //End
}
 
void serialEvent(Serial p) { 
  String inString = myPort.readStringUntil('\n');
     
  ... 생략 ...
}

조이스틱으로 실험했던 일부 소스입니다. box를 x,y 회전을 시킨 소스의 일부분인데 오늘 사용할 부분만 제외하고 나머지 소스를 지웠습니다.

processing 문자열 읽기

• 참고 : [아두이노] Serial 통신 때 String 사용

void serialEvent(Serial p) { 
  String inString = myPort.readStringUntil('\n');
     
  ... 생략 ...
}

이렇게 코딩해서 시리얼통신에서 문자열일 들어오면 자동으로 이벤트 호출이 일어납니다. 그리고 해당 시리얼포트로 문자열을 읽게 됩니다. 여기까지는 아두이노에서 코딩하는 방식과 같습니다. 하지만 processing에서는 링크 걸어놓은 String 방식으로 코딩을 하지 않고 간단하게 processing 함수를 이용하여 수정하겠습니다. split()함수가 제공됨으로 쉽게 전체문자열에서 x,y,z 회전각을 분리해 낼 수 있습니다.

String[] inStrings = split(inString, ',');

inString으로 읽은 한줄의 문자열에서 콤마(,)가 기준으로 쪼개집니다. 그리고, 그 값은 문자열 배열 변수 inStrings에 저장되게 됩니다. 3개의 데이터를 전송하니깐

inStrings[0] => X축 회전
inStrings[1] => Y축 회전
inStrings[2] => Z축 회전

이 값들이 저장되어 있게 됩니다. 하지만 이 값은 문자열이기 때문에 숫자형으로 변환해야 하는데 실수형 float()로 변환을 하면 다음과 같습니다.

x=float(inStrings[0]);
y=float(inStrings[1]);
z=float(inStrings[2]);

아두이노에서 시리얼통신으로 보내 온 x,y,z값을 각각 실수형 x,y,z변수에 최종적으로 저장하게 됩니다.

void serialEvent(Serial p) { 
  String inString = myPort.readStringUntil('\n');    
  String[] inStrings = split(inString, ',');
  x=float(inStrings[0]);
  y=float(inStrings[1]);
  z=float(inStrings[2]);  
}

수신 String 중 회전각만 적용하기

문자열 읽기를 그냥 위와 같이 하면 에러가 발생합니다. 그 이유는 MPU6050_tockn 라이브러리는 초기 세팅함수 안에는 다음과 같이 여러 문자열이 출력됩니다.

회전 각이 나오기 전까지 여러문장의 문자열이 출력되는데 단순위 위와같이 코딩하면 문제가 발생하겠죠. MPU6050_tockn라이브러리에 가서 cpp 파일에 해당 함수의 들어있는 print문을 전부 주석처리하면 해결할 수 있지만 라이브러리 파일을 건들면 좀 그렇겠죠.

그래서 회전각 문자열인지 체크하는 제어문을 넣어서 해결하도록 하겠습니다.

String inString = myPort.readStringUntil('\n');   
int separator_ch = inString.indexOf(",");

if(separator_ch!=-1){
  회전각 구하기;
}else{
 print(inString);
}

이렇게 indexOf(',')로 회전각 분리기호의 위치값을 찾습니다. 회전각 문자열에는 분리기호가 있기 때문에 해당 0이상의 숫자값을 갖게 됩니다. 하지만 해당 문자열에 분리기호가 없다면 '-1'이 반환 됩니다. 이 원리를 이용해서 위와 같이 if문으로 분리기호가 있으면 방금 위에서 코딩한 문자열에서 회전각을 분리해내는 로직을 붙이면 됩니다. 분리기호가 없다면 그냥 시리얼모니터 창으로 해당 문자열을 출력하게 하면 간단히 이 문제를 해결하게 됩니다.

box 회전시키기

box 회전을 하려면 이 부분을 수정해야 합니다. rotateX(), rotateY(), rotateZ() box 회전을 시키고 해당 인자값을 아까 String으로 읽은 값을

rotateX(radians(y)); //x축 회전
rotateY(radians(x)); //y축 회전
rotateZ(radians(z)); //y축 회전
    
box(200,100,200); //상자

x,y,z 축으로 회전시켜서 box()을 배치하는 코딩입니다. box()함수 앞에다가 회전함수를 넣으면 최종적으로 회전시킨 곳에 box가 그려지기 때문에 box가 x,y,z 값에 의해서 이동하는 것처럼 보이게 됩니다.

그리기 함수부분은 아래과 같이 되겠죠.

void draw() {  
    background(0); //배경색
    lights();  //조명

    pushMatrix();  //Start
    fill(0,255,0); //채우기
    translate(width/2,height/2,-100); //이동
    rotateX(radians(y)); //x축 회전
    rotateY(radians(x)); //y축 회전
    rotateZ(radians(z)); //y축 회전
    
    box(200,100,200); //상자
    popMatrix(); //End
}

[processing 실험 소스]

import processing.serial.*;

Serial myPort;

float x=0;
float y=0;
float z=0;

void setup() {
    println(Serial.list());
    myPort = new Serial(this, Serial.list()[0], 19200);
    myPort.bufferUntil('\n');
    noStroke();
    size(600,600,P3D);    
} 

void draw() {  
    background(0); //배경색
    lights();  //조명

    pushMatrix();  //Start
    fill(0,255,0); //채우기
    translate(width/2,height/2,-100); //이동
    rotateX(radians(y)); //x축 회전
    rotateY(radians(x)); //y축 회전
    rotateZ(radians(z)); //y축 회전
    
    box(200,100,200); //상자
    popMatrix(); //End
}
 
void serialEvent(Serial p) { 
  String inString = myPort.readStringUntil('\n');   
  int separator_ch = inString.indexOf(",");
  if(separator_ch!=-1){
    String[] inStrings = split(inString, ',');
    x=float(inStrings[0]);
    y=float(inStrings[1]);
    z=float(inStrings[2]);
  
    print(x);
    print('/');
    print(y);
    print('/');
    println(z);
  }else{
    print(inString);
  }
}

추가로, print문으로 정확히 분리되어 x,y,z값이 나오는지 확인하기 위해서 processing 시리얼 모니터로 출력시키는 코딩을 넣었습니다.

5. 실험 결과

MPU-6050 모듈을 움직일 때 PC로 녹화한 영상입니다.

MPU-6050 모듈을 움직일 때 processing의 box가 어떻게 움직이는지 폰을 촬영한 영상합니다.

마무리

MPU-6050 라이브러리를 이용하면 해당 회전각을 가지고 여러분들이 원하는 표현을 쉽게 할 수 있습니다.

참고로, 주의할 점은 될 수 있으면 MPU-6050 모듈에 핀을 납땜해주시고 실험 해주세요. 그리고 핀을 연결한 선도 단단히 고정시켜주세요. 조금만 흔들려도 MPU-6050이 먹통이 됩니다. 그리고, 회전 각에 크게 변화할 때에도 한번 먹통이 발생하면 더이상 측정하기는 불가능합니다. 그리고 일정시간이 지나면 값의 변화가 생기기 때문에 정교한 제어용으로 쓰기에는 다소 부족합니다. 초보 입문용으로 싼 가격에 자이로센서를 사용하는데 가성비를 최고이지만 혹시 드론 같은 전문적으로 사용할시에는 비싼 자이로센서를 쓰기기 바랍니다.

그리고, 어느정도 재미를 붙이시면 제대로 회전각을 구하는 공식을 공부해주시기 바랍니다. 사실 기존 라이브러리로만 사용해서는 어떤 실험을 할지 모르지만 정교한 제어는 어렵습니다. 그냥 무조건 값을 읽고 계산해서는 정교한 제어가 되지 않습니다. 초기 보정작업과 기타 값의 변화율에 대한 처리부분을 고려해서 코딩해야 합니다. 수학적으로 접근해야 하는 부분들이 많기 때문에 전문서적이나 구글검색을 통해 관련 자료들을 많이 찾으셔서 공부하시기 바랍니다.

저는 기초적인 부분만 다루고 실험했기 때문에 좀 깊은 공부는 아직은 관심이 덜해서 해보지는 않아서 좀 더 자세한 내용을 전달해드리지 못하네요. 제 경우는 라이브러리 코딩쪽이 아니라 측정된 값을 기반으로 제어하는 코딩에 좀 더 관심이 많아서 그냥 라이브러리를 그대로 사용하고 있네요

자이로센서를 전문적으로 다루기 위해서는 배워야 할 부분이 많지만 간단히 실험하고 기초적인 기능만 활용하시더라도 라이브러리를 이용해 원하는 표현은 가능하니깐 MPU-6050 모듈을 배워 보세요.

[아두이노] RFID-RC522 + Servo Motor 제어

• 온라인 가상시뮬레이터 : https://www.tinkercad.com
• 참고 :
  [아두이노] 피에조부저 제어
  [아두이노] 서보모터 제어
  
• 포스트 과정 :
  [아두이노] RFID-RC522 제어
  [아두이노] RFID-RC522 + Servo Motor 제어
  [아두이노] RFID-RC522+Bluetooth+초음파 센서 실험

지난 시간에 RFID-RC522를 아두이노에 연결하여 제대로 인식하는지에 대해 예제를 통해 간단히 테스트를 하였습니다. MFRC522 라이브러리에서 초기 선언하는 세팅 부분만 간단히 살펴 보았기 때문에 뭔가 제어하는 실험이 부족한 것 같아서 오늘은 Servo Motor를 같이 연결하여 RFID-RC522를 제어하는 실험을 하고자 합니다. 어제 배웠던 내용에서 크게 변화 된 것은 없습니다. 단지 카드 UID 값을 읽고 그 값에 일치 하면 Servo Motor가 특정 각도로 회전이 일어나도록 하는 실험을 하고자 합니다. 일상에서의 도어락이나 전철을 탈때 출입 통로, 회사 출입 통로 등의 카드를 대면 인식하고 출입을 할 수 있도록 문을 열어주는 동작과 느낌을 실험하고자 Servo Motor의 Open 회전값과 Close 회전값을 주어 비슷한 느낌을 표현 하였습니다.

1. RFID-RC522 + Servo Motor 회로도

• 출처 : rfid-rc522 : https://github.com/miguelbalboa/rfid/tree/master/doc/fritzing

• 준비물 : RFID-RC522, Servo Motor, 피에조부저, 아두이노우노
• 내용 : SPI 통신을 할 수 있게 핀은 연결하고 Servo Pin 7번, 피에조부저 6번으로 연결해 보자.
• 지난시간 회로도 참고 : RFID-RC522 제어(아두이노)

RFID-RC522 회로도가 좀 복잡해 보일 꺼에요. 지난 시간에 RFID-RC522 회로도에서 Servo Motor와 피에조부저 핀을 추가 하시면 됩니다. 오늘 회로도를 보고 선을 연결하지 마시고 링크 걸린 지난 시간의 회로도를 보고 회로도 선을 연결한 뒤에 오늘사용하는 7번 Servo 핀과 6번 피에조 핀만 연결하면 되니깐 그렇게 어렵지 않을 꺼에요.

2. 코딩

• 내용 : RFID-RC522 리더기로 Card가 인식되면 Servo Motor 180 or 0 도 회전시킨다.
• 참고 : https://playground.arduino.cc/Learning/MFRC522
• 출처 : miguelbalboa의 라이브러리https://github.com/miguelbalboa/rfid

MFRC522

#include <SPI.h>
#include <MFRC522.h>

• MFRC522 mfrc522(SS_PIN, RST_PIN) : MFRC522 인스턴스화
• SPI.begin() :SPI bus 초기화
• mfrc522.PCD_Init() : MFRC522 card 초기화
• mfrc522.PICC_IsNewCardPresent() : 새카드 확인
• frc522.PICC_ReadCardSerial() : 하나의 카드읽기 확인
• rfid.uid.uidByte[] : 읽은 카드 키값이 들어 있음

피에조 부저

• tone(tonePin ,음,음길이) : 음 시작
• noTone(tonePin ) : 음 중지

Servo Motor

#include <Servo.h>

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

시리얼 통신

• Serial.begin(9600) : 시리얼 통신 시작(9600 통신속도)
• Serial.println(값) : 시리얼모니터 출력
• Serial.available() : 시리얼통신으로 데이터가 들어놨는지 상태 확인
• Serial.parseInt() : Int형으로 데이터를 읽음

지난 시간에 이여서 오늘도 위 함수 부분은 그대로 Post에 남겨 뒀습니다. 지난 시간의 Post를 왔다 갔다 하실 필요 없이 오늘 Post만 보시고 코딩을 생각할 수 있게 그대로 가져 왔네요.

[소스] MFRC522의 예제 중 하나( 출처 : miguelbalboa의 라이브러리)

#include <SPI.h>
#include <MFRC522.h>

#define RST_PIN         9       
#define SS_PIN          10      

MFRC522 mfrc522(SS_PIN, RST_PIN);  // Create MFRC522 instance

void setup() {
    Serial.begin(9600);     // Initialize serial communications with the PC
    while (!Serial);        // Do nothing if no serial port is opened (added for Arduinos based on ATMEGA32U4)
    SPI.begin();            // Init SPI bus
    mfrc522.PCD_Init();     // Init MFRC522
    mfrc522.PCD_DumpVersionToSerial();  // Show details of PCD - MFRC522 Card Reader details
    Serial.println(F("Scan PICC to see UID, SAK, type, and data blocks..."));
}

void loop() {
    // Look for new cards
    if ( ! mfrc522.PICC_IsNewCardPresent()) {
        return;
    }

    // Select one of the cards
    if ( ! mfrc522.PICC_ReadCardSerial()) {
        return;
    }

    // Dump debug info about the card; PICC_HaltA() is automatically called
    mfrc522.PICC_DumpToSerial(&(mfrc522.uid));
}

지난 시간에 라이브러리에 있던 예제 소스입니다. 이 소스를 기반으로 Servo Motor를 제어 하겠습니다. 우선 위 소스를 DumpInfo 예제를 한번 실행 시켜 주세요.

Card UID: 55 AF 07 88

Card UID의 값을 확인 하세요. 참고로 제가 실험하는 Card UID 값하고 여러분이 실험하는 Card UID는 다릅니다. 이 Card UID로 실험하기 때문에 한번 실행해서 자신의 Card UID를 알아내야 합니다. 확인이 되면 이 Card UID 값을 배열 변수로 저장 하세요.

byte CardUidByte[4] = {0x55, 0xAF, 0x07, 0x88};

참고로, 숫자가 알파벳이 나오면 16진수라고 여기세요. 여기서 그냥 숫자를 기입하시면 안되고 앞에 '0x'을 꼭 붙여주셔야 이 수가 16진수이구나 하고 프로그램이 인식합니다. 이렇게 해서 비교 할 Card UID값을 저장해 놓았습니다.

카드를 읽게 되면 그 값은 어디에 들어 있을까요.

mfrc522.uid.uidByte[]

이곳에 담겨져 있습니다. 4개의 UID 숫자값이 Card UID 값을 가지고 있으니 mfrc522.uid.uidByte[0] ~ mfrc522.uid.uidByte[3] 까지해서 그 값을 가지고 있습니다. 그러면, IF문으로 해서 저장된 값과 비교하면 됩니다.

  if (mfrc522.uid.uidByte[0] == CardUidByte[0] && mfrc522.uid.uidByte[1] == CardUidByte[1] &&
        mfrc522.uid.uidByte[2] == CardUidByte[2] && mfrc522.uid.uidByte[3] == CardUidByte[3] ){
                읽어온 Card UID 값과 저장된 Card UID값이 일치하면 참;
                명령문;
  }

이렇게 해서 카드를 RFID-RC522에 대면 두 Card UID 값을 서로 비교하게 됩니다. 그리고 일치하면 if문 안의 명령문을 수행하게 됩니다.

코딩은 거의 다 했습니다. 이제는 Servo Motor를 회전 시켜야 겠죠. 카드의 UID가 일치하니깐 Servo Motor가 Open 시키는 의미로 일정 각도로 회전 시키는 동작과 다시 카드를 RFID-RC522에 대면 Servo Motor가 Close 시키는 의미로 원래 각도로 회전 시켜는 동작을 표현 할 에정입니다. Card를 대면 Open or Close가 교차로 반복되는 실험입니다.

이 동작을 수행하기 위해서는 어떻게 코딩해야 할까요.

boolean state = false;

이렇게 하나의 ServoMotor의 상태값 변수를 만들어 놓습니다. 그리고 나서 아래와 같은 코딩을 하면 됩니다.

  if (mfrc522.uid.uidByte[0] == CardUidByte[0] && mfrc522.uid.uidByte[1] == CardUidByte[1] &&
        mfrc522.uid.uidByte[2] == CardUidByte[2] && mfrc522.uid.uidByte[3] == CardUidByte[3] ){
          
          state=!state;  //Servo Motor(Open or Close)
                
          if(state == true){
           Serial.println("Open");
           servo.write(180);
           delay(1000);
          }
          else{           
           Serial.println("Close");
           servo.write(0);
           delay(1000);
          }
          delay(2000);              
  }

초기 state은 false 상태이고 Cade UID 값이 일치하면 state은 반전 true가 되어 다음 if문에서 "state == ture"이면 참이니깐 "Open"으로 Servo Motor를 180도 회전 시키고 1초 대기 했다가 다시 연속으로 카드값이 인식하지 못하도록 2초동안 딜레이 시간을 추가로 더 연장 했습니다. 총 3초 동안은 Card가 인식되지 못하게 했습니다. 3초가 지난 후 Card가 다시 RFID-RC522에서 인식하면 state은 !state로 반전으로 state은 false가 되어 다음 if문 "state == ture"가 거짓으로 else 이하 문장을 수행 합니다. 그러면 "Close"로 Servo Motor은 0도로 원래 각도로 회전 되어 돌아오게 됩니다. Card가 RFID-RC522에 대면 교차로 "Open" 과 "Close"가 반복 됩니다.

이렇게 해서 Card로 Servo Motor를 회전 시킬 수 있게 되었습니다.

여기서, 추가로 Card가 읽혔는지 확인 할 방법이 없습니다. Servo Motor가 회전 되었을 때 확인이 됩니다. 즉, 카드를 Servo Motor가 회전 될 때 까지 RFID-RC522에 대고 있어야 한다는 소리가 됩니다. 좀 불편하죠.

그래서, 카드를 읽은 순간 그때 뭔가 메세지를 외부로 보여준다면 이 문제가 해결 할 수 있습니다. 그 역할을 소리로 표현하기 위해서 피에조부저를 이용하고자 합니다.

  // 새 카드 확인
  if ( ! mfrc522.PICC_IsNewCardPresent()) return; 

  // 카드 읽기
  if ( ! mfrc522.PICC_ReadCardSerial()) return;
    
  tone(tonePin ,523,1000/8);     // 도음으로 8분음표(음길이)
  delay(1000/4*1.30);             
  noTone(tonePin ); 

이렇게 카드가 읽기와 카드를 비교하기 전 사이에 사이에 피에조부저의 음이 울리게 하면 쉽게 확인이 되겠죠.

종합해 보면,

[소스]

#include <SPI.h>
#include <MFRC522.h>
#include <Servo.h>

const int RST_PIN = 9;
const int SS_PIN = 10;

MFRC522 mfrc522(SS_PIN, RST_PIN);   // MFRC522 인스턴스

byte CardUidByte[4] = {0x55, 0xAF, 0x07, 0x88}; //card UID 
boolean state = false; //Servo Motor 상태값

Servo servo;
const int SERVO_PIN = 7;
const int TONEPIN = 6;

void setup() {
  Serial.begin(9600);  
  while (!Serial);     
  SPI.begin();         //SPI 시작
  mfrc522.PCD_Init();  //MFRC522 card 초기화
  Serial.println(F("Warning: this example clears your mifare UID, use with care!"));

  servo.attach(SERVO_PIN);
  servo.write(0);
  delay(50);
}

void loop() {
  // 새 카드 확인
  if ( ! mfrc522.PICC_IsNewCardPresent()) return; 

  // 카드 읽기
  if ( ! mfrc522.PICC_ReadCardSerial()) return;

  //카드 확인 메세지 음
  tone(tonePin ,523,1000/8);     // 도음으로 8분음표(음길이)
  delay(1000/4*1.30);             
  noTone(tonePin ); 

  //읽은 Card UID와 등록된 Card UID가 일치하는 확인
  if (mfrc522.uid.uidByte[0] == CardUidByte[0] && mfrc522.uid.uidByte[1] == CardUidByte[1] &&
        mfrc522.uid.uidByte[2] == CardUidByte[2] && mfrc522.uid.uidByte[3] == CardUidByte[3] ){
   
         state=!state;    
                 
         if(state == true){
           Serial.println("Open");
           servo.write(180);
           delay(1000);
          }
          else{
           Serial.println("Close");
           servo.write(0);
           delay(1000);
         }
         delay(2000);
   }  
}

3. 결과

위 소스에서 한 부분만 수정하면 됩니다.

  //읽은 Card UID와 등록된 Card UID가 일치하는 확인
  if (mfrc522.uid.uidByte[0] == CardUidByte[0] && mfrc522.uid.uidByte[1] == CardUidByte[1] &&
        mfrc522.uid.uidByte[2] == CardUidByte[2] && mfrc522.uid.uidByte[3] == CardUidByte[3] ){
   
           Serial.println("Open");
           servo.write(180);
           delay(5000);
           Serial.println("Close");
           servo.write(0);
           delay(1000);                 
   }  

이렇게 수정하시면 끝납니다. 실험에서는 5초 동안 열렸다가 다시 닫히는 걸로 했는데요. 실제 출입문이면 이러지는 않겠죠. 적어도 수십초는 열려 있다가 닫혀야 겠죠. 아니면 초음파 센서같은 인간 감지 센서를 이용하여 지나 가면 자동으로 닫히게 하면 되겠죠. 그렇게 하자면 부품이 추가로 늘어나고 오히려 오늘 전달하고자 하는 의미가 제대로 전달되지 않기 때문에 이정도 까지만 하겠습니다.

[결과]

마무리

RFID-RC522 라이브러리는 쉽지 않지만 간단한 부분만 가져다가 응용하면 그래도 재밌는 표현들을 할 수 있습니다. 여러분들도 한번 이 RFID-RC522 모듈을 구하셔서 실험을 해보셨으면 합니다. 가격도 비싸지 않고 싼편이라서 괜찮은 실험 도구라고 생각 되네요.

아두이노우노에서 실험하면 SPI 통신을 하기 때문에 사실 다른 부품을 추가 할 자리가 많지 않습니다. 그럴 때는 두개 이상의 아두이노로 통신을 통해 제어하면 좋은데 그 실험을 하려면 2대정도 있어야 하는데 한대 뿐이라 아쉽네요.

아무튼 오늘 배운 내용을 토대로 다른 부품 특징들을 머리속에서 떠올려서 RFID-RC522와 연결하는 상상을 한번 해보셨으면 합니다.

[아두이노] Stepper Motor 원하는 각도 회전(2)

• 온라인 가상시뮬레이터 : https://www.tinkercad.com
• 참고 링크 :
  [아두이노] Bluetooth 통신 제어

지난 시간에 Stepper Motor를 원하는 각도로 회전 시켰는데 오늘은 Bluetooth로 스마트폰에서 아두이노 연결 된 Stepper Motor를 회전 시키는 실험을 하도록 하겠습니다.

1. Stepper Motor + Bluetooth 통신 준비

스마트폰과 아두이노는 Bluetooth를 통해 통신합니다.

스마트폰 Bluetooth 어플은 아무거나 사용해도 됩니다. 실험에서는 Controller mode와 Terminal mode를 사용하여 실험 했네요. Controller mode은 버턴을 지정하고 버턴을 클릭하면 해당 버턴값을 아두이노로 보내는 형식이고요, Terminal mode은 채팅하는 식으로 아두이노 IDE 시리얼모니터에서 값을 입력하는 것과 유사합니다. 직접 전송할 값을 타이핑해서 보내는 방식입니다. 버턴을 눌러서 그 값을 전송하는 방식과 직접 타이핑해서 전송하는 방식이 들어 있는 어플이면 아무거나 상관 없습니다. 직접 앱인벤터로 만드셔도 되고요.

그냥 시리얼 통신으로 값을 전달할 수 있는 Bluetooth 어플이면 아무거나 상관 없습니다. 안드로이드면 구글스토어에서 Arduino Bluetooth만 치셔도 많은 어플들이 검색되니깐 실험하고 싶은 어플을 아무거나 선택하시면 됩니다.

2. Stepper Motor + Bluetooth 회로도

• 출처 : X113647Stepper : https://github.com/tardate/X113647Stepper/tree/master/fritzing_parts
  스템모터(28BYJ-48_StepperMotor.fzpz), ULN2003 모터 드라이버(X113647_StepperDriverBoard.fzpz)

• 준비물 : 5V 스템모터, ULN2003 모터드라이버, Bluetooth(HC-06) 1개, 아두이노우노
• 내용 : 8,9,10,11핀을 순서대로 IN1, IN2, IN3, IN4에 연결하고 스템모터와 UNL2003 모터쉴드에 연결하고 Bluetooth를 2, 3번에 연결한다.

• Rx - 데이터 읽기 (BlueRX =>arduino Pin3)
• Tx - 데이터 보내기(BlueTX =>arduino Pin2)

지난 시간의 Stepper Motor 회로도에서 Bluetooth만 하나 더 연결한 회로도 입니다.

2. 코딩 - I

• 내용 : stepper, SoftwareSerial 라이브러리를 이용하여 스마트폰에서 Stepper Motor를 회전 시켜 보자.
• 참고 : https://www.arduino.cc/en/Reference/Stepper

Stepper

#include <Stepper.h>

• Stepper stepper(STEPS, IN1, IN2, IN3, IN4) : 사용하는 Stepper Motor 스템수, 각 4핀을 세팅.
• stepper.setSpeed(값) : Stepper Motor의 속도 설정.
• stepper.step(스텝수) : 스템수로 회전 각을 표현 한다.

시리얼 통신

• Serial.begin(9600) : 시리얼 통신 시작(9600 통신속도)
• Serial.println(값) : 시리얼모니터 출력
• Serial.available() : 시리얼통신으로 데이터가 들어놨는지 상태 확인
• Serial.parseInt() : Int형으로 데이터를 읽음

SoftwareSerial 통신

#include <SoftwareSerial.h>

SoftwareSerial mySerial (rx, tx) : 소프트시리얼 객체선언(rx(수신), tx(전송))
mySerial.begin(9600) : 시리얼 통신 시작(예로 9600 통식속도를 사용해 봤네요.)
mySerial.write(값) : 데이터 전송
mySerial.available() : 데이터 들어왔는 확인
mySerial.read() : 전송된 데이터 1byte 읽기

[지난 시간 소스]

#include <Stepper.h>

const int STEPS = 2048;
Stepper stepper(STEPS, 8,10,9,11);

void setup()
{
  stepper.setSpeed(12);
  Serial.begin(9600);
}

void loop()
{
   if(Serial.available()) {
    int val=Serial.parseInt(); //회전각 int형으로 읽기
    
    val=map(val,0,360,0,2048); //회전각 스템 수
    stepper.step(val);
    Serial.println(val);
    delay(10);
  }
}

위 소스를 가지고 수정을 합시다. Bluetooth 통신을 하기 위해서 SoftwareSerial 라이브러리를 이용하여 통신을 하게 됩니다 그래서, 다음과 같은 Bluetooth 통신 명령 과정이 필요합니다.

#include <SoftwareSerial.h>

const int rxPin = 2;
const int txPin = 3;
SoftwareSerial mySerial(rxPin, txPin); // RX, TX

이렇게 초기 선언을 합니다. 2번핀은 Bluetooth의 TX핀이고 3번핀은 Bluetooth의 RX핀입니다. 혼동하시면 안됩니다. 나머지 코딩은 Serial 단어를 mySerial로만 변경하시면 코딩 수정이 끝납니다. 변경되는 부분은 아래와 같습니다.

void setup()
{  
  mySerial.begin(9600);
}
void loop()
{
   if(mySerial.available()) {
    int val=mySerial.parseInt(); //회전각 int형으로 읽기
    mySerial.println(val);
    delay(10);
  }
}

합쳐진 코딩은,

#include <SoftwareSerial.h>
#include <Stepper.h>

const int rxPin = 2;
const int txPin = 3;
SoftwareSerial mySerial(rxPin, txPin); // RX, TX

const int STEPS = 2048;
Stepper stepper(STEPS, 8,10,9,11);

void setup()
{
  stepper.setSpeed(12);  
  mySerial.begin(9600);  
}

void loop()
{
 
  if(mySerial.available()) {
    int val=mySerial.parseInt();
    val=map(val,0,360,0,2048);
    stepper.step(val);
        mySerial.println(val);
    delay(10);   
  }
}

[결과]
Terminal Mode로 값을 직접 타이핑 한 값으로 회전시키면 다음과 같은 결과가 나오네요. 360도를 보내면 아두이노가 Bluetooth로 받은 후 Stepper Motor를 회전시킨후 회전 시킵니다. 그리고 나서 스템수를 다시 스마트폰으로 보내고 스마트폰는 받은 스템수를 아래 이미지 처럼 "HC-06: 2048"이라고 출력 됩니다.

간단히 실험 영상을 보시기 바랍니다.

3. 코딩 - II

코딩-I은 스마트폰으로 각도를 채팅방식으로 입력을 해서 Stepper Motor를 회전 시켰다면 이제는 방향버턴키로 회전시키는 코딩으로 수정하도록 하겠습니다. 참고로 방향키버턴으로 눌러서 회전 시키면 위 코딩-I 소스대로 하면 문제가 좀 발생합니다. 그 이유는 mySerial.parseInt() 함수 때문에 그렇습니다. 만약에 각도 데이터를 전송하고 읽을때 읽는 데이터가 밀리면 통신 버퍼에 쌓이게 되고 그러면 합쳐진 상태로 각도를 읽는 문제가 발생합니다. 가령, 10도 회전을 연달아 이어서 10, 10 이렇게 전송이 되었을 때 받는 아두이노에서 데이터가 쌓여 1010이렇게 되면 parseInt()함수는 한번에 1010각도로 읽어버리게 됩니다. 즉, 10, 10 이렇게 회전 시켜서 20도를 회전 시켜야 하는데 1010 이것을 한번에 읽어서 1010각도로 회전 시켜버리는 문제가 생기게 됩니다. 그래서 방향키를 방향 알파벳 한글자로 해서 mySerial.read()로 1byte씩 읽고 그 값에 따라 회전시키는 방법으로 쉽게 제어할 수 있도록 코딩을 변경 하겠습니다.

코딩-1 소스에서,

  if(mySerial.available()) {
    int val=mySerial.parseInt();
    val=map(val,0,360,0,2048);
    stepper.step(val);
        Serial.println(val);
    delay(10);   
  }

이 부분만 변경하면 됩니다.

int angle = 0; //외부변수 현재 각도값

if(mySerial.available()) {
      int val=0;
      char ch=mySerial.read();

      if(ch=='a')val=10;      //시계방향
      else if(ch=='d')val=-10; //반시계방향
      else val=0;
      
      angle+=val;
      val=map(val,0,360,0,2048);  
      stepper.step(val);
      //Serial.println(angle);      
      delay(10);
}

if문으로 1byte 읽은 알파벳이 ch변수에 저장되고 이 저장된 변수가 'a'면 정방향 10도 회전, 'd'면 역방향 10도 회전시키고 그외 키 값은 무시 0도 회전으로 if문에서 체크하여 val 변수에 회전시킬 각도값을 저장하게 했습니다.

여기서 외부 변수로 angle에 대한 동작 명령은 코딩하지 않았습니다. 이것은 여러분들이 나중에 활용하라는 의미로 남겨 둔 변수입니다. 이 변수는 현재 코딩에서는 없어도 되는 변수이지만 구지 표현한 이유는 나중에 어려분들이 Stepper Motor를 회전을 제어할 때 꼭 필요한 변수이기 때문입니다. 예를 들면, 우리가 Stepper Motor 회전을 시키면 700도 정방향으로 회전 시켰다가 역방향 200도 회전 시키고 또 다시 정방향, 역방향 이렇게 계속 회전을 시킬 경우 Stepper Motor라 마지막 회전된 위치를 단순히 회전만 시키면 알 수 없습니다. 이때 angle이라는 변수를 하나 선언해 놓고 처음 회전이 시작한 위치를 0도에 지정해놓고 계속 회전 값들을 angle변수에 더하게 되면 Stepper Motor의 시작 위치 0도에서 어느 방향으로 회전을 하더라도 현재 회전한 위치를 알 수 있게 됩니다.

여기서, 한가지 예로 외부 입력값 E(End)라고 생각하고 위 if문에 연장 선상으로 if문으로 아래와 같이 코딩하면

else if(ch=='e') val = -angle;

이렇게만 표현하면 e키가 입력된 순간 angle의 변수 안에는 지금 까지 회전되어 진 현재의 위치각도를 가지고 있기 때문에 그 값에 -(마이너스)를 붙이면 원상태 0도로 되돌아 가게 됩니다. 즉, 90도가 현재의 위치면 -angle로 -90도 만큼 회전 하면 0이 되겠죠. 다시 -90도가 현재의 위치면 -(-90)이니깐 +90도 만큼 회전 하면 0이 됩니다. 결론은 e키가 입력되면 이 한줄로 처음 자신의 위치로 되돌아 가는 명령을 코딩할 수 있습니다.

angle의 변수를 남겨 둔 이유는 여러분들이 나중에 회전을 제어할 때 언제든지 자신의 위치로 되돌아 갈 수 있고 현재의 회전 된 위치 값을 가질 수 있으면 그 기준으로 특별한 회전을 제어할 수 있게 되기 때문에 이런 angle 변수가 중요하기 때문에 선언만 해놓았습니다. 나머지는 여러분들이 이 변수를 가지고 어떻게 활용할지는 여러분의 몫입니다.

종합해보면,

#include <Stepper.h>
#include <SoftwareSerial.h>

const int rxPin = 2;
const int txPin = 3;
SoftwareSerial mySerial(rxPin, txPin); // RX, TX

const int STEPS = 2048;
Stepper stepper(STEPS, 8,10,9,11);

int angle = 0;

void setup()
{
  Serial.begin(9600);
  mySerial.begin(9600);
  stepper.setSpeed(12); 
}

void loop()
{
  if(mySerial.available()) {
      int val=0;
    char ch=mySerial.read();
      if(ch=='a')val=10;      
      else if(ch=='d')val=-10;
      else val=0;
      
      angle+=val;
      val=map(val,0,360,0,2048);  
      stepper.step(val);
      Serial.println(angle);      
      delay(10);
    }
}

[결과]

간단히 스마트 폰으로 방향키를 누렀을 때 Stepper Motor가 회전되는 실험 영상입니다.

마무리

이렇게 해서 스마트폰으로 간단히 회전을 시키는 법을 배웠습니다. Bluetooth를 한번 소개한 뒤에 계속 중복된 실험이 이뤄지고 있는데 이런 실험 과정을 여러분들도 실험하면서 계속 반복 학습을 해주세요. 그래야 나중에 다른 부품을 사용하더라고 이 부품을 이전에 배웠던 부품들과 쉽게 연결할 수 있습니다. 어떻게 두 부품을 결합하고 두 부품의 소스 코딩을 어떻게 합쳐지고 코딩이 되는지 그 감각을 익히셨으면 합니다. 그리고 하나의 표현으로 끝내지 말고 다른 표현을 계속 머리속에서 상상하셔야 합니다. 처음에는 이게 힘들지만 나중에는 재밌는 놀이처럼 여러가지의 상상을 하게 됩니다.

그런데 처음 배우시는 분들은 Bluetooth로 통신하는 실험만 하고 끝나고 Stepper Motor 회전 실험만 하고 넘어 갑니다. 나주엥 어떤 주제로 작품을 만들려고 할 때 그 때부터 문제가 발생합니다. 두 개 이상의 부품을 합치는 실험을 할 때 회로도 표현은 그럭저럭 되는데 코딩부분은 둘을 합치는 방법 자체를 이해를 못하는 경우가 많기 때문에 여러분들은 처음 부품을 배울 때 그 부품을 다른 부품과 계속 연결해서 실험하셔야 나중에 어떤 부품이든지 쉽게 표현을 할 수 있게 됩니다.

오늘 실험은 Stepper Motor를 하나를 조정했지만 두개 이상 연결하면 RC카 또는 로봇팔 등의 구현이 가능하고 Stepper Motor은 다양한 관절 제어에 사용하니깐 한번 SF영화나 애니메이션에서 봤던 장면들을 떠올리시고 거기서 Stepper Motor가 적용된다면 어떤 느낌으로 회로도를 구성하고 코딩 하면 좋을 지 상상의 나래를 펼쳐 보세요.

[아두이노] Stepper Motor 원하는 각도 회전(1)

• 온라인 가상시뮬레이터 : https://www.tinkercad.com
• 참고 링크 :
  [아두이노] Bluetooth 통신 제어

지난 시간에 Stepper Motor를 간단히 360도 회전 실험을 했습니다. 이제는 Stepper Motor로 자유자재로 회전을 시켜 봐야 겠지요. 그럼 원하는 각도로 회전 시키는 방법을 알아보도록 합시다.

1. Stepper Motor 회전의 원리

회전을 제어하는 Motor는 대표적으로 두 종류가 있습니다. Servo Motor와 Stepper Motor 입니다. 둘은 비슷하게 회전하지만 실제 회전 명령을 내릴 때는 약간의 차이가 있습니다. Servo Motor의 경우 0~180도 사이 각으로 회전을 하게 됩니다. 여기서 90도 회전 할 경우 servo.write(90도) 이라고 표현하면 90도 만큼 회전 됩니다. 그리고 90도 위치에서 다시 120도 위치로 갈려면 servo.write(120도) 이라고 표현하면 됩니다. 즉, 원하는 각도로 가고 싶으면 해당 각도값을 넣으면 해당된 위치로 Servo Motor가 회전하게 됩니다.

하지만 Stepper Motor의 경우 좀 다릅니다. 360도 회전 시킬 수 있는 Motor 입니다. 여기서, 90도 회전시 stepper.step(90도스텝수) 표현하면 90도 만큼 회전 됩니다. 그런데 90도 위치에서 120도 위치로 갈려면 stepper.step(120도스텝수) 이라고 하면 안됩니다. stepper.step(120도스템수)이라고 하면 현재 90도 위치이지만 그 시점에서 새롭게 120도 만큼 회전을 하여 210도를 위치로 회전 됩니다. 즉, 회전이 끝난 지점이 새로운 회전이 시작되는 지점이니깐 90도 회전 후 120도 위치로 회전 될려면 Stepper Motor는 30도 회전을 시켜야 합니다. 이점을 생각하시고 코딩을 하셔야 합니다. 즉, 매번 회전 명령을 내리는 곳이 시작점이 되는 거라고 생각하시면 됩니다.

Servo Motor와 Stepper Motor의 회전는 이점을 생각하고 코딩하면 됩니다.

2. Stepper Motor 회로도

• 출처 : X113647Stepper : https://github.com/tardate/X113647Stepper/tree/master/fritzing_parts
  스템모터(28BYJ-48_StepperMotor.fzpz), ULN2003 모터 드라이버(X113647_StepperDriverBoard.fzpz)

• 준비물 : 5V 스템모터, ULN2003 모터드라이버, 아두이노우노
• 내용 : 8,9,10,11핀을 순서대로 IN1, IN2, IN3, IN4에 연결하고 스템모터와 UNL2003 모터쉴드에 연결하시오.

지난 시간과 동일한 회로도를 사용하였습니다.

3. 코딩

• 내용 : stepper 라이브러리를 이용하여 아두이노 IDE의 시리얼통신 입력값에 의해 회전시키자.
• 참고 : https://www.arduino.cc/en/Reference/Stepper

함수

#include <Stepper.h>

• Stepper stepper(STEPS, IN1, IN2, IN3, IN4) : 사용하는 Stepper Motor 스템수, 각 4핀을 세팅.
• stepper.setSpeed(값) : Stepper Motor의 속도 설정.
• stepper.step(스텝수) : 스템수로 회전 각을 표현 한다.

시리얼 통신

• Serial.begin(9600) : 시리얼 통신 시작(9600 통신속도)
• Serial.println(값) : 시리얼모니터 출력
• Serial.available() : 시리얼통신으로 데이터가 들어놨는지 상태 확인
• Serial.parseInt() : Int형으로 데이터를 읽음

[지난 시간 소스]

#include <Stepper.h>

#define STEPS 2048

Stepper stepper(STEPS, 8, 10, 9, 11);

void setup() {
  stepper.setSpeed(12);
}

void loop() {
  stepper.step(STEPS);
  delay(1000);
  stepper.step(-STEPS);
  delay(1000);
}

위 소스를 가지고 수정을 합시다.

우선, 아두이노 IDE 시리얼모니터에서 입력으로 회전각을 입력한다고 가정하면 아래와 같이 회전 각을 int형으로 읽어서 val변수에 회전각을 저장하게 표현 했습니다. 참고로 정수로 입력하는 방식으로 정수로 읽게 parseInt()함수로 표현 했고요.

if(Serial.available()) {
    int val=Serial.parseInt();
}

이제 val이라는 변수는 회전각도 값이 들어 있으니깐 이 각도를 실제 Stepper Motor의 회전 스템수로 변환 시켜야 겠죠. 스템수가 회전각이니깐요. 가독성으로 각도로 입력을 했습니다. 각도에 대한 스템수를 구하는 식이 필요 하겠죠. 예로 180도라고 입력을 하면 180도에 대한 스템수 1024값을 구해야 합니다.

그러기 위해서는 다음과 같이 map()함수를 이용합니다.

val=map(val,0,360,0,2048);

map() 함수에 입력각 val에 대한 입력 범위 0~360에서 출력 0~2048의 스템수를 세팅하면 회적 각도에 따라 스템수를 만들어 낼 수 있습니다. val이 180이면 스템수는 1023이 나오고 만약 -180도면 -1023 스템수가 나오게 됩니다. 이렇게 해서 각도에 대한 스템수를 만들어 냈습니다.

회전은,

stepper.step(val);

마무리로 step() 명령으로 실제 Stepper Motor를 회전을 시켜 원하는 각도에 제어할 수 있게 됩니다.

종합해서 코딩하면,

#include <Stepper.h>

const int STEPS = 2048;
Stepper stepper(STEPS, 8,10,9,11);

void setup()
{
  stepper.setSpeed(14);
  Serial.begin(9600);
}

void loop()
{
   if(Serial.available()) {
    int val=Serial.parseInt(); //회전각 int형으로 읽기
    
    val=map(val,0,360,0,2048); //회전각 스템 수
    stepper.step(val);
    Serial.println(val);
    delay(10);
  }
}

아두이노 IDE 시리얼모니터에서 입력한 각도에 따라 원하는 각도로 Stepper Motor를 회전을 시킬 수 있게 되었습니다.

4. 결과

아두이노 IDE 시리얼모니터에서 각도를 입력하면 Stepper Motor가 그 각도에 맞에 회전을 하는 영상입니다.

마무리

아두이노 IED 시리얼 모니터에서 입력한 회적각을 map()함수로 회전 스템수로 구하고 step()함수로 실제 Stepper Motor를 회전 키는 로직을 완성 했습니다. 시리얼 통신으로 회전을 제어 할 수 있게 되었으니깐 이걸로 블루투스 통신으로 하면 스마트폰으로 쉽게 Stepper Motor를 회전 시킬 수 있겠죠. 아니면 processing 으로 이미지로 버턴을 만들어서 Stepper Motor를 회전 시킬 수 도 있습니다. 그것도 아니면, 입력을 조이스틱이나 가변저항 같은 것들로 외부의 다른 Sensor를 이용해서 회전을 시킬 수 도 있습니다. 선택은 여러분의 상상력에 따라 달라집니다.

추가로, Bluetooth를 이용해서 스마트폰으로 회전을 시켰는데 오늘 전부 다 올리려고 하니 좀 내용이 길어질 것 같아서 나눠서 내일 post에 올리도록 하겠습니다.

여러분들은 Stepper Motor를 가지고 어떻게 회전을 할지 상상력을 펼쳐 보세요.

[아두이노] Stepper Motor 라이브러리로 제어

• 온라인 가상시뮬레이터 : https://www.tinkercad.com
• 참고 링크 :
  [아두이노] Bluetooth 통신 제어

오늘은 복잡하게 Stepper Motor의 4핀을 직접 제어할 필요 없이 Stepper Motor 라이브러리를 사용하여 쉽게 제어하는 실험을 하겠습니다.

1. Stepper Motor 회로도

• 출처 : X113647Stepper : https://github.com/tardate/X113647Stepper/tree/master/fritzing_parts
  스템모터(28BYJ-48_StepperMotor.fzpz), ULN2003 모터 드라이버(X113647_StepperDriverBoard.fzpz)

• 준비물 : 5V 스템모터, ULN2003 모터드라이버, 아두이노우노
• 내용 : 8,9,10,11핀을 순서대로 IN1, IN2, IN3, IN4에 연결하고 스템모터와 UNL2003 모터쉴드에 연결하시오.

Stepper Motor 라이브러리를 실험하기 위해 따로 새롭게 만들 필요가 없기에 그냥 지난 시간에 만든 회로도를 그대로 사용하겠습니다.

2. 코딩

• 내용 : stepper 라이브러리로 정방향 360도와 역방향 360도 회전을 시키자.
• 참고 : https://www.arduino.cc/en/Reference/Stepper

함수

#include <Stepper.h>

• Stepper stepper(STEPS, IN1, IN2, IN3, IN4) : 사용하는 Stepper Motor 스템수, 각 4핀을 세팅.
• stepper.setSpeed(값) : Stepper Motor의 속도 설정.
• stepper.step(스텝수) : 스템수로 회전 각을 표현 한다.

아두이노 IDE Stepper 예제에 보시면 MotorKnob 예제가 있습니다. 원래 동작은 A0에 입력되는 아날로그 신호에 의한 회전인데 아마도 조이스틱과 가변저항으로 조정한 값을 Stepper Motor의 회전각을 만드는 것 같더군요. 오늘 실험은 이걸 하기 위한게 아니라 간단히 회전을 시킬 수 있는지에 대해 테스트 실험이기 때문에 수정을 하겠습니다.

[소스] : MotorKnob 예제입니다.

#include <Stepper.h>

#define STEPS 100
Stepper stepper(STEPS, 8, 9, 10, 11);
int previous = 0;

void setup() {
  stepper.setSpeed(30);
}

void loop() {
  int val = analogRead(0);
  stepper.step(val - previous);
  previous = val;
}

위 소스를 가지고 수정을 합시다.

우선,

#define STEPS 100

Stepper Motor의 Step의 총수입니다. 즉, 360도 회전에 Step 수라고 생각하시면 됩니다. 이부분은 여러분들이 변경해야 합니다. 자신이 사용하는 Stepper Motor의 종류에 따라서 계산해야 합니다.

• 계산식 출처 : BYJ48 STEPPER MOTOR - http://www.instructables.com/id/BYJ48-Stepper-Motor/

STEPS = (360/step angle)* Gear ratio

예) [ 28BYJ-48 5V DC Stepper Motor]

• Number of Phase ： 4

• Speed Variation Ratio ： 1/64

• Stride Angle ： 5.625° /64

• STEPS = (360/5.625)*64 = 4096

실제로 4096으로 입력하면 제 모터에서는 2바퀴를 회전하더군요. 2048로 STEPS을 잡으니깐 360도 회전을 할 수 있었습니다.

다음으로 핀 연결인데 위 회로도 대로 연결해서 돌리면 사실 돌아가지 않아서 처음 공부 할 당시 애를 먹었던 부분입니다. 처음에 삽질 했는데 핀 위치가 문제였더군요. 위 회로도로 연결했을 때 핀위치는 바뀌어야 합니다.

Stepper stepper(STEPS, 8, 9, 10, 11);

변경,

Stepper stepper(STEPS, IN1, IN3, IN2, IN4);
Stepper stepper(STEPS, 8, 10, 9, 11);

이렇게 설정하여 STEPS로 회전 시키니깐 시계방향으로 360도 회전 하였네요. -SEPS로 하니깐 반시계방향으로 360도 회전이 되었고요.

그 다음, stepper Motor의 회전 속도를 steup()함수에서 설정합니다. 하지만 이 speed값은 STEPS의 수와 관계가 있습니다. 만약 4096으로 잡고 돌릴 경우에는 5~7정도의 speed를 잡아야 정상적으로 회전이 일어나고 10정도 입력하면 회전을 하지 않습니다. 2048의 경우는 10~14사이가 정상적으로 회전을 하더군요.

stepper.setSpeed(12);

실제 회전 명령은 step()함수로 step수는 회전각입니다.

stepper.step(step수);

종합해서 수정하면, 정방향으로 360도 회전 후 역방향으로 360도 회전

#include <Stepper.h>

#define STEPS 2048

Stepper stepper(STEPS, 8, 10, 9, 11);

void setup() {
  stepper.setSpeed(12);
}

void loop() {
  stepper.step(STEPS);
  delay(1000);
  stepper.step(-STEPS);
  delay(1000);
}

4. 결과

회전은 깔끔하게 되긴 했는데 오차각이 좀 생기네요. Stepper Motor 싼거라 분해능력이 떨어져서 각이 약간 오차가 발생해서 정교한 각도 제어는 제가 실험한 Stepper Motor는 다소 무리가 있네요.

마무리

복잡하게 생각을 하지 않아도 Stepper Motor라이브러리로 쉽게 회전을 시킬 수 있겠죠. 코딩량도 대폭 줄어 들고 간단히 세개의 함수의 의미만 이해하면 Stepper Motor를 회전 시킬 수 있습니다.

Stepper stepper(STEPS, 8, 10, 9, 11);
stepper.setSpeed(12);
stepper.step(STEPS);

Stepper 객체변수 선언하고 Stepper 객체변수의 setSpeed()함수의 회전속도와 step()회전 스템수로 각도f를 회전 하게 됩니다. 이 세개의 함수만 이해하시면 쉽게 제어 할 수 있게 됩니다. 그런데 사실 쉽지는 않습니다. STEPS의 수를 계산하기가 약간 어려울 수 있습니다. Stepper Motor의 부품 사양을 보고 계산해서 구해야 하기 때문에 이부분이 어려울 수 있지만 이부분만 제대로 지정해 주시면 그 다음 부분들은 어렵지 않을 꺼에요.

참고로, 다른 Stepper Motor를 사용하실 때에는 해당 Stepper Motor 라이브러리를 검색하시셔 라이블러리에 추가해서 사용하시면 됩니다. 혹시 라이브러리가 없는데 그냥 따라서 include만 시킨다고 되는게 아니니깐요. 자신이 사용하는 부품명으로 우선 검색하시고 있으면 그걸 사용하세요. 없다면 공용 Stepper Motor 라이브러리를 사용하시고요.

마지막으로, 여러분들은 360도 회전을 할 수 있다면 어떤 것을 해보고 싶은지 상상의 나래를 펼쳐 보세요.