로보밥

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