탐색 알고리즘을 이용한 초음파 센서 기반 무선조종 RC카

2.1 기존의 가속도 센서 기반 무선조종 RC카

자이로 센서를 이용한 무선조종 자동차로 간단한 손의 움직임으로 RC카를 움직이는 기능을 구현하였다. RF통신을 이용해 자이로 센서에 의한 수치 데이터를 직렬통신으로 무선조종 자동차의 수신부로 보내 손의 각도에 따라서 RC카가 움직일 수 있게 하였다. 이를 구현시키기 위해서 자이로 센서의 데이터 시트를 확인한 후 무선조종 자동차의 상하좌우 방향을 각도에 의한 수치를 이론적으로 계산하였다. 실제 관측한 값과 비교하여 원하는 각도에서 원하는 방향으로 움직이는지 가장 합리적인 파라메타 값을 구할 수 있었다. 자이로 센서를 이용한 무선조종 자동차는 DC모터를 사용하여 바퀴가 굴러갈 수 있도록 하였다. 기존의 무선조종 자동차를 핸들이나 조이스틱을 이용하여 움직이는 것이 아니라 손의 각도를 이용한 기술로 구동에 성공하였다[4].

2.2 기존의 초음파 센서 기반 전방감시 시스템

차량 전방 감지 시스템은 전방 차량 및 장애물과의 거리 데이터 값을 취득하는 고지향각 초음파 센서와 후방 차량 및 장애물과의 거리 데이터 값을 얻을 수 있는 초음파 센서를 사용하였다. 전방감시에 사용한 초음파 센서에서 초음파를 송신하고, 장애물에 부딪쳐 반사되어 돌아오는 초음파를 수신하여 펄스를 생성하는 시스템이다[4].

2.3 초음파 센서의 기본 설명

초음파는 사람이 들을 수 있는 가청 주파수 밖의 높은 주파수 20㎑ 이상의 고주파 음파를 말한다. 가청 주파수는 대략 20㎐에서부터 20㎑까지의 주파수 영역의 음향을 말한다. 20㎑ 이상의 음향은 주파수가 너무 높아 사람이 들을 수 없다. 박쥐는 초음파 영역의 음파를 통해 서로 교신하지만, 인간은 그 소리를 들을 수가 없다. 이처럼 초음파 센서는 초음파의 음향을 감지하는 센서이다[5].

2.4 초음파를 이용한 거리 측정 방법

초음파의 파장은 전파속도를 주파수로 나눈 값이다.

이 식에서 전자파의 속도는 3 × 10⁸m/sec로 빠르지만, 음속(음파의 속도)은 약 344m/sec으로 늦기 때문에 파장이 비교적 짧다. 전자파의 속도가 30khz 의 경우 파장의 길이는 약 11.5mm가 된다. 파장이 짧으면 거리 방향의 분해능이 높고, 정밀도가 높은 계측을 할 수 있다. 물체의 유·무를 감지하기 위해서 초음파가 물체에 닿으면 반사하는 성질을 이용한다. 초음파가 금속, 목재, 콘크리트, 유리, 종이 등에 닿으면 거의 100% 반사하지만, 삼베, 면 등과 같이 인조로 되어 공기를 포함하는 물체에 닿으면 흡수하기 때문에 이처럼 특수한 경우에는 센서의 이득을 높게 할 필요가 있다[6].

공기 중의 음파의 전송속도(음속) v는 다음 식 (2)와 같이 나타낼 수 있다[7].

2.5 음파와 전파의 차이

초음파 센서를 알기 위해선 음파와 전파의 차이점을 먼저 알아야 한다. 음파는 음향 에너지이고, 진동매체가 있어 진공 안을 전파할 수 없으며, 전파는 전자기장 진동이고, 전자장과 자기장이 존재하여 진공 중에도 전파된다.

음파는 세로파로 진행방향으로 소밀파가 형성되어 음파 에너지로 전파된다.

전파는 전기장과 자기장이 함께 존재하여 서로 교차한 전자장을 형성하고, 일정한 속도로 전파하는 가로파이다[8].

2.6 초음파를 이용한 거리 측정 방법

초음파를 이용한 거리 측정은 크게 펄스 반사법과 주파수 비교법으로 나뉜다.

펄스 반사법은 센서로부터 대상 물체까지의 거리를 알기 위한 방법으로 초음파의 왕복 전달시간측정에 의한 거리 측정법이다. 그림 4는 후퍼(hooper)의 상측에서 초음파 펄스를 발사하여 그 초음파가 탱크 속분체의 상면에서 반사, 산란하여 되돌아오기까지의 시간을 측정함으로써 그 시간에서 탱크 속의 분체량을 파악할 수 있다. 공기 중에서 음파의 전달속도는 1기압 중에 다음과 같이 구한다.

음파의 왕복 전달 시간이 t[초]라 하면 그 사이의 거리는 다음과 같이 구한다.

주파수 비교법은 대상물로 향하여 펄스파를 발사하는 것이 아니라 주파수가 시간과 더불어 직선적으로 변화하는 사인파의 초음파를 발사한다. 이때 발사하고 있는 초음파의 주파수와 대상 물체로부터 돌아온 반사파의 주파수를 비교하면 대상 물체가 멀수록 그 주파수를 차는 커진다. 따라서 이 두 파를 혼합하여 비트파를 발생시켜 검파하면 대상 물체까지의 거리에 비례한 주파수 신호를 얻을 수 있다[9][10].

3.1 제안하는 탐색 알고리즘을 가진 초음파 센서를 장착한 RC카 전체 시스템 구성도

그림 1은 기존의 자이로 센서를 장착한 무선조종 RC카와 초음파 센서를 장착한 무선조종 RC카의 개념도의 변화를 나타낸 것이다.

Fig. 1.

Conceptual diagram difference between the existing RC car model and the proposed RC car model

기존의 자이로 센서를 장착한 무선조종 RC카는 RF통신을 이용해 작동했다. 주로 통신과 자이로 센서를 이용한 제어에 초점을 맞췄다. 본 논문의 초음파 센서를 장착한 무선조종 RC카는 아두이노 UNO3를 RC카 모델에 하나 더 장착하였다. 이 UNO3를 이용해 자이로 센서에 의해 정해진 출력과 초음파 센서에 의해 정해진 출력으로 새로운 디지털 데이터 값을 얻을 수 있다. 새로 얻어낸 이 값을 이용해 RC카를 동작시켰다.

3.2 제안하는 초음파 센서의 구동 원리 설명

초음파 센서 거리를 감지하는 것 담당하였고, 거리값 데이터를 받아와 분석 후 알고리즘에 따라 제어하는 부분은 아두이노 UNO3 기반으로 작업을 추진하였다. 아두이노에서 제공하는 아두이노 프로그램을 사용하였고 C언어를 기반으로 작업을 진행하였다. 컴파일러 및 라이브러리는 AVR-GCC을 사용하였다. avr-gcc함수에 있는 표준함수의 라이브러리와 아두이노에서 제공하는 다양한 함수를 적용 시킨 후 필요한 부분을 수정하여 사용했다. 아두이노 프로그램에서 C언어를 사용해 코딩을 하면 먼저 스케치 과정이 필요하다. 스케치의 과정이 오류 없이 끝나면 아두이노 UNO3에 업로드를 시켜준다. 업로드가 문제없이 되면 원하는 대로 구동하는지 확인할 수 있다.

그림 2를 자세히 설명하겠다. 먼저 무선조종 RC카가 작동되면 초음파 센서는 조종자가 명령어를 따로 줄 필요 없이 스스로 거리를 측정한다. 그 후 주기적으로 거리 데이터 값을 UNO3가 수신한다. 본 논문에서 구현한 알고리즘의 조건에 적합한 거리 데이터 값이 수신되면 UNO3가 파악 후 자이로 센서와의 값을 비교하여 DC모터에 입력을 공급하게 되어 DC모터를 제어하게 된다.

Fig. 2.

Basic principle of ultrasonic sensor

그림 3은 제안된 탐색 알고리즘을 보여주고 있다. 본 논문은 초음파 센서를 이용하여 거리 데이터 값을 가져와 구현한 탐색 알고리즘에 맞게 DC모터를 제어하는 기술을 구현하였다. 그림 3의 탐색 알고리즘을 자세히 설명하자면 처음에 UNO3가 초음파 센서에 거리 측정 명령을 지시한다.

Fig. 3.

Search algorithm

UNO3에서 정한 일정한 주기로 초음파 센서를 이용하여 장애물과의 거리를 측정한다. 초음파 센서로 측정한 거리 데이터 값이 지정한 값 이하로 들어오면 디지털 값을 입력하게 설정한다. 초음파 센서에 의해 디지털 값이 입력될 때마다 자이로 센서로부터 입력 받는 값을 탐색하고, 탐색한 값과 초음파 센서에 의한 디지털 값을 OR 연산을 한다. 알고리즘의 문제가 있을 시 다시 동작을 수행한다. 알고리즘 조건에 맞을 시 모터를 동작시켜 RC카를 동작 시킨다.

4.1 하드웨어 밎 시스템 구현

그림 4는 제안하는 초음파 센서를 장착한 무선조종 RC카의 구현된 하드웨어이다. RC카에 UNO3를 2개를 사용했고, 하나의 UNO3는 자이로 센서의 출력을 무선으로 수신하는 역할을 담당했다.

Fig. 4.

Proposed RC car with ultrasonic sensor

나머지 UNO3는 초음파 센서 2개의 각각의 값을 입력 받고 자이로 센서의 출력을 입력으로 받아서 초음파 센서로부터 정해진 디지털 값과의 OR연산을 하는 역할을 한다. 2개의 UNO는 모두 9V 알루미늄 건전지로 전원을 공급했다. 그림에서 보는 바와 같이 초음파 센서는 RC카의 전방부에 대각선 45° 방향으로 2개를 설치하여 장애물을 감지할 수 있도록 하였다. 초음파 센서의 감지는 15cm로 설정했다. 여기서 정한 거리는 4.3에서 다른 값으로 설정해서 실험을 진행할 것이다.

그림 5는 본 논문의 RC카 전체 시스템 구성도 보여주고 있다. 먼저 그림의 Transmitter쪽 순서도의 내용을 보면, 자이로 센서 제어를 위해 메인 제어 부분인 노트북이 명령어를 보내고, UNO3는 가속도 센서의 명령에 맞게 제어하게 된다. 명령에서 보내는 수치들은 Encoder를 통해서 RF통신을 이용해 수신부로 보내진다.

Fig. 5.

Overall system configuration of the RC car in this paper

Receiver의 RF433 모듈로 자이로 센서의 데이터 값을 수신하고 Receiver의 UNO3에서 초음파 센서의 값에 의한 디지털 값과 수신된 수치의 OR연산이 이루어진다. 이로인해 결정된 4비트 데이터는 L293DNE 칩에 입력되는 데이터 값을 보낸다. 결론적으로 기존의 가속도 센서에 의한 동작과 더불에 초음파 센서에 의한 동작을 함께함으로써 장애물이 있을 시 자동으로 피해서 움직일 수 있도록 RC카를 만들어 보았다.

4.2 제안하는 초음파 센서를 장착한 무선조종 RC카의 DC모터 제어

그림 6은 DC모터에 입력되는 입력을 산출하는 과정을 구현한 것이다.

Fig. 6.

Basic principle of DC motor

자이로 센서에 의해 결정된 디지털 입력 4비트 데이터는 표 1과 같고 이것은 UNO3로 입력되고, 초음파 센서의 거리 값이 UNO3로 입력되어 디지털 입력 2비트 데이터가 정해지게 된다. 두 디지털 입력 값을 OR 연산을 이용해서 DC 모터에서 사용할 수 있는 디지털 입력 4비트 데이터를 만든다.

Table 1.

Speed control condition table by gyro sensor

디지털 입력 4비트 데이터의 생성과정을 자세히 설명하겠다. 자이로 센서에 의해 Forward(1010)의 값이 정해졌을 때, 오른쪽에 장애물이 있을 경우 4비트 데이터 값은 0010의 값으로 변하고, 오른쪽으로 움직인다. 왼쪽에 장애물이 있을 경우 1000의 값으로 변하고 오른쪽으로 움직인다. Left(0010)의 값이 정해졌을 때, 왼쪽에 장애물이 있을 경우 4비트 데이터 값은 0000으로 변하고 정지한다. Right(1000)의 값이 정해졌을 때, 오른쪽에 장애물이 있을 경우 4비트 데이터 값은 0000으로 변하고 정지한다. Back(0101), Stop(0000)의 경우 앞의 초음파 센서로 감지할 수 없으므로 자이로 센서의 입력과 같은 디지털 출력을 한다.

위의 산출한 디지털 값은 OR연산에 의해 결정된 것이고, 각각의 디지털 입력은 DC모터의 입력으로써 1010은 앞, 0010은 왼쪽, 1000은 오른쪽, 0101은 뒤, 0000은 정지의 동작을 한다.

Table 2.

Condition table of speed control algorithm according to proposed distance

4.3 초음파 센서 측정 거리에 따른 속도제어 실험

장애물과 초음파 센서와의 최적의 거리를 알아내기 위해서 실험을 진행했다. 실험은 초음파 센서의 측정 거리만 변화시켰고 장애물과의 충돌 횟수, 장애물 감지 횟수, 목표지점까지 도달 시간 등을 기준으로 최적의 초음파 측정 거리를 얻고자 한다. 그림 7과 같이 장애물을 설치했고 5m의 거리를 RC카로 주행했다.

Fig. 7.

Placement of obstacles used in the experiment

그림 8은 제안한 알고리즘에 의한 초음파 센서 측정 거리에 따른 장애물 감지 횟수를 그래프로 나타낸 것이다. 가로축은 초음파 센서의 측정 거리를 나타냈고, 5cm부터 2.5cm 간격으로 30cm까지 측정하였다. 세로축은 초음파 센서의 장애물 감지 횟수를 나타냈다.

Fig. 8.

Obstacle detection graph according to the ultrasonic sensor measurement distance by the proposed algorithm

초음파 센서의 측정 거리가 짧을수록 장애물 감지 횟수는 적은 것을 확인할 수 있다. 또 측정 거리가 멀면 장애물 감지 횟수는 많은 것을 확인할 수 있다. 즉 측정 거리가 짧을 땐 장애물까지의 거리가 멀어 장애물 감지 횟수가 적지만, 측정 거리가 경우엔 먼 거리의 장애물까지도 감지하는 것을 확인할 수 있었다. 따라서 초음파 센서의 측정 거리가 12.5 ~ 20cm의 경우가 정당한 것을 확인할 수 있었다.

표 3은 제안한 알고리즘에 의한 초음파 센서의 측정 거리에 따라 장애물 충돌 횟수를 나타낸 것이다. 기존의 초음파 센서를 부착하지 않았던 RC카의 경우는 거리 값이 0인 경우로 충돌횟수가 12회로 비교적 많은 것을 확인할 수 있었다. 제안된 방법에서는 측정 거리가 짧을수록 장애물과의 충돌 횟수가 많아지고 측정 거리가 길수록 장애물과의 충돌 횟수가 적어지는 것을 확인할 수 있었다. 따라서 초음파 센서의 측정 거리는 15cm 이상이어야 적당한 것을 확인할 수 있었다.

Table 3.

Number of obstacle collisions according to ultrasonic sensor measurement distance by the proposed algorithm

그림 9는 제안한 알고리즘에 의한 초음파 센서 측정 거리에 따른 목표 지점까지의 도달 시간을 도식화한 것이다. 그림 9에서 y축의 레이블 Time 단위는 초입니다.

Fig. 9.

Reach to target point based on ultrasonic sensor measurement time by the proposed algorithm

RC카로 5m 거리를 주행하면서 도달 시간을 나타냈다. 평균 32초의 시간이 소요되는 것을 확인할 수 있었고, 초음파 센서의 측정 거리가 15~ 22.5cm의 경우가 적당한 것을 확인할 수 있었다. 초음파 센서를 장착하지 않을 기존 방법의 경우는 측정 거리가 0cm 것으로 나타냈다. 이때 목표지점까지의 도달 시간은 짧았지만, 장애물과 잦은 충돌을 생각했을 때 안정성은 낮을 것을 확인했다.

결론적으로 위 실험에서는 제안된 방법에 따라 초음파 센서의 측정 거리를 변화시키면서 장애물 감지 횟수, 장애물 충돌 횟수, 목표지점까지의 도달 시간을 확인할 수 있었다. 적당한 초음파 센서 측정 거리는 15~ 20cm의 경우가 가장 안정적인 것을 확인할 수 있었고, 본 논문에서 20cm의 측정 거리를 사용하였다.