로보밥

안드로이드용 엑세서리를 만든다?

올해 2011년 구글 IOIO 행사에서 소개된 Open Android ADK(엑세서리 개발 킷)에 대해 들어보셨나요?  간단히 말하면 스마트폰을 비롯한 각종 안드로이드 기기와 결합하여 활용 가능한 하드웨어 개발을 지원하는 개발킷을 공개한 것 입니다.
자세한 정보는 http://developer.android.com/guide/topics/usb/adk.html  에서 확인 하실 수 있습니다.

현재 안드로이드 기기용 엑세서리 개발 킷은 크게 두가지가 있습니다.

안드로이드 엑세서리 개발 킷

1.  첫째는 위에서 소개해 드린 Android 3.1 과 함께 발표된 Open Android ADK ( Android v2.3.4 부터 지원) 입니다.
2.  두번째는 MicroBridge 같은 Android Debug Bridge(ADB) 구현을 통한 지원입니다. 새로 발표된 ADK 에 밀려 곧 잊혀져 버릴지 모르지만 Andorid 1.5 이상만 되도 지원이 가능하다는 무시 못할 장점이 있습니다.


엑세서리 개발용 보드

소프트웨어 개발을 위해 필요한 개발도구와 SDK 와 더불어 엑세서리 개발을 위해선 안드로이드와 결합하여 사용 가능한 마이크로콘트롤러 보드가 있어야합니다.  이를 위한 제품들이 ADK 관련 기술페이지에 링크되어있습니다.

그중, 현재 아트로봇샵에서 취급중인 제품은 아래와 같습니다.

• Seeeduino Android ADK 보드
• SparkFun Android IOIO 보드
• Arduino Mega ADK 보드
  

우선은  Android IOIO(요요라고 발음함) 보드 사용기를 별도의 페이지로 소개해 드리고, 차후에  Seeeduino Android ADK 보드도 소개해 드릴까합니다.

1. 안드로이드 요요 소개글 보러가기

아두이노와 전자회로를 배울때 가장 먼저 해보는것이 LED ON/OFF 제어인데요, LED 대신 IRED(적외선 LED)를 장착하고  마치 모르스 부호같이 규칙에 맞쳐 ON/OFF를 해주면 복잡한 데이타도 송수신이 가능합니다.  여러분이 매일 사용하고 계신 TV같은 가전기기가 바로 이렇게 눈에 보이지 않는 빛을 통해 제어되고 있습니다.  이 기술을 잘 활용하면 여러분의 아두이노로 리모콘을 대체하거나 반대로 리모콘 명령에 따라 동작하는 아두이노 기기의 제작이 가능합니다.

본 글을 통해 아래의 적외선 송수신 기본회로를 소개해 드리고 실제로 리모콘으로 조정되는 로봇을 아두이노로 제어하는 방법도 안내해 드리겠습니다

1. 초간단 적외선 송신 회로
2. 고출력 적외선 송신 회로 ( 5미터 이상의 장거리? 전송가능)
3. 리모컨 신호 수신 회로

1. 초간단 적외선 송신 회로

그림1.의 회로를 보시면 바로 아시겠죠?  네,  일반적인 LED를 켤때 사용하는 회로와 동일하게 연결하면 됩니다.  차이점이라면 보통 IRED는 대부분의 LED보다 좀더 저 전압에서 구동된다는 점입니다.  따라서 일반 LED보다는 조금더 큰 저항을 사용하면 됩니다.  저항값이 작으면 좀더 IRED를 밝게 켤 수 있지만 대신 IRED와 아두이노에 무리가 갈 수 있으므로 적당한 저항값을 선정해주시면 됩니다. 하지만 정답은 없습니다.   예제에서는 560옴 저항을 사용하였습니다. 

예제에 사용된 IRED 규격:   정격 1.36V ,  최대 1.7V,  피크주파수 940nm, 화각+-20도

5V 전압을 가할 경우,  I= V/R 공식을 참고하시면  약, 9mA 전류가 흐를 수 있음을 계산으로 예상할 수 있습니다.
아두이노의 경우 핀 한개에서 출력할 수 있는 전류허용량은 20mA에 불과합니다.  초간단 회로로 광신호 도달 거리가 짧을 경우 그림2. 와 같은 고출력 전송회로를 사용하면 됩니다.  위 예제에선 아두이노 디지탈3번 핀을 통해 ON/OFF 제어를 하게됩니다. 참고로, 디지탈 3번핀은 PWM 출력을 지원해주는 핀중 하나입니다.



2. 고출력 적외선 송신 회로

본 회로는 보통의 가전기기 제어용 리모콘에서 사용되는 회로입니다. 수십에서 수백 mA의 고출력 송신이 가능하므로 비교적 원거리(5미터 이상)로 광신호를 전송할 수 있습니다. 이를 위해 트랜지스터를 사용하는데요 아두이노에서 저 전류 제어로 ON/OFF를 제어하고 실제로 IRED에 전류공급은 트랜지스터가 담당하여 비교적 큰 전류를 사용할 수 있게 됩니다.
그림2.를 참고하여 회로를 구성하시면 됩니다.  여기서 R1은 330옴  R2는 1옴을 사용하였습니다.  실제로 테스트 해본 결과 방이나 거실 전역에서 방향에 상관없이 신호전달이 되는것을 확인했습니다. 기본 제공되는 리모콘보다 더 고출력인것 같네요;; 
(사실 본 회로에 5V는 조금 과할 수 있습니다.  아두이노와 함께 사용하실 경우 5V 대신 3.3V 전압을 사용하면 좋습니다.)

예제 회로의 경우 일시적으로 매우 큰 전류가 흐르게되지만 매우 짧은 시간동안만 구동되므로 전체적인 전류소모율은 적은 편입니다.  참고로, 상용 리모콘의 경우 미작동중엔 sleep모드로 대기하다가 버튼이 눌리는 순간 깨어나서 IR송신 후 다시 잠에 들게 되므로 건전지 2개로 수개월씩 작동이 가능합니다.  회로도로 잘 이해가 가지 않으신 분들은 아래의 실제 연결된 사진을 참고하시기 바랍니다.

사진1. 고출력 IR 송신회로 실제 구성예

3. 적외선 수신 회로

적외선 송신측 IRED의 피크 주파수와 일치하는 파장의 포토트랜지스터나 포토다이오드를 이용하여 수신부 구현이 가능합니다. 하지만 우리주변엔 다양한 파장의 빛들이 가득차 있으므로 노이즈에 해당하는 빛신호를 차단하고 원하는 광신호만 추출해주는 필터회로가 있어야 실용이 가능해 집니다.  리모콘 수광 모듈은 이를 위한 소자와 필터회로가 일체화된 제품으로 매우 손쉽게 특정 파장 및 주파수의 빛 신호에 반응하는 수신기로 활용할 수 있습니다.

예제에 사용된 적외선 수광모듈 사양:   감응되는 빛의 파장: 940nm ,  빛 신호의 주파수: 38KHz

참고로, 적외선 송신시 사용된 IRED가  850nm 파장의 빛을 출력한다면,   수광모듈도 850nm 용으로 맞쳐줘야 수신률이 높아집니다.  마찬가지로 빛 신호의 캐리어 주파수(가령 38KHz)도 송/수신 모듈이 일치되어야 합니다.
예제에선  940nm 피크 파장의 IRED와  940nm형 수광모듈을 사용하였으며,  캐리어 주파수는 38KHz로 맞췄습니다.


IR 수광 모듈의 연결법도 매우 간단하며 (그림3을 참고) 전원만 공급해주고 VOUT단자로 출력되는 신호를 참고하기만 하면 됩니다. 다만,   전원 입력부에 노이즈가 있어 문제가 되는경우라면 전원 입력부에 저항과 콘덴서를 이용하여 노이즈를 감쇄시켜줘야 합니다.  (보통은 생략이 가능합니다. 필요한 경우 관련자료에서 IR수광모듈 데이타 시트를 참고하시기 바랍니다.)
위 회로에서는 VOUT 출력을 아두이노 디지탈11번 핀에 연결하여 신호를 감지하는 경우를 가정하였습니다.


아두이노로 적외선 신호 송신 및 수신하기 - 프로그래밍 편

위에서 소개해드린 방법으로 하드웨어 준비는 간단히 끝났습니다.
이제는 아두이노로 리모콘 제어 신호를 발신하기 위해선 전송규약에 맞쳐 ON/OFF제어가 필요한데 많은 분들에게 쉽지 않은 과제입니다. 따라서 전용 라이브러리를 활용하시면 좋은데요  공개된 아두이노 라이브러리들을 둘러보시고 적절한것을 선택하시면됩니다. 본 글에선 IR Remote 라는 라이브러리를 참고로 하였습니다. 
IR Remote 라이브러리의 경우  IR 송신을 위해서 D3핀을,  수신을 위해서 D11핀을 기본으로 사용하고 있습니다.


IR Remote 라이브러리로 적외선 리모콘 신호 발신하여 로봇 원격 제어하기

이제는 실제로 리모콘으로 제어되는 로봇을 아두이노로 제어해 보도록 하겠습니다.

아두이노로 제어하기 좋은 로봇을 찾아오다 얼마전 드디어 쓸만한 녀석을 발견했습니다.

바로 무선제어 6족보행 로봇이란 제품입니다.

6족 보행로봇으로 전진,후진,좌회전,우회전이 가능하며 제공되는 적외선 리모컨을 통해 무선 조정이 가능합니다.
여러대의 로봇을 동시에 조정할 수 있도록 점퍼세팅으로 총 6대의 로봇을 동시에 조정할 수 있게 제작되었습니다.
조립도 간단하고 접착제같은건 사용하지 않아 신속하고 깔끔하게 제작이 가능합니다.

왜 좋은가?

1. 저렴한 가격
2. 손쉬운 제작 ( 8세이상 조립가능, 납땜불필요)
3. 손쉬운 아두이노 연동 가능( 전선 결합 불필요, 적외선 통신으로 제어)


조립시 필요한 것:
1.5V 알카리인 건전지 4개( 조정기용 2개, 로봇본체용 2개,  1.2V 충전지로도 잘 작동됩니다.)
스크류 드라이버

아두이노로 제어할 경우 필요한 재료:
 아두이노, IRED(적외선 LED) 1개,  저항 1개
(5미터 이상의 장거리 제어를 원하면 트랜지스터 1개, 저항 1개가 추가로 필요합니다.  관련글 링크 참고)

아두이노로 제어하기

1. 하드웨어 준비
적외선 리모컨 신호를 아두이노 디지털 출력을 통해 출력하면됩니다.  이를 위해서 IRED(적외선LED) 1개와 저항 1개가 전부입니다.   원거리에서 제어하려면 트랜지스터를 사용해야 합니다.  연결방법은 일반 LED와 동일하게 저항1개와 함께 직렬 연결해주시면 됩니다.  본 예제에서는 PWM출력을 지원하는 아두이노 디지털 3번핀을 사용합니다.

리모콘 신호 전송을 위해 아두이노에 IRED 연결

IRED연결은 일반 LED 연결과 유사합니다.

2. 라이브러리 준비
적외선 리모컨의 역활을 아두이노가 대신하려면 여러분이 직접 38KHz의 캐리어 주파수에 수신기의 코드부호를 실어서 출력해주면 됩니다.  하지만 많은분들에게 쉽지 않은 도전과제이므로 천재적이면서 친절하기까지 하신 분들이 미리 만들어둔 라이브러리를 활용하여 비교적 손쉽게 아두이노로 리모컨 신호를 발신할 수 있습니다. 

아래의 링크에 가셔서 해당 라이브러리를 아두이노 스케치 library 폴더안에 복사하여 라이브러리 설치를 완료합니다.


위에서 준비해놓은 라이브러리는  RC5, SONY, NEC 코드 등의 송신 및 수신을 위한 기능이 제공되며 여기서는 NEC코드 발신 함수만 사용하면 됩니다. 리모컨 신호를 이용해 가전기기를 제어하는 것에 대해 일전에 소개해 드린적이 있는데요  이번에도 마찬가지로 코드부호를 스캔하여 해독한 결과 이 로봇도 NEC코드와 유사한 전송방식을 사용하는것을 알게되었습니다.
차이점은 데이타 전송폭이 짧다는 점과 반복표시용 코드를 사용하지 않는다는 것입니다. 

하지만 로봇제어를 위해 복잡한 내용은 모르셔도 상관 없습니다.  단지, 아래와 같은 함수 하나만 사용하기 때문입니다.


  irsend.sendNEC( codedata , nbits );   // codedata에 수신기용 코드값과   nbits에 코드값의 비트 수를 적어주면 됩니다.

위와 같은 함수로 해당코드값을 전송하면,  아두이노의경우 디지탈 3번핀에 해당되는 코드신호가 출력되고 이곳에 연결된 IRED를 통해 빛신호로 변환되어 출력되고  로봇에 내장된 적외선 수신기에서 해당 코드를 수신한뒤 대응되는 모터의 작동이 이뤄지게 되는 것입니다.


아래의 소스는 1초에 한번씩 전진, 후진, 좌회전, 우회전 신호를 발신하는 예제입니다.


#include <IRremote.h>

IRsend irsend;  

void setup()
{
// 특별한 초기화 설정이 불필요합니다.
}

void loop() {
   irsend.sendNEC( 0xc5000000, 8); //전진
   delay(1000);
   irsend.sendNEC( 0x45000000, 8); //후진
   delay(1000);
   irsend.sendNEC( 0x25000000, 8); //좌회전
   delay(1000);
   irsend.sendNEC( 0x85000000, 8); //우회전
   delay(1000);
  
}


위의 소스는 1초에 한번씩만 코드를 발송하므로 지속적으로 작동상태가 유지되지 않습니다. 따라서 만약 전진을 지속적으로 하려면 1초에 수회 정도 전진에 해당되는 코드를 반복하여 전송해야합니다. 

보통 이동형 로봇을 제작시 아두이노같은 마이크로콘트롤러 보드에 모터 구동 회로를 장착하고 모터 2개를 제어할 경우 방향제어를 위해 최소 4개의 전선을 연결하여 제어하게 됩니다. 이에 반해 본 로봇킷의 경우 모터 회로 구현이 이미 되어있는데다 전선의 연결이 불필요하고 빛으로 연결되어 있으므로 비용도 절감되고 제어도 간단해 질 수 있으므로 기초 이동형 로봇 제어 학습시 효과적으로 응용할 수 있는 방법으로 판단됩니다.  (물론 전용 모터드라이버 연결법이 더 다양한 제어가 가능합니다. 가령 속도조절이 가능함)

거리센서 등을 통해 주변 물체를 감지하고 회피하는 로봇의 제작이나  전파(Zigbee, Bluetooth, Wifi 등 활용)를 통한 무선통신으로 신호를 수신 받고 이를 광통신으로 변환하여 원격제어되는 로봇의 구현도 가능합니다.

게다가 수신모듈+모터드라이버 역활을 하는 제어기만 활용할 수도  있습니다.

사진. 리모컨 수신기 및 모터구동 드라이버 보드: 
좌측에 전원연결(2핀)부, 우측에 모터2개 연결부(4핀), 상부에 ON/OFF스위치,  하부에 리모컨 채널 조정용 헤더핀(6핀)이 있으며 가운데에 IR수광모듈이 보입니다.


기타.  작동중 오동작이 계속되면 건전지를 교체해 보시기 바랍니다.  모터 구동시 전력소모가 큰 편이므로 배터리 소모가 빨리 됩니다.

관련 제품 링크

 무선제어 6족보행 로봇

 아두이노 UNO

 적외선 무선통신킷

내용추가
2011.July.26 
아래의 관련글 링크에 리모콘 신호 송수신 회로와  PC에서 키보드 입력으로 로봇을 제어하는 소스 예제를 포함한 글을 새로 등록하였습니다. 참고하세요

관련글 링크

 .IR무선 리모콘 송수신 회로로 로봇 제어하기

로보밥 여름특집!!!   얼렁뚱땅 움직이면 쏘는 버블건을 제작했습니다.

아파트 계단이나 현관문에 많이사용되는 모션센서형 전등을 많이 보셨을 겁니다.   사람이 없을때는 미작동 되다가 다가오면 작동되므로 에너지 절약도 되고, 스위치 작동시키는 불편함도 없으므로 실생활에 매우 유용한 자동화 기기입니다.

이때 사용되는 센서가 PIR 근적외선 모션센서인데요 인체에서 방사되는 근적외선의 변화량을 감지하는 PIR센서가 들어있습니다. 아마도 많은 분들이 이를 응용하여 무언가를 만들고 싶어하실겁니다. 저도 마찬가지죠 ^^.   마침 며칠전 대형 할인점에 갔다가 버블건을 보고 좋은 응용예가 생각이 나서 만들어 봤습니다.

버블건의 원리는 모터의 회전시 물펌프로 비누액체를 뿜어올려주면서 동시에 팬으로 바람을 불어 비누방울을 날려주는 것입니다.  헉;;;  이 가격에 이런 기계를 만들어내는 분들에게 감사의 인사를 드리고 싶습니다 ^^.

모터 하나로 물펌프와 송풍용팬을 동시에 작동시키는 구조인데요, 보통 모터를 제어하려면 모터 드라이버를 사용하거나 릴레이를 사용하는게 정석일테지만,  이 버블건은 모터만 켜주면 되는건 아니고 방아쇠와 연결된 핸들이 비누액을 버블홀에 골고루 발라주는 역활을 하므로 반드시 방아쇠를 잡아 당겨줘야하는 구조였습니다.

음,,,   결국  서보모터 하나로 해결이 되었습니다.  그냥 손가락으로 당기듯이 서보모터를 작동시키는 방법입니다.
 단, 방아쇠의 스프링 장력이 좀 쌘것같아서 일부를 절단한 상태입니다.

버블건도 전등같이 하루 종일 켜져 있으면 효율적이지 않겠죠?!
항상 켜져있는것보다 사람이 곁에 있을경우에만 작동시킬 수 있으므로 효율적이며,  모르고 다가온 사람에게 놀라움을 선물할 수 도 있게됩니다. 

 

 

 

구현TIP
PIR 모션센서는 5V~12V에서 작동됩니다만,  9V이상의 전압에서 더 반응성이 좋습니다.  가령, 5V전원으로 사용시 감지된 뒤에 한동안 재 감지가 잘 되지 않는 현상이 있습니다.  9V전원을 사용후 이증상이 없어지는것을 확인했습니다.  즉, 수시로 감지되는 경우 9V이상의 전압으로 작동하시기 바랍니다.  단, 신호출력선은 아두이노에 입력해야 하므로 9V에 연결하시면 안되고 5V전원선과 10K옴 저항으로 연결해주셔야 합니다.

아두이노 스케치 소스
#include <Servo.h>

const int ledPin = 13;
const int inputPin = 2;
const int posA = 90;
const int posB = 60;
Servo myservo;
unsigned long lastShotTime;

void setup(){
  pinMode(ledPin, OUTPUT);
  pinMode(inputPin, INPUT);
    myservo.attach(9);  // attaches the servo on pin 9 to the servo object
  lastShotTime = millis();
  Serial.begin(9600);
}

void loop(){
  int val = digitalRead(inputPin);
 // Serial.println( val);
   delay(500);
   if(val){
     myservo.write(posA);
     digitalWrite( ledPin, LOW);
   }else{
    digitalWrite( ledPin, HIGH);   
    trigger();
   }
}

void trigger(){
  if((lastShotTime + 20000UL) < millis() ){
    readyShot();
  }
  longShot();
  lastShotTime = millis();
  Serial.println( lastShotTime);
}

void readyShot(){
  myservo.write(posB);
  delay(500);
  myservo.write(posA);
  delay(500);
  myservo.write(posB);
  delay(500);
  myservo.write(posA);
  delay(500);
  myservo.write(posB);
  delay(500); 
  myservo.write(posA);
  delay(500);   
}

void longShot(){
  myservo.write(posB);
  delay(3000);
  myservo.write(posA);
}

소스 소개
PIR 센서에서 움직임이 감지되면, 출력선의 전압신호가 High에서 Low로 떨어집니다. 이를 디지탈핀에서 감지하여 서보모터를 회전시켜서 버블건을 작동시키게 됩니다.   지정된 시간(20000ms, 20초)동안 미작동상태에서 작동될 경우, 초기 거품 생성을 위해 3회를 짧게 작동시킨 후 지정된 시간(3000ms, 3초)동안 작동 되도록 프로그램 되었습니다.


재료:
1. 버블건 4,000원 ~ 10,000원 정도 (문방구, 대형할인점)
2. 아두이노(Arduino) 
3. PIR 근적외선 모션센서 
4. 서보모터
5-1. 휴대형 전원 => 9V 배럴잭 + 9V 건전지 (알카라인 고급형)
5-2. 실내형 전원 => 9V 아답터 전원 

( 9V 전지는 알카라인 고급형을 사용하셔야 잘 작동됩니다. 저가 9V 망간전지로는 서보모터 작동이 잘 안되네요)

 

연결법 안내 사진추가(2012.6.10)
안내해드린 모션센서가 5V에서 작동시엔 감이 너무 느려서 답답하며 9V ~12V 전원을 사용해야 정상 작동이 됩니다. 이때 어떻게 연결을 해야하는지 문의가 많으셨는데요...  늦게나마  아래의 사진을 올려드리오니 참고하시기 바랍니다. 아두이노 전원이 9~12V 정전압 전원인경우 아래 그림과 같이 아두이노에 있는 Vin 단자로부터 전원출력이 가능하므로 편리합니다. 별도의 전원을 사용하실때는  Vcc와 GND에 별도전원을 연결하시고  꼭  아두이노+센서+전원의 GND를 공통 함께 연결해주시기 바랍니다. 

 

아두이노에 WaveShield를 얹히면 음악재생기가 됩니다.  여기에 9V 전지등을 연결해주면 곧바로 휴대형이 되는데요, 무공해 에너지를 사용하면 더욱 좋겠죠?!  그래서 건전지 없이 태양전지를 연결하여 구동해 봤습니다.  쨍쨍 비치는 태양에너지를 쓸모있게 활용하는데 태양전지만한게 없겠죠...  날씨가 좋은경우 그늘에서도 문제없이 구동되네요.  생각과 달리 태양전지는 흐린날에도 약간이지만 전기를 생산합니다.  눈으로 한번 보시죠,  여러분의 창작품에도 응용하시면 좋을것 같습니다.

 

 

 

동영상1.음원은 개구리 우는소리로 넣었습니다.  개구리 우는 소리가 제법 큽니다.   확인을 위해 태양전지를 뒤집자 개구리가 울음을 끄치네요 ^^.   다시 태양을 바라보자 소리를 내기 시작합니다.

동영상2. 이제 제법 여름 기운이 느껴집니다.  너무 덥죠!  그늘에서도 작동하는지 테스트 해봤습니다.  잘~ 나오네요..  낮잠잘때 배경음으로 딱 좋을것 같습니다.  공원 밴치등에 불필요한 전력없이 태양전지로 작동되는  자연의 소리를 넣어주면 좋을것 같습니다.

동영상3.공원에서 되돌아 오는길에 자전거 뒷자석에 태양전지를 달고, 달려오면서 음악을 감상해 봤습니다.   제법 좋네요 ^^.
건전지 걱정없고,  스위치도 필요없습니다.  실내에 들어오면 자연히 꺼지고요,  밝은 곳으로 이동하면 다시 자동 재생됩니다.  와우~ Wow!!