[12호]MP SET(MP3 + HEADSET)
2011 디바이스마트
캡스톤 디자인 공모전 입선작
MP SET(MP3 + HEADSET)
팀명 | 三人三色
참가자 | 인천대학교 전자공학과 김민지, 김소정, 최수지
심사평
본 작품은 주변 소음 중에서 안전과 관련된 자동차 경적과 같은 소리를 감지하여 헤드셋의 볼륨을 조절하여 사용자의 안전을 확보한다는 개념을 가지고 있다. 결론적으로 본 작품은 성공하지 못했다. 그러나 심사위원의 입장에서 성공하지 못한 작품이라고 가치가 없다고 볼 수는 없다. 실제 본 작품이 가지는 메인 컨셉이 쉽게 성공하지 못할 수도 있다는 것을 알고 있었지만, 지원자들이 당시 학부 2학년임을 감안해서 선정된 작품이었다. 실제 본 리포트를 읽어보는 독자들이 어느 정도 실력이 있는 독자들이라면, 이들이 시도하고, 또 실패하고, 다시 시도하는 과정에서 살짝 미소를 지을 수도 혹은 안타까울 수도 있다. 그러나 작품을 만들기 위해 시도하고 분석하는 과정이 학부 2학년(그것도 당시엔 2학년 1학기) 학생들의 수준에서는 상당히 우수하고 참신하다고 심사위원들은 판단했다.
1. 三人三色
三人三色조는 팀명에서 알 수 있듯이 세 명의 팀원으로 구성되어있습니다. 세 명 모두 인천대학교 전자공학과의 ‘MAMA’라는 소모임에 소속된 2학년 여학우들입니다. 디바이스마트의 공모전을 통해 처음으로 캡스톤 디자인을 도전하고 공부중입니다.
三人三色조의 구성원 및 담당분야입니다.
·김민지 – Hardware & Board 개발환경 구성
·김소정 – 음성처리 알고리즘제작 및 수정
·최수지 – 볼륨조절기능Programming
2. MP SET (MP3+HEADSET)
■ MP SET의 개발동기
MP3를 사용하다보면 볼륨조절을 하지 못해 위급상황시 위험을 감지하지 못하는 상황들이 있습니다. 또 headset과 MP3를 동시에 휴대하기 불편한 점이 있기 때문에 이를 개선하기 위해 MP SET을 생각하게 되었습니다.
■ MP SET이란?
MP3와 Headset의 줄임말로, Headset에 MP3 기능을 추가한 것입니다. MP SET의 장점 및 주기능은 Headset 자체에 MP3 기능을 추가하여 이용에 더욱 편리함을 주는 것입니다. 또 음량을 자동으로 줄임으로써 자동차 경적, 경고음 등 갑작스런 위급상황을 알리는 소리를 들을 수 있게 되어 위험을 피할 수 있다는 점이 주된 기능이고 프로젝트 목표입니다.
■ MP SET 프로젝트 과정
위 그림은 ‘MP SET’의 프로그램 동작 과정을 한눈에 알아 볼 수 있도록 그림으로 표현한 것입니다. 이 동작 과정을 순서로 이번 프로젝트를 진행하였습니다.
먼저 간단하게 ‘MP SET’의 동작과정을 설명하면, 마이크를 통해 소리를 받아들이게 됩니다. 계속해서 외부소리가 마이크로 들어오는데 어느 순간 큰 소리가 발생하게 되면 이를 ‘MP SET’이 감지하여 MP3의 볼륨을 낮추게 됩니다.
■ 프로젝트 핵심 문제 & 해결방안
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·MP3에서 어떻게 소리를 받아들일 것인가? ▶ MP3에 마이크를 연결하여 마이크를 통해 소리를 받아들일 것이다. |
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·큰 소리를 어떻게 구분할 것인가? ▶ 연속적으로 들어오는 소리를 Digital 값으로 변환하여 수치적인 값으로 비교하여 구분할 것이다. |
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·볼륨을 어떻게 조절할 것인가? ▶ C언어의 if문, for문 등 컴퓨터 언어를 통해 프로그램을 작성할 것이다. |
3. MP SET 속으로
■ 마이크
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| 프리엠프 내장 콘덴서 마이크(FK648)와 다이나믹 마이크 프리엠프(FK647) | |
마이크의 종류가 매우 적었습니다. FK648, FK647의 각각 제품 설명만을 보고 차이점을 정확히 알 수 없었습니다. 하지만 두 종류 모두 저렴해서 둘 다 사용해보고 더 알맞은 마이크를 결정하기로 하였습니다.
마이크 두 종류를 납땜하고 오실로스코프로 각각 동작을 확인해 보았습니다. 둘 다 마이크에 소리를 입력하기 전과 입력 후의 파형은 차이가 있었으나 소리 폭의 변화가 작았습니다. 데이터 시트와 오실로스코프의 실험결과로 FK648보다 FK647의 증폭정도가 높다는 것을 알았습니다. 들어오는 소리의 증폭을 확실히 하기위해 FK647를 증폭기로 사용하기로 했습니다.
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| 마이크에 소리입력 전 / FK648만 있을 때 / FK647을 증폭기로 사용 후 | ||
■Band Pass Filter
MP SET의 기능에서 특정주파수의 소리를 걸러내는 작업이 필요합니다. 여기서 Band Pass Filter가 필요하여 MAX268BENG+을 선택하였습니다.
마이크로 들어오는 다양한 소리 중 MP SET이 반응해야하는 소리를 구분하기 위해 Band Pass Filter를 사용하기로 했습니다. 특정주파수를 걸러내는 작업을 하기 전 소리를 잘라내는 Band Pass Filter의 동작을 확인하기 위해 데이터시트에서 주어진 두 가지 회로를 실험해보았습니다.
Breadboard에 소자들을 꽂아 오실로스코프의 파형을 살펴보았으나 주파수를 잘라내는 것을 실패하였습니다.
Band Pass Filter의 동작을 실험 하던 중 자동차 경적과 비슷한 주파수 대역을 갖는 소리들이 매우 많음을 알았고 MP3로 소리들을 구분해내기 어려울 것이라 판단하였습니다. 따라서 음량을 자동으로 줄이는 기능이 필요 없는 소리에 반응하지 않게 하기 위해서 주파수가 아닌 큰소리에 반응하는 것으로 기술적인 면을 바꾸었고 때문에 Band Pass Filter가 필요하지 않아졌습니다.
■ OP AMP
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| LM386N-1의 증폭회로를 Bread Board에 배치한 상태 |
특정주파수를 구분하기전 먼저 들어온 소리들을 증폭하는 작업이 필요합니다. 또 Band Pass Filter에서 특정소리를 필터링하면 그 소리를 증폭시키는 일을 하는 OP AMP가 필요하여 LM386N-1을 선택하게 되었습니다.
OP AMP로 신호를 증폭시키는 실험을 직접 하기 전에 OrCAD로 회로를 구성하였습니다. 그 후 Breadboard에 실험하려 했으나 MP3 음량을 자동으로 줄이는 기능이 주파수가 아닌 큰소리에 반응하는 것으로 기술적인 면을 바꾸게 되었습니다. 또한 마이크에서 FK637을 증폭기로 사용하기 때문에 OP AMP를 통한 증폭회로는 필요하지 않아졌습니다.
■ MP3 Board
MY MP3P – AVR MP3 Player
교육용 MP3보드의 종류가 많지 않았지만 이번 프로젝트에서 연습용으로 사용하기에 부담이 적고, 가격도 저렴한 편이어서 이레소프트사의 MY MP3P를 선택하게 되었습니다.
① MP3의 기본소스에서 필요 부분 파악 및 컴파일 방법
주어진 소스를 AVR Studio4로 열게 되면 MP3를 구동하기 위한 여러 가지 Header file과 Source file이 들어있음을 알 수 있습니다. 많은 파일들 중 음량을 줄이는 기능은 주로 Source file의 main.c에서 다루게 됩니다.이번 프로젝트의 목표는 MP3를 만들어 내는 것이 아니라 MP3의 ‘볼륨 자동 조절’기능을 만드는 것입니다. 그렇기 때문에 기본적인 MP3의 동작소스는 이레소프트사에서 주어지는 것을 사용하였고, 여기에’자동 볼륨 조절’기능의 소스를 첨가하였습니다.
main.c에서 void Play_MP3File() 함수를 집중적으로 다루어야 할 것이며, 함수 내부에 있는 KEY_VOL_UP & KEY_VOL_DOWN 또한 살펴보아야 할 부분이 될 것입니다.
< 컴파일 방법 >
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MP3 보드에 소스를 넣기 위해서는 먼저 컴퓨터와 보드가 서로 연결 되어야 합니다.
ISP와 MP3보드의 결선 및 커넥터를 연결하여 사용하게 됩니다.
위의 사진은 컴퓨터와 MP3의 연결모습입니다.
② MP3 Board에 마이크를 연결하고 ADC후 LCD에 그 값을 나타냄
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‘자동 볼륨 조절’을 실행시키기 위해서는 먼저 마이크를 통해 외부의 소리를 받아 MP3로 보내는 작업이 필요합니다. 마이크로 들어온 값(Analogue)을 MP3가 받은 후 Digital값으로 바꾸어야 하는데 여기서 ADC가 필요합니다.
ADC를 사용하기 위해 MP3 AVR128칩의 ADC 0인 61번 핀(F포트)과 제작한 마이크의 Output을 연결하고 보드의 GND와 마이크의 GND를 연결 합니다.
마이크와 보드를 연결한 후 LCD창으로 ADC가 되고 있는지 확인해야합니다. 이때 MP3가 실행되면 LCD창에서 ADC를 확인할 수 없게 됩니다. 그렇기 때문에 MP3기능이 실행되지 않도록 int main()함수 안에서 printFirstScr(), loadSetup(), Dispfiles()를 주석으로 처리합니다.
printFirstScr()은 LCD창에 MP3구동 첫 화면을 띄우게 하고, loadSetup()은 MP3 Play 환경초기화, Dispfiles()는 SD카드안의 메모리를 읽어오는 일을 합니다. 이 세가지 모두 주석 처리후 LCD창에 아무것도 뜨지 않을 때 ADC소스를 첨가하게 되면 ADC 결과를 볼 수 있게 됩니다.
int main() 함수 마지막부분에 ADC를 실행시키는 소스를 추가합니다. 추가한 소스는 앞서 Tester Board로 ADC를 공부했을 때 만들었던 소스에서 PORT만 수정한 것입니다.
소스를 컴파일 한 결과 LCD창에 알 수 없는 문자가 뜨고 ADC 변환 값은 연속적으로 뜨지 않았습니다. ADC의 다음 변환 값을 보려면 Reset버튼을 눌러야만 하는 문제점도 있었습니다.
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| DDRF와 PORTF의 설정 |
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| ADC 변환 값으로 이상한 문자가 뜨는 모습 | |
ADC소스 실험 과정
| ADC를 성공하기까지 수차례의 수정 과정이 있고 다양한 방식으로 도전했던 소스들이 있었습니다. 작은 숫자에도 달라지는 것이 소스이기 때문에 그동안 실패했던 소스들의 수는 매우 많습니다. 그러나 보고서에는 최소 3가지 유형으로만 줄여서 설명하겠습니다. |
□ 실험 1 □
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이 소스는 위에서 말한 ‘Tester Board로 ADC를 공부했을 때 만들었던 소스에서 PORT만 수정한 것’입니다. 여기서 LCD에 출력할 ADC변환 값은 빨간 동그라미로 표시한 변수 a입니다.
위 소스를 MP3에 넣어 실험해본 결과 알 수 없는 문자가 뜨고, 연속적인 값의 변화를 볼 수 없는 등 문제점이 있었습니다. 그 원인이 잘못된 레지스터 설정에 있을 것 같아 빨간 네모박스로 표시한 부분들의 숫자를 바꾸어가며 많은 경우의 수를 실험했습니다. 많은 경우의 수를 바꾸어가며 넣었지만 그 결과는 알 수 없는 문자, 아예 실행이 안되는 것 이 둘 중의 하나였습니다.
□ 실험 2 □
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AVR128의 ADC를 통해 나온 10비트 값을 8비트로 Shift시켜준 뒤, 이 값(a)을 그대로 LCD창에 띄우게 되면 우리가 원하는 16진수로 표현되지 않게 됩니다. 16진수로 값을 보기위해 8비트의 앞자리와 뒷자리를 따로 변수로 받은 뒤 각각 아스키코드화 시킨 후 두변수를 배열로 하나의 16진수 값처럼 보이도록 묶어 표시하기로 하였습니다.
8비트(a)를 각각 AND와 Shift를 통해 i와 j라 지정하고 값을 따로 받게 합니다. i 와 j는 각각 0×0으로 값을 받게 되기 때문에 0~15까지의 값을 갖게 됩니다. 여기서 아스키코드 값을 찾아보게 되면, 16진수의 0 ~ 9, a ~ f로 표현하기 위해서 i와 j의 값은 각각 0×30 ~ 0×39 혹은 0×61 ~ 0×66값을 갖아야 합니다. i와 j가 지금 받고 있는 값은 0×0이기 때문에 범위를 나누어 0~9까지는 0×30을 OR 해주고, 10~15까지는 0×60을 OR 해줍니다. 그리고 배열로 묶어 변수 st라 지정합니다. st값을 LCD로 보내면 LCD창에 Analogue 값의 소리 값이 16진수로 Digital화 되어 표현된 것을 확인할 수 있을 것입니다.
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연산적인 곳에는 큰 문제가 없었고, LCD에 원하는 16진수로 표현됨을 눈으로 확인할 수 있었습니다. 하지만 소리가 Analogue인 만큼 연속적으로 값이 계속 마이크로 들어오게 되는데 LCD창은 처음 보드가 실행되었을 때 받은 값만이 표시될 뿐 연속적인 표현이 되지 않았습니다.
□ 실험 3 □
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LCD에 연속적으로 표현하기 위해 레지스터들의 설정 값을 또 가능한 많은 경우의 수로 고쳐가며 실험해보았습니다. 또한 연산과정 중 고쳐야 할 부분이 있어 수정하고, 연산표현을 간략화 하였습니다. 수많은 수정 끝에 LCD에 연속적인으로 값을 띄우는데 성공하였고 위 소스처럼 최종 ADC 성공 소스를 얻어 낼 수 있었습니다.
③ ‘자동 볼륨 조절’기능
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‘자동 볼륨 조절’기능을 만들기 앞서 보드 회로 중 불편한 점을 하나 개선시켰습니다. 마이크와 MP3보드는 필요한 전원 값이 달라 각각 전원을 주어야 했습니다. 따라서 두 개의 전원공급기가 필요했고, 보드에 연결되는 선도 많아져 불편한 점도 많았습니다. 이런 점은 개선하여 하나의 전원으로 전선 수도 줄이면서 불편함을 개선하기 위해 전원부를 새로 만들게 되었습니다.
새로운 전원부의 오실레이터와 커패시터를 통하여 한쪽은 MP3보드의 전원공급(5V)을 하고 다른 한쪽은 마이크의 전원공급(9V)을 하게됩니다. 이 새로운 전원부에 하나의 전원 (9V)를 공급하게 되면 오실레이터를 통하여 MP3보드로 가는 전원은 5V로 잘려지게 됩니다.
‘자동 볼륨 조절’기능을 실행하기 위해서는 표준 값인 평상시 주변소리의 크기를 알아야 합니다. 앞의 과정에서 마이크로 들어오는 값을 ADC하는 소스를 만들어 놓았기 때문에 이를 이용하여 평상시 주변소리를 측정했습니다. 그 결과 소리는 파동이기 때문에 0a~ff까지 다양한 값이 파동적으로 측정되었습니다.
표준 값을 정할 수 없어 먼저 소리의 크기에 따른 값을 비교하기 위해 마이크에 큰소리를 낸 뒤 그 값이 어떻게 나오는 지를 확인하였습니다. 확인 결과 큰소리가 나면 00 값이 연속적으로 나옴을 확인하였습니다. 이 특징으로 평상시 값과 구분을 할 수 있게 되었습니다. 하지만 조용한 상태에서도 측정해본 결과 평상시 값과 다르지 않아 두 상태에 대해 구분하기에 어려움이 있음을 알게 되었습니다.
처음 이 프로젝트를 계획할 때 ‘자동 볼륨 조절’은 위험한 상황과 공공장소 같은 조용한 상황, 이 두 가지 상황에서 동작하게 구상하였습니다. 하지만 마이크로 직접 소리 값을 측정해본 결과 조용한 상태를 인식할 수 없어 이 기능을 동작시키기 어려울 것 같다는 결론을 얻게 되었습니다.
위험한 상황을 알리는 소리(큰소리)를 듣게 하기위해 큰 소리가 나면 00이 많이 나오는 특징을 이용하여’자동 볼륨 조절’을 실행시키도록 구상하였습니다. 또 MP3보드가 큰소리를 인식했다는 것을 확인하기 위해 LCD 화면에 on이라는 글자가 뜨도록 프로그램을 만들도록 했습니다.
앞에서 먼저 완성한 ADC 소스를 기본으로 큰소리가 났을 때 00이 연속적으로 나오는 특징을 이용하여 ADC값을 10번 받아들일때 7번이상 00이 나오면 그것이 큰소리임을 인식하도록 소스를 작성였습니다. 그리고 그때 LCD에 ‘ON’이라는 글자를 띄워 인식함을 확인하였습니다.
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| MP3보드가 큰소리를 인식하여 ‘ON’을 표시한 모습 |
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큰소리를 인식하는 소스를 이용하여 “ON”을 띄우는 부분만 소리를 줄이는 소스로 수정하면’자동 볼륨 조절’기능이 완성됩니다.
소스를 수정하기 위해 MP3 기본 작동소스 중 소리설정과 관련한 소스를 찾아본 결과 위 쪽 빨간 박스를 참고하기로 했습니다.
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최종적으로 수정한 ‘자동 볼륨 조절’ 기능 소스는 위와 같습니다.
마지막으로 void Play_MP3File() 함수 내부 들어가야 하는 곳을 찾아 소스를 추가 하였습니다. 그리고 처음에 주석 처리한 MP3기능을 실행시키는 부분들의 주석을 풀어 실제로 MP3의 기능을 작동시키고 ‘자동 볼륨 조절’기능이 실행되는지를 확인하였습니다.
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| ‘자동 볼륨 조절’소스가 들어가야 되는 위치 |
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| ‘자동 볼륨 조절’ 소스 ⓐ |
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| ‘자동 볼륨 조절’ 소스 ⓑ |
④ ‘자동 볼륨 조절’ON/OFF 메뉴
사용자가 이 기능의 사용 여부를 결정할 수 있도록 ON/OFF 메뉴를 만들기로 하였습니다. ON/OFF 메뉴를 설정하기 위해 새로운 ‘mode’라는 변수를 만들고 ‘자동 볼륨 조절’ 기능을 if문으로 묶은 뒤 ‘mode = 1′일 때 기능을 사용하고, ‘mode=0′일 때 기능을 사용하지 않도록 소스를 작성하였습니다. 이 ON/OFF 메뉴를 MP3 작동 맨 처음 결정하도록 소스의 위치를 정하였습니다.
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int main() 마지막 부분에 다음과 같은 메뉴설정 소스를 추가합니다. 그리고 아래 그림과 같이 ‘자동 볼륨 조절’소스도 수정합니다.
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⑤ MP SET 동작 모습
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| MP SET 부팅 화면 |
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| 부팅 후 첫 화면으로 MUSIC을 선택하면’자동 볼륨 조절’기능이 실행되지 않은 채 MP3 기능이 작동됩니다.선택하는 스위치는 ①번입니다. |
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| 스위치를 누르면 MP3 폴더목록이 나옵니다. |
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| 부팅 후 첫 화면에서 스위치 ②을 눌러 OPTION을 선택하면 다음과 같은 화면이 나오게 됩니다. 여기서 스위치 ③을 누르게 되면 ON이 선택되어 ‘자동 볼륨 조절’기능이 작동하게 되고 스위치 ④을 누르게 되면 OFF가 선택되어 ‘자동 볼륨 조절’기능이 작동되지 않게 됩니다. |
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| MP3의 노래 재생 동작 모습입니다. |
■PCB제작
MP3 보드의 크기를 줄이기 위해 PCB를 제작하기로 결정하였습니다. 그러기 위해서 먼저 OrCAD로 전체회로를 그리고 PADS에서 부품재배치를 하였습니다.
① OrCAD 파일 전체 모습과 부품별 모습
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② PADS 모습
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③ PCB 납땜과정
제작된 PCB에 납을 묻혀줍니다. PADS와 CAD파일을 비교해보고 위치를 찾아 부품을 올립니다. 가열기에 올려 PCB 판의 납을 녹인 후 핀셋을 이용해 부품을 눌러 고정시켜줍니다. 부품이 손으로 납땜할 수 있는 경우 인두기를 이용하여 납땜해줍니다. 뜨거운 판을 식혀 멀티미터를 이용해 접촉상태를 확인 해 줍니다. 가열을 실패하면 PCB판이 탈 수도 있습니다.
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4. 완성모습
PCB 제작 중 필요한 부품이 한 종류 누락되어 왔었습니다. 재 주문한 결과 조금 늦게 받게 되었습니다. 늦게 도착한 부품을 납땜하고 테스트를 하기에 시간이 많이 모자랐습니다.
PCB 특성상 잦은 실패와 실패한 경우 원인을 찾기도 매우 힘이 듭니다. 완성되지 않았지만 지금까지의 모습을 보여드리겠습니다.
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| PCB 성공 시 작품 완성모습입니다. PCB 제작 시 기본적인 부품크기와 기타 선이 지나가는 자리를 고려하다보니더 이상 작게 축소 할 수 없었습니다. |
PCB 실패 시 연습으로 사용했던 MP3보드 그대로 붙인 상태입니다. |
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5. 제작 그 후
■ 김민지
공부삼아 도전삼아 떨어져도 좋은 공부가 된다 생각해 사실 붙을꺼라 생각도 안한 채 피피티를 보냈다. 쟁쟁하신 분들 사이에서 우리팀이 3팀안에 들었다는 사실에 놀랍고 기쁘기도 했지만 걱정이 되기도 했다. 초반에는 아무것도 모르는 상태라 공부와 함께 프로젝트를 진행하니 진전이 느릴수 밖에 없었다. 방학동안에도 학교에 나오며 많은 선배분들께 조언과 도움을 구하며 민폐덩어리가 되기도 했다. 그러면서 느리게나마 프로젝트는 진행되었고 여기까지 왔다. 비록…우리의 미천한 실력과 능력으로 인해 진행속도도 느리고 부족한 점도 많지만 여기까지 온 것만으로도 참으로 모두에게 감사드리고 고맙다. 이번 프로젝트로 진로에 대해서도 많은 생각을 하게 되었고 학습적인 부분과 그 외 부분들에서도 많은 것을 느끼게 되었다.
■ 김소정
처음 해보는 프로젝트여서 기대 반 걱정 반으로 시작하였습니다. 아이들과 모여 아이디어 회의도 해보고 나온 것이 이 mp set이였습니다. 막상 프로젝트를 시작해보니 처음부터 막혀 막막하기도 하고 모르는 부분은 도움을 받아가며 해결해나갔습니다. 한걸음 한걸음씩 나아가다보니 이렇게 끝이 왔네요. 특히 소스 짤 때는 어디부분이 잘못됐는지 또는 어느 부분에 추가해야하는지를 모르기 때문에 이것저것 시도도 많이 해보고 이곳저곳에도 많이 추가해보고.. 보고서엔 그런 과정들까진 나오진 않았지만 정말 맘고생이 많았던 부분이었습니다. 그리고 처음 낸 아이디어처럼 완벽하게 되지 않아 많이 아쉽습니다. 노력 한다고 했는데 결과를 보니 아무것도 없어보여서 아쉽네요. 이번 프로젝트가 이제 막 시작하는 저에게 큰 도움이 된 것 같습니다.
■ 최수지
학과 관련한 프로젝트에 참여해보는 것도 좋을 것 같다는 생각을 할 때쯤 디바이스마트 공모전을 알게 되었습니다. 처음이지만 이번 공모전이 기회라 생각되어 도전정신으로 프로젝트를 시작하게 되었습니다. 이제 막 전공과목도 접하게 되었고, 아는 것이 하나도 없는 무지한 상태여서 인지 프로젝트의 과정 하나 하나가 어려움의 연속이었습니다. 좌절도 많이 했고 답답함에 속앓이도 많이 했습니다. 또 팀장이라는 이름을 달고 있지만 팀장으로서 더 잘하는 것도, 팀원을 이끌어 나가는 것도 제대로 해낸 것 하나 없었습니다. 하지만 작은 것 하나를 이루었을 때의 성취감은 말로 할 수 없을 만큼 큰 기쁨이었습니다. 서툴고 모자란, 또 완벽하게 이루진 못했지만 이번 프로젝트는 많은 것을 느끼게 해줬고 경험하게 했습니다.
[12호]AUTOMATION WORLD 2012
AUTOMATION WORLD 2012
글 | 이원영 richard@ntrex.co.kr
아시아 최대 산업자동화 전시회 ‘오토메이션월드2012’가 4월 3일에서 6일까지 코엑스에서 열렸다. 이번 오토메이션월드는 제23회 국제 공장 및 공정 자동화전(aimex 2012), 제5회 국제 빌딩 자동화전(IBS 2012), 제1회 한국 머신 비전 산업전(Korea Vision Show)과 동시에 열렸다. 3개의 전시회가 동시에 열렸던 만큼 350여개 참여 업체, 3만 여명이 관람한 대규모의 전시회였다.
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“온도조절기 세대교체”를 슬로건으로 내세운 오토닉스와
디바이스마트에서 판매중인 오토닉스의 포토센서와 근접센서의 사용의 예
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한영넉스의 LED싸인타워와 다양한 산업용 스위치
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LS메카피온에서 선보인 모터 컨트롤러
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국내 모터회사인 GGM의 DC모터 및 감속기
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여성 댄싱팀과 아이패드 증정 이벤트로 인산인해를 이룬 ㈜케이디티시스템즈(CIMON)
오토메이션월드에 참석한 다수의 로봇업체들
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회로 및 기판 검사장치
본 기자는 첫날 개장과 동시에 참관을 해서인지 관람객보다는 전시회에 참여한 업체의 직원들이 더욱 많았으며, 전반적으로 특색있는 제품군들보다는 대기업들의 토탈 제품군들이 더욱 눈길을 끌고 있었다. 또한 모터나 드라이버 같은 기본 장비들을 제조하는 업체가 눈에 많이 띄지 않았다는 점이 작년 전시회와 비교되는 점이었다.
내년에는 또 다양한 기업들의 어떠한 제품들이 참여할지 기대하며, ‘오토메이션월드 2012’의 참관을 마무리 한다.
[11호]이벤트방식으로 구현하는 시퀀스 자동화 제어시스템
이벤트방식으로 구현하는
시퀀스 자동화 제어시스템
글 : 이지컨트롤 이중우 대표
■ 시작하면서…
하나의 자동화 시스템을 구현하는 것은 생각보다 쉽지 않습니다. 일단 자동화 시스템을 구성하는 기계시스템에 대한 이해가 필요하고 기계시스템을 지능적으로 구동하기 위하여 전자적 제어시스템을 구성하여야 합니다. 그러나, 현대의 제어시스템은 기능적 가격적 장점으로 인하여 마이컴이 내장된 프로그램 가능한 제어시스템을 사용하는 경우가 대부분입니다. 현장 엔지니어들이 매우 어려워 하는 부분중 하나는 제어시스템을 동작하기 위한 제어용 프로그램을 작성하는 부분일 것입니다. 본고에서는 제어시스템의 프로그래밍에 대한 여러가지 방식을 비교하고, 실제 생산라인에서 사용될 수 있는 자동 부품분류용 시퀀스 제어시스템을 구성하는 예제를 통하여 이벤트방식으로 제어프로그램을 작성하는 편리함을 살펴보겠습니다.
■ 시퀀스 제어시스템
아마도 현장에서 가장 많이 사용되고 있는 시퀀스 제어용 컨트롤러는 PLC일 것입니다. 그래서 자동화에 관련된 실무위주 교육을 하고 있는 이공계학과 중 상당수가 PLC를 사용하여 학생들에게 시퀀스제어를 실습하고 있습니다. 릴레이를 사용한 시퀀스 제어반을 대체하기 위하여 GM사에서 시작된 PLC는 단위기능을 가진 모듈들을 연결하여 큰 시스템을 구성할 수 있는 시스템 빌드업이 가능하고, 그래픽 심볼을 사용한 프로그래밍 방식인 래더다이어그램도 많은 단점에도 불구하고 간편한 사용법으로 인하여 널리 사용되고 있습니다.
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| 릴레이 제어반 | PLC | 래더다이어그램 |
또한 우리나라에서는 보급이 느리지만 필드버스도 세계적으로는 많이 사용되고 있습니다. 대표적인 제품으로는 Profibus, ControlNet, WorldFip, P-Net, InterBus, Ethernet-IP, DeviceNet, CAN Open, CAN Kingdom, ADS-Net, FL-Net 등이 있습니다. 필드버스는 특히 CAN, RS-485, Ethernet 과 같은 통신을 이용하여 수Km의 장거리까지 모듈을 연결할 수 있어 생산현장 전체를 묶을 수 있는 장점이 있습니다.
■ 실시간 OS, RTOS
이러한 우수한 제어시스템들이 있음에도 불구하고 많은 엔지니어들은 마이컴이 장착된 보드에 커넥터를 연결하고 C언어로 프로그램을 작성하는 어려움(?)을 마다하지 않습니다. 그 이유는 아마도 PLC나 필드버스와 같은 제어시스템이 만족시킬 수 없는 가격과 성능 및 확장의 문제 등에서 찾아볼 수 있을 것입니다. 스위치 3개와 릴레이 2개를 동작시키기 위하여 PLC의 전원모듈, CPU모듈, 입력모듈, 릴레이모듈, 베이스모듈을 구입하는 것은 현실적이지 않기 때문입니다. 실제 PLC 응용의 80%는 이런 단순한 시퀀스제어를 위하여 사용된다고 하니 엄청난 손실이 아닐 수 없습니다. 그렇다고 기성품을 사용하는 대신 직접 실제로 마이컴에 프로그램을 작성하기 위하여는 여러가지 어려움을 감수해야만 합니다. 단순히 스위치와 릴레이의 온오프라면 그리 어렵지 않겠지만, 스위치가 온이 된 시간을 측정하기 위하여 타이머를 사용하고, 전압을 측정하기 위하여 A/D 변환을 하는 등의 문제는 개발자에게는 문제되지 않겠지만, 현장에서 즉시 적용해야하는 어플리케이션 엔지니어의 입장에서는 결코 간단한 문제가 아닙니다. 더욱이, 여러개의 작업을 동시에 구동해야 한다든가, 유지보수의 편의성도 갖추어야 한다면 단순히 C언어로 프로그램을 작성하는 수준을 벗어난 복잡한 작업이 될 수 있습니다. 그래서 엔지니어는 구현하고자 하는 문제를 단순화 시켜주고 유지보수도 간편하게 할 수 있을 것으로 기대하면서 RTOS(Real Time OS, 실시간OS)를 적용하는 것을 검토하기 시작합니다. 여기서는 필자가 경험한 내용을 위주로 기술하겠습니다. 매우 주관적인 판단일 수 있습니다. 누구나 그러하듯이 필자도 처음에는 C언어 만을 사용하여 프로그램을 작성하였습니다. 처음에는 그리 어려움이 없었습니다만, 프로그램이 복잡해 지면서 각 기능들 사이에 상호간섭이 발생하기 시작하면서 복잡도가 기하급수적으로 증가하여 한계에 달하였습니다. 그래서 RTOS의 적용을 검토하기 시작하였습니다. 실제 RTOS를 사용하면서 느낀점을 솔직하게 기술하면 다음과 같습니다.
● 복잡한 작업을 여러 개의 단순한 태스크(Task, 실행단위)로 나누어 작성할 수 있어 구현의 복잡도가 줄어들어 편리했다. 태스크간의 전환속도가 빨라서 추가적 지연시간에 신경쓰지 않아도 된다.
● 실시간OS란 하나의 태스크가 실행중에도 우선순위가 더 높은 태스크가 가로채어 실행할 수 있는 것이 가장 큰 특징이다. 그런데, 실제 응용에서 이런 실시간이 매우 중요한 경우는 그리 많지 않았다.
● 세마포어, 동기화, 파이프, 이벤트, 시그널, 조건변수, 메시지큐, 뮤텍스 등등. 공부할 게 너무 많았다.
● 우선순위 역전, 데드락 문제등은 언제 발생할지 예측하기도 어려웠다.
● 사용하는 마이컴에 포팅해야 한다. 처음에는 애를 많이 먹는다.
● 무엇보다도 PC에서 프로그래밍하는 이벤트방식과 달라서 새로 공부해야 한다.
물론 위와 같은 어려움에도 불구하고 핸드폰과 같은 복잡한 응용에서는 RTOS를 사용해야 하겠지만, 시퀀스제어를 하는 엔지니어에게 RTOS보다 간편한 방법은 없을까 고민을 하게 되었습니다.
■ 유한상태기계, FSM
이후 필자는 UML 방법론에도 포함되어 있는 유한상태도(FSM, Finite State Machine)를 사용하여 임베디드 프로그램을 작성하는 방법론에 푹 빠져 몇년을 보냈습니다. (http://www.state-machine.com 참고)
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| 시한폭탄의 상태도 |
프로그램의 구조를 사각형으로 표현되는 상태(State)와 화살표로 표현되는 천이(Transition)라는 그림으로 나타낼 수 있다는 점이 너무나 매혹적이었습니다. 이것은 프로그램의 동작에 오류가 있는지를 검증하는 좋은 수단이 될 뿐만아니라 가장 좋은 문서화 수단이기도 하기 때문에 임베디드 프로그램을 작성하기에 매우 좋은 수단으로 생각되었습니다. 그래서 실제로 유한상태도를 동작시키는 OS를 직접 설계하고 구현하기도 하였습니다만 지금은 사용하지 않고 영구보관(?)중에 있습니다.
● 프로그램을 상태로 나누므로 단순화 되고, 읽기 좋은 문서화 수단이 되었다.
● 상태는 RTOS의 태스크와 비슷(?)한데, RTOS에서 태스크 간의 전환은 빠르게 이루어 지지만, FSM에서 상태간의 천이는 트리탐색의 문제가 되어 시간이 꽤 소요되었다.
● 무엇보다 어려운 점은 구현하고자 하는 알고리즘을 상태도로 표현해야 하는데, 상태도를 해석하기는 매우 쉽지만, 작성하기는 결코 쉽지 않았다.
■ 이벤트방식, Event Driven Programming
위에서 언급한 바와 같은 여러 과정을 거쳐 현재 필자가 사용하는 방식은 이벤트 기반(Event Driven) 프로그래밍 방식을 사용하고 있습니다. PC에서 프로그램을 작성해 보신 분들은 누구나 이방식을 사용하여 아래와 같은 이벤트핸들러(이벤트 발생시 실행할 내용을 기술한 함수)를 작성한 경험이 있으리라 생각됩니다. void button_Click( object sender, EventArgs e ) { // 실행할 내용을 프로그램으로 작성한다. } 즉, button이 마우스에 의해 Click될 때 실행하고자 하는 내용을 여기에 작성하면 됩니다. 이때 마우스로 버튼을 클릭한 사건을 이벤트(Event)라 하고, 이벤트를 중심으로 프로그램을 작성하는 방식을 이벤트기반 프로그래밍이라 합니다. 이는 매우 직관적이고 이해하기 쉬워서 그래픽 기반(GUI)으로 동작하는 컴퓨터에서 사용하기에 매우 적합한 방식입니다.
● 인간의 사고와 동일한 직관적 구조이므로 동작의 구현 및 이해가 매우 쉽다.예를 들면, SW1=ON 이벤트 발생시 RELAY1=ON으로 하라.
● 복잡한 프로그램이 이벤트단위로 분해되어 구현하려는 문제가 단순화 된다.
● PC에서와 동일한 방법을 사용하므로 일관성 있는 개발이 가능하고, 별도의 학습이 필요없이 즉시 적용할 수 있다.
● 이벤트핸들러는 일종의 함수포인터이고 별도의 호출과정 없이 즉시 실행되므로, RTOS의 태스크전환이나 상태도의 천이속도에 비하여 빠른 실행이 가능하다.
이와 같은 매우 큰 장점이 있지만, 반면 단점도 있습니다.
● 우선순위의 개념이 없으므로 이벤트핸들러에서 오랜동안 CPU를 점유하면, 긴급한 이벤트를 제때 처리하지 못하므로, 완전한 실시간성을 구현할 수는 없다.
● 이벤트가 너무 자주 발생하면 성능이 저하될 수 있다.
즉, 이벤트핸들러에서 매우 복잡한 이미지 처리를 한다면, 긴급한 이벤트가 실행되지 못하고 대기하게 될 것이다. 대부분의 경우 시퀀스 제어시스템에서 그런 복잡한 처리를 할 일은 거의 없지만, 만일 그런 경우라면 이벤트 핸들러를 단순하게 작성하는 방법을 강구하는 것이 좋습니다. 그리고, 이벤트 발생횟수는 구현하고자 하는 내용에 따라서 매우 빈번할 수도 있습니다. 마우스 하나만 예로 들어도 마우스의 클릭, 더블클릭, 이동, 드래그 등등 매우 많은 이벤트가 있습니다. 고속 CPU를 사용하는 컴퓨터에서는 문제가 없지만, 대부분의 경우 저속 CPU를 사용하는 임베디드 시스템의 경우 컴퓨터에서 처럼 이벤트를 그대로 사용할 수는 없습니다. 그래서 이벤트 구조와 개념을 일부 변경하여 발생횟수를 최소화 하여 사용하고 있습니다.
■ 이지컨트롤러
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이지컨트롤러의 하드웨어적인 구조는 PLC와 필드버스의 장점을 모방하였습니다. 각각의 모듈은 빌드업이 가능한 모듈러한 구조로 되어 있어 기능확장이 쉬우며, PLC의 베이스모듈을 저가의 플랫케이블로 대체하여 그림처럼 각 모듈의 20핀 버스커넥터를 연결합니다. 이 버스케이블에는 I2C 통신선이 있어 각 모듈을 1Mbps의 고속 통신으로 연결하고, 또한 5V, 24V, GND 전원선이 포함되어 있어서 각 모듈에 별도의 전원을 공급할 필요가 없습니다. 플랫케이블은 필드버스처럼 수킬로미터까지 확장할 수는 없지만, 수십미터까지 확장이 가능하여 그림처럼 쌓아서 배치할 수도 있고 펼칠 수도 있으며 먼 거리에 떨어져서 설치할 수도 있으므로 PLC에 비하여 설치가 매우 편리합니다.
전면의 IO 커넥터는 스크류타입으로 배선을 드라이버로 고정시켜 간편하게 연결할 수 있으며, DINKLE의 결합식 터미널블럭을 사용하여 모듈의 교체시에도 별도의 배선분리를 하지 않아도 되도록 하였으며, 후면에는 24핀 확장커넥터가 있어서 마이컴의 여분의 입출력 핀과 전원 및 통신선이 연결되어 있어 사용자의 회로를 추가하거나 프로그램 디버깅용으로 사용할 수 있도록 하였습니다. IO커넥터의 아래에는 동작표시 LED가 있어서 스위치나 릴레이 등의 IO가 동작하면 그 상태를 표시하므로 배선오류나 동작여부를 쉽게 확인할 수 있습니다. 각 모듈의 기본치수는 PCB기준 50x55mm로 매우 컴팩트하여 장치에 내장하기 적합하고, PCB지지대의 간격은 40mm로 50x50MM DC팬을 사용하면 PCB지지대에 고정할 수 있도록 맞추어져 있습니다. 각 모듈은 저전력 마이컴을 내장하여 릴레이구동과 같은 IO를 제외하면, LED도 저전력 타입을 사용하므로 모듈자체의 구동전력은 수mA 정도로 매우 작게 설계되어 배터리로 구동하거나 태양전지를 사용하는 경우도 사용이 가능하도록 하였습니다.
각 모듈은 내부 구성이 조금씩 차이가 있지만, 기본적인 구성은 비슷합니다. DIO모듈(Digital Input Output)의 경우 그림과 같이 IO커넥터, 버스커넥터, 확장커넥터가 있으며, LPC1114 ARM CORTEX-M0 32BIT 48MHz 마이컴을 사용하고 있으며, 내부에 EEPROM이 있어서 펌웨어를 새로 다운로드하지 않고도 모듈ID, 교정값등의 일부기능을 위한 설정을 변경할 수 있습니다.
버스커넥터로부터 VAA=5V를 공급받아 내부로직을 위한 VCC=3.3V 전원으로 변경하며 VBB=24V를 공급받아 DC-DC에서 VDC=2~20V의 가변 전원을 생성하여 IO커넥터로 출력합니다. 특히 VDC는 스위치나 센서와 같은 외부 장치가 약간의 동작전원을 필요로 한다면 PLC처럼 별도의 외부전원을 설치하지 않아도 이 전원으로 대치할 수 있으므로 매우 편리하게 사용할 수 있습니다. 그외에 스위치, 릴레이, 모터, A/D, D/A 등과 같은 모듈별로 고유의 입출력 인터페이스 회로부로 구성되어 있습니다.
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| CoIDE 개발환경에서 ColinkEx SWD 디버거를 이용한 디버깅 화면 |
■ 소프트웨어 개발환경
이지컨트롤러의 개발환경은 www.CooCox.org에서 제공하는 무료개발툴인 CoIDE와 오픈소스 GCC를 이용하는데, 이클립스 기반이므로 매우 편리한 코드편집과 디버깅환경을 제공합니다. 이지컨트롤러의 소프트웨어 개발환경의 가장 큰 특징은 이벤트기반의 프로그래밍을 가능하도록 지원하는 EventBus라는 프레임워크 라이브러리 입니다. EventBus는 C/C# 두가지 버전으로 제공되는데, C 버전은 모듈에 펌웨어를 작성할 때 사용되는데, 이벤트기반 프로그래밍이 가능하도록 지원하고, 사용자가 여러 모듈을 I2C통신으로 연결하였다는 사실을 의식하지 않고 프로그램을 작성할 수 있도록 도와줍니다. 또한 C# 버전은 버스케이블로 연결된 모듈들을 컴퓨터에 연결할 때 사용되는데, C#으로 작성된 닷넷 라이브러리로써 USB 케이블을 통하여 컴퓨터와 모듈을 연결하면 닷넷 환경에서 모듈들을 제어하는 응용프로그램을 작성할 수 있도록 도와줍니다. 이를 이용하면 스위치, 릴레이, 전압등 모듈의 입출력을 읽어 화면에 표시하거나, 화면의 체크박스를 클릭하여 모듈의 릴레이를 동작시키는 것이 가능하고, 전압을 읽어 화면에 그래프로 표시하는 작업을 매우 간단하게 처리할 수 있습니다. 물론 EventBus 프레임워크를 사용하지 않고 기존의 방식처럼 프로그램을 작성할 수도 있습니다만, 생산성이 매우 차이가 나므로 반드시 EventBus 프레임워크를 사용하기를 권장합니다. 이지컨트롤러의 펌웨어는 EventBus + I/O Driver + Application 으로 구성됩니다. EventBus는 앞에서 언급하였듯이 이벤트기반 프로그래밍을 지원하고, 모듈과 모듈사이 그리고 모듈과 컴퓨터 사이의 연결을 담당하여 사용자가 마치 하나의 모듈에서 프로그램을 작성하는 것처럼 느끼도록 합니다. 그리고 I/O Driver는 순수 C코드로 하드웨어에 관련된 코드입니다. 기본적으로 소스가 제공되지만, 사용자의 고유한 기능을 구현하기 위하여 수정이 가능하도록 완전히 공개되어 있습니다. Application은 실제 구현하고자 하는 프로그램으로 마치 윈도우 폼 프로그램의 이벤트 핸들러와 매우 흡사하여 사용자는 PC에서 프로그램을 작성하는 느낌으로 거부감 없이 개발할 수 있습니다.
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| 비주얼스튜디오에서 EventBus C# 프레임워크를 사용한 개발화면 |
■ 펌웨어 프로그래밍
이지컨트롤러를 이용하여 그림과 같이 입고부품을 치수별로 분류하는 공장자동화용 시퀀스제어 시스템을 구현하겠습니다.
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시스템에는 컨베이어 벨트와 벨트를 구동하는 DC모터가 있으며, 모터를 온오프시켜 컨베이어 벨트를 회전/정지 시킬 수 있는 두개의 스위치가 있습니다. 그리고, 세개의 실린더와 각 실린더마다 부품의 높이를 검출하는 센서 S1, S2, S3가 있습니다. 오른쪽 시퀀스도는 센서 S1, S2, S3가 동작하면 릴레이 K1, K2, K3가 동작하고, 솔레노이드 밸브 1M, 2M, 3M에 전류가 공급되어 해당하는 공압밸브가 동작하여 실린더가 구동되도록 설계되어 있습니다. 도면에서는 센서 S1이 부품을 검출하였고 릴레이 K1을 통하여 솔레노이드 밸브 1M이 동작하였으며, 밸브에 연결된 High 실린더가 동작하였습니다. 가장 오른쪽에 설치된 센서 S1은 50mm, 가운데의 S2는 40mm, 왼쪽의 S3는 30mm의 높이에 설치되어 있어서, High 실린더는 50mm이상의 부품을 선택하고, Medium 실린더는 40mm ~ 50mm 사이의 부품을 선택하고, Low 실린더는 30mm ~ 40mm 사이의 부품을 선택합니다. 선택되지 않은 30mm 이하의 낮은 부품은 불량이므로 선택되지 않고 그대로 배출됩니다. 위의 릴레이로 구성된 시퀀스 제어시스템을 이지컨트롤러를 사용하여 구현하기 위하여 필요한 입출력으로 분류하면, 3개의 센서 입력을 위한 스위치 접점입력 3개, 솔레노이드 밸브를 구동하기 위한 릴레이 출력 3개, 컨베이어 벨트 구동용 DC모터를 위한 릴레이 출력 1개, 컨베이어 벨트를 온오프시키기 위한 버튼입력용 스위치 접점입력 2개가 필요합니다.
즉, 온오프 접점용 입력 5개와 릴레이 출력 4개가 필요하므로, 온오프 접점 10개를 입력받을 수 있는 DIM(Digital Input Module) 모듈과 릴레이 출력 6개를 내장한 DOM(Digital Output Module) 모듈을 사용하고, 전원공급을 위하여 PSM(Power Supply Module)모듈을 사용하여 시스템을 구성하였습니다.
DIM 모듈의 스위치 입력은 싱크(Sink) 타입이므로 외부에서 전류를 공급할 때 동작을 인식합니다. 그림에서 보듯이 DIM 모듈에는 VDC 가변출력전원(포텐쇼미터로 조정)이 내장되어 있으므로 PLC에서 처럼 외부전원이 없어도 센서에 편리하게 전원을 공급할 수 있습니다. 또한 싱크타입이므로 광전스위치의 PNP출력타입이 적합합니다. 요즘 시판되는 센서는 대부분 NPN, PNP를 선택할 수 있도록 선택스위치가 제공됩니다. 이경우 PNP로 선택해야 합니다.
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| PNP출력 광전스위치 회로와 DIM 모듈의 배선도 |
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| DOM 모듈의 배선도 |
솔레노이드와 DC모터는 수암페어 이상의 전류를 흘려야 하므로 VDC로는 전류용량이 부족하므로 외부에 SMPS를 추가하였습니다. 위와 같이 배선하면 하드웨어적인 시스템 구성은 완성되었습니다.
이제 프로그램을 개발할 개발환경을 설치해야 합니다. 이지컨트롤 카페(cafe.naver.com/easycontrol)를 방문하면 CoIDE를 설치하는 방법 및 EventBus 프레임워크를 다운로드할 수 있도록 자세한 설명이 있으므로, 지면 관계상 여기에서는 생략하도록 하겠습니다. CoIDE에서 컴파일을 마치면 프로그램을 모듈에 다운로드하고 디버깅하기 위하여 SWD 디버거인 ColinkEx를 사용합니다. ColinkEx에는 추가적으로 CP2102가 내장되어 있으므로 PC에서 가상 COM포트로 인식되어 디버깅 및 모듈-PC간 통신에 사용됩니다. 이지컨트롤러에서 모듈과 PC를 USB로 연결하는 방법은 ColinkEx의 COM포트, UUB모듈, USB모듈을 사용하는 3가지 입니다.
프로그램을 작성하기 위하여 별도의 프로젝트를 생성할 필요는 없습니다. 제공되는 예제를 복사해서 새로운 응용프로그램을 작성하면 됩니다. 각각의 모듈에는 미리 EventBus 프레임워크가 다운로드되어 있으므로 버스케이블만 연결하면 모든 모듈은 통신으로 연결된 상태가 됩니다. 이제 우리가 프로그램하고자 하는 모듈에만 프로그램을 작성하면 됩니다. 심지어 모듈은 그대로 두고 컴퓨터에서 응용프로그램만 작성하여도 동작시킬 수 있지만, 여기서는 모듈에서 동작하는 펌웨어를 작성하겠습니다. 어느 모듈에 프로그램을 작성해도 상관없지만, 우리는 DIM모듈은 그대로 두고 DOM모듈에 프로그램을 작성하겠습니다. 일반적으로 출력이 있는 모듈에서 프로그램을 작성하는 것이 여러모로 유리합니다.
Project 뷰에는 응용프로그램이 있는 Application 폴더, 하드웨어 구동을 위한 드라이버 프로그램이 있는 Driver 폴더, EventBus 프레임워크에 대한 헤더파일이 있는 EventBus 링크폴더가 있으며 여타의 설정파일들이 있습니다. EventBus 프레임워크는 라이브러리 형태로 제공되지만 사용자의 프로젝트에 필요한 모든 드라이버 파일의 소스가 완전히 제공되므로 구현이 매우 용이합니다.
Application\default에는 모듈 출고시 기본으로 다운로드된 프로그램의 소스파일이 있고, Application\exam에는 다양한 예제 프로그램이 제공됩니다. 우리가 작성할 응용프로그램을 저장하기 위하여 myproj 폴더를 생성하고 “dom_def.*”를 복사하여 “my_dom.*”로 이름을 변경합니다. Application 폴더에는 많은 응용프로그램이 있으므로 우리가 컴파일할 응용프로그램을 “ezconfig.h”에서 선택해 주어야 합니다. 응용프로그램의 헤더파일 “my_dom.h”을 인크루드시키면 새로 복사해서 만든 응용프로그램이 선택됩니다.
| ezconfig.h // 프로그램 선택 #include “my_dom.h” |
다음으로 선택된 “my_dom.h” 파일에서 DOM_DRV1 선언으로 드라이브 파일 “dom_drv1.c”을 선택하고, MY_DOM 선언으로 “my_dom.c”를 선택합니다. 이제 드라이버 파일은 “dom_drv1.c”, 어플리케이션 파일은 “my_dom.c”를 선택하였습니다.
| Application\myproj\my_dom.h // select the Driver program #define DOM_DRV1// select the Application program #define MY_DOM// Set the ID of the module to reference typedef enum { GCALL = 0, THIS = 0,// module alias to reference ID_DIM1 = 3,// Do not change from here END_OF_MODULE, ID_PC = 120 } EID; |
이제 “my_dom.c”를 수정하여 프로젝트를 완성하겠습니다. “#ifdef DOM_DEF”를 “#ifdef MY_DOM”으로 수정하면 코드는 활성화 되지만, F7키를 눌러 프로젝트를 빌드하면 에러가 발생합니다. 이유는 우리가 새로 생성한 Application\myproj 폴더를 등록하지 않았기 때문에 컴파일러가 파일의 위치를 찾지 못해서 발생하는 에러입니다. “build.xml” 파일을 열고 “Include paths”에서 “Add”를 선택하고 “Workspace”에서 우리가 추가한 “Application\myproj”를 선택합니다.
이제 다시 F7키로 빌드하면 그림처럼 성공적으로 빌드가 됩니다. EventBus 프레임워크의 코드사이즈는 10KB도 채 되지 않는 매우 컴팩트한 사이즈입니다.
이제 컨베이어 벨트를 제어하는 시퀀스 프로그램을 작성하겠습니다. 코드와 주석만으로 충분히 이해할 수 있겠지만, 약간의 설명을 덧붙이겠습니다. DIM모듈의 스위치 입력상태를 읽어야 하므로 모듈을 선언하고 생성하였습니다. 이렇게 선언함으로써 이지컨트롤러의 여러 모듈들은 서로의 입출력 데이터를 읽고 쓸 수 있습니다.
| Start_EventHandler, End_EventHandler는 이벤트핸들러의 앞,뒤에 위치하며, 이벤트 메시지루프의 시작과 종료에 관련된 처리를 하는 무한루프 매크로입니다. “eventbus.h”를 참고해 주십시오. |
프로젝트가 간단하므로 이벤트핸들러를 한개만 추가하였습니다. 즉, dim의 입력이 변하는 이벤트(IN_CHANGED)가 발생하면 실행할 내용을 기술합니다. Event( )는 매크로함수입니다. 스위치 상태를 릴레이에 대입하였으므로 센서가 부품을 감지하여 스위치 입력이 들어오면 릴레이도 동작하게 되고 실린더가 동작하게 됩니다. 컨베이어를 움직이는 DC모터는 Stop 버튼을 누르면 Start 버튼의 상태와 무관하게 무조건 정지하며, Start 버튼은 단독으로 눌러야만 회전합니다. 아무런 스위치도 누르지 않으면 이전 상태를 유지하게 됩니다.
| Button_Start | Button_Stop | Conveyer |
| OFF | OFF | 이전상태 유지 |
| ON | OFF | ON, 회전 |
| OFF | ON | OFF, 정지 |
| ON | ON | OFF, 정지 |
이제 펌웨어 작성을 마쳤습니다. 관심있게 보아야 할 부분은 펌웨어를 작성하는 과정에서 하드웨어적인 내용에 대하여는 전혀 언급하지 않았다는 점입니다. 펌웨어 작성에서 일반적으로 볼 수 있는 GPIO 초기화나 세팅등을 몰라도 펌웨어를 작성할 수 있다는 점입니다. 물론 그러한 드라이버 프로그래밍이 가능한 고급사용자들은 자신만의 기능을 추가적으로 구현할 수 있습니다. 펌웨어만으로도 시퀀스제어 시스템은 잘 동작합니다. 그러나, 컴퓨터에서 제어시스템의 동작을 모니터링 하거나 제어할 수 있다면 더욱 다양한 기능을 구현할 수 있을 것입니다.
■ PC 응용프로그램
Visual Studio 2008에서 C#으로 프로그램을 작성하도록 하겠습니다. 앞에서 언급하였듯이 EventBus_C# 버전 라이브러리를 사용하면 앞에서 구현한 모듈을 매우 쉽게 컴퓨터와 연결할 수 있습니다. 파일>새로만들기>프로젝트(Ctrl+Shift+N) 메뉴를 선택합니다. 
프로젝트 이름을 MyProj 라고 입력합니다.
참조추가에서 다운받은 EventBus_C# 라이브러리인 EventBus.DLL과 닷넷라이브러리인System.management를 추가합니다. 추가된 참조 EventBus를 더블클릭하면 개체브라우저가 열리는데 여기서 EventBus에서 지원하는 여러가지 클래스와 멤버들을 확인할 수 있습니다. 
이제 폼에 연결된 장치에 해당하는 콤포넌트를 배치하겠습니다. 센서와 스위치는 입력장치이므로 사용자가 상태를 변경하는 것이 무의미하므로 Enabled 속성을 False로 합니다. 실제 센서 또는 스위치의 입력이 변하면 그 상태가 체크박스에 표시되도록 하겠습니다. 실린더와 컨베이어 모터는 출력장치이므로 펌웨어에서 이미 제어하고 있지만, 여기서도 체크박스를 클릭하면 실린더 또는 모터를 회전시킬 수 있도록 하겠습니다. 그래픽적으로 실제 실린더를 동작하도록 프로그램한다면 멋진 인터페이스를 구현할 수 있을 것입니다. 특히 산업용 모니터링 장치나 티칭패널의 경우 매우 유용한 인터페이스가 됩니다.
이제 코드를 작성하겠습니다. 메뉴에서 보기>코드(Ctrl+Alt+0) 를 선택하고 코드를 입력합니다.
| Form1.cs using System; using System.Collections.Generic; using System.ComponentModel; using System.Data; using System.Drawing; using System.Linq; using System.Text; using System.Windows.Forms;using EventBus; // EventBus 라이브러리 사용선언 using System.Management; // 가상COM포트 자동인식에 필요namespace MyProj { public partial class Form1 : Form { Serial com; // 가상 COM포트 CDIM dim; // DIM 모듈 이미지 CDOM dom; // DOM 모듈 이미지 public Form1() { InitializeComponent(); CheckForIllegalCrossThreadCalls = false;//크로스 스레드 검사 중지 com = new Serial(); dim = new CDIM((byte)EID.MyDim, com); dom = new CDOM((byte)EID.MyDom, com); } }public enum EID : byte { GCALL = 0, THIS = 0,// 어플에서 참조할 모듈 정의 MyDim = 3, // DIM 모듈 ID MyDom = 5, // DOM 모듈 IDEND_OF_MODULE, PC = MType.PC } } |
라이브러리를 선언하고, 통신연결을 위한 가상COM포트와 이벤트교환을 위하여 DIM, DOM모듈의 이미지도 선언하고 생성했습니다. 모듈의 ID는 편의상 enum 타입으로 선언 후 사용합니다. 여기서 선언한 ID는 펌웨어에서 사용한 ID와 동일해야 하고 또한 제공되는 ezconfig.exe EEPROM 설정용 프로그램을 이용하여 모듈마다 설정하는 ID와도 동일해야 합니다. 통신은 ID를 주소로 사용하므로 ID는 반드시 일치하도록 하여야 합니다.
이제 이벤트가 발생하면 실행할 이벤트핸들러를 추가합니다.
| Form1.cs private void Form1_Load(object sender, EventArgs e) { dim.Switch0.OnChanged += new LogicEventHandler(Switch0_OnChanged); dim.Switch1.OnChanged += new LogicEventHandler(Switch1_OnChanged); dim.Switch2.OnChanged += new LogicEventHandler(Switch2_OnChanged); dim.Switch3.OnChanged += new LogicEventHandler(Switch3_OnChanged); dim.Switch4.OnChanged += new LogicEventHandler(Switch4_OnChanged);dom.Relay0.OnChanged += new LogicEventHandler(Relay0_OnChanged); dom.Relay1.OnChanged += new LogicEventHandler(Relay1_OnChanged); dom.Relay2.OnChanged += new LogicEventHandler(Relay2_OnChanged); dom.Relay3.OnChanged += new LogicEventHandler(Relay3_OnChanged); }void Relay3_OnChanged(object sender, CLogicEventArgs args) { DCMotor.Checked = args.Value; }void Relay2_OnChanged(object sender, CLogicEventArgs args) { CylinderLow.Checked = args.Value; }void Relay1_OnChanged(object sender, CLogicEventArgs args) { CylinderMedium.Checked = args.Value; }void Relay0_OnChanged(object sender, CLogicEventArgs args) { CylinderHigh.Checked = args.Value; }void Switch4_OnChanged(object sender, CLogicEventArgs args) { Start.Checked = args.Value; }void Switch3_OnChanged(object sender, CLogicEventArgs args) { Stop.Checked = args.Value; }void Switch2_OnChanged(object sender, CLogicEventArgs args) { SensorLow.Checked = args.Value; }void Switch1_OnChanged(object sender, CLogicEventArgs args) { SensorMedium.Checked = args.Value; } void Switch0_OnChanged(object sender, CLogicEventArgs args) { |
폼이 로드될 때 스위치와 릴레이의 OnChanged 이벤트에 이벤트핸들러를 등록합니다. 이벤트핸들러의 내용은 변경된 값을 화면에 표시하는 단순한 코드입니다.
| Form1.cs string FindPortName() { ManagementObjectSearcher searcher = new ManagementObjectSearcher(“select * from Win32_SerialPort”); // 시리얼포트를 검사해서 USB모듈이 연결된 포트를 찾는다. foreacㅋh (ManagementObject serial in searcher.Get()) { if (serial[“PNPDeviceID”].ToString().Contains(“5142308698”)) { return serial[“DeviceID”].ToString(); } } return null; }private void Connect_Click(object sender, EventArgs e) { if (com.Connected) { com.Disconnect(); Connect.Text = “Connect”; } else { string portname = FindPortName(); bool connected = com.Connect(portname); if (connected) { Connect.Text = “Disconnect”;// 기존 이미지와 동기화 시킨다. dim.RequestSync(); dom.RequestSync(); } } } |
FindPortName 메서드는 연결된 가상COM포트를 자동으로 검색합니다. USB, UUB, ColinkEx모듈의 통신포트는 모두 CP2102를 채택하고 있는데 ROM에 “5142308698” 문자열을 포함하는 이름이 저장되어 있으므로 이를 이용하여 자동으로 포트명을 검색한 것입니다만, com.Connect(“COM5”); 처럼 사용자가 포트명을 직접 입력해도 됩니다. 실제로 WinCE에서는 management 라이브러리를 사용할 수 없으므로 이런 방법을 사용할 수 있습니다.
RequestSync 메서드는 통신이 연결될 때 모듈의 실제 입출력상태와 다를 수 있으므로 모듈에게 입출력 데이터를 전송하도록 요청합니다. 전송받은 값이 이미지(dim, dom)에 저장된 값과 다르면 이벤트가 발생하고 위의 이벤트핸들러가 실행되므로 화면의 표시가 최근 상태로 갱신됩니다.
| Form1.cs private void CylinderHigh_CheckedChanged (object sender, EventArgs e) { dom.Relay0.Value = CylinderHigh.Checked; dom.Synchronize(); }private void CylinderMedium_CheckedChanged (object sender, EventArgs e) { dom.Relay1.Value = CylinderMedium.Checked; dom.Synchronize(); }private void CylinderLow_CheckedChanged (object sender, EventArgs e) { dom.Relay2.Value = CylinderLow.Checked; dom.Synchronize(); }private void DCMotor_CheckedChanged (object sender, EventArgs e) { dom.Relay3.Value = DCMotor.Checked; dom.Synchronize(); } |
마지막으로 폼에서 실린더와 컨베이어 DC모터의 체크박스를 클릭할 때 릴레이가 동작하도록 체크박스의 이벤트핸들러를 작성합니다. 체크박스를 더블클릭하면 자동으로 이벤트핸들러가 생성되고 이벤트에 등록하는 것은 비주얼스튜디오에서 자동으로 이루어 집니다.
이제 모두 마쳤습니다. 실행하고 결과를 확인해 보겠습니다. 먼저 Start 스위치를 누르면 컨베이어는 회전합니다. 이때 Connect 버튼을 클릭하면 통신이 연결되고 dim.RequestSync(); dom.RequestSync(); 코드가 실행되어 모듈의 실제 상태와 체크박스 표시가 동기화 되는 것을 볼 수 있습니다.
High 센서가 높이가 높은 부품을 검출하고 실린더가 동작하는 것을 화면으로 확인할 수 있습니다. Start 스위치는 푸쉬버튼이므로 손을 떼면 OFF 되었습니다.
Medium 센서가 검출되지 않았지만, 화면에서 마우스로 Medium Cylinder의 체크박스를 클릭하여 강제로 실린더를 동작시켰습니다. 이 기능을 사용하면 장치의 고장을 점검할 때 매우 유용하게 활용할 수 있습니다.
■ 마지막으로
이제까지 시퀀스제어 시스템을 구현하기 위한 소프트웨어 개발방법에 대하여 살펴보고, 이벤트방식으로 구현하는 장점과 이지컨트롤사의 이지컨트롤러 범용제어기와 EventBus 프레임워크를 이용한 이벤트방식의 프로그램작성에 대하여 살펴보았습니다.
짧은 지면관계상 더욱 깊이있는 예제를 다루지는 못하였지만, 이외에도 시간을 제어하는 등의 더욱 다양한 이벤트와 사용자 정의 이벤트라는 막강한 기능을 제공합니다. 자세한 내용은 카페(cafe.naver.com/easycontrol)를 참고해 주십시오. 닷넷환경은 언어간 호환성이 있으므로 C++등의 언어를 사용한 개발도 가능하며, WinCE에서도 고급언어를 이용한 프로그램 개발이 가능하므로 티칭패널등에 사용하면 매우 빠르게 제품을 출시할 수 있을 것입니다.
다음에 기회가 된다면 좀더 유용한 내용으로 다시 뵙겠습니다. 끝까지 읽어주신 독자분들께 감사드립니다.
* 본 글의 작성에 사용된 EventBus 프레임워크는 버전0.2 입니다.
[11호]제2회 오픈팩토리
제2회 오픈팩토리
“엔티렉스의 또 다른 자부심”
편집부 | press@ntrex.co.kr
엔티렉스는 지난 12월 12일, 로봇산업협회 회원사들을 대상으로 오픈팩토리 행사를 개최하였다. 오픈팩토리는 로봇산업협회에서 로봇산업에 종사하는 회원사들을 대상으로 로봇산업 활성화와 대기업, 중소기업 상호간 개방 협력 체제 구축을 도모하고, 공장 투어를 통해 해당 기업의 잠재력을 체험하는 목적의 행사로 9월 2일, LS메카피온㈜에 이어서 두번째로 진행되었다.
이번 행사는 엔티렉스의 신사옥 4층 대강당에서 진행되었으며, 행사 시간이 약간 이른 시간인데다가 기습 한파로 인하여, 초반에는 준비된 좌석의 빈자리가 많이 보였다. 그러나 행사가 중반을 지나면서 좌석이 부족할 정도로 성황리에 개최되었다.
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| 행사를 시작하기 앞서 행사순서를 설명하고 있는 모습 | 주행 테스트실에서 여러 주행 로봇을 시연하고 있다. |
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| 로봇 전시실에서 판매 제품에 대해 설명하고 있다. | 메카넘 지게차에 대해 설명하는 모습 |
행사는 로봇산업협회 정낙균 전무이사의 개회사를 시작으로, 엔티렉스 박경철 상무이사의 환영사, 엔티렉스 로봇연구소 민형기 연구소장의 프리젠테이션으로 이어졌다. 프리젠테이션 이후, 엔티렉스 로봇연구소와 물류센터를 견학하는 시간을 가졌다.
먼저 로봇연구소의 로봇 전시실에서는 엔티렉스의 메카넘 휠 관련 제품과 각종 주행 로봇 플랫폼들에 대하여 설명을 듣고, 별도로 주행 테스트실에서 여러 주행 로봇들을 시연하는 시간을 가졌다. 특히 참석자들은 메카넘 휠에 대한 엔티렉스의 기술력에 대하여 극찬을 아끼지 않았으며, 또한 스케이트 보드 로봇에 대해 높은 관심을 보였다.
이어서 물류센터를 견학하는 과정에서 참석자들로부터 모범적인 수익 모델 및 유통 채널을 갖춘 회사라는 평가가 있었으며, 더불어 지식경제부 로봇산업과 박정성 과장은 “엔티렉스는 오픈팩토리에 가장 적합한 기업” 이라고 극찬하였다.
이번 행사를 통해 엔티렉스는 기존의 부품 및 소재 유통기업에서 로봇을 연구하는 기업이라는 이미지도 구축할 수 있었으며, 특히 로봇 업계에서 훌륭한 수익 모델을 가진 모범적인 기업이라는 인상을 남길 수 있었다.
[11호]왜 두 개의 센서를 융합하는가?
상보필터 Part 1.
왜 두 개의 센서를 융합하는가?
저자약력 : PinkWink.
로봇의 실제 구현에 관련된 모든 것에 관심이 많으며, pinkwink.kr이라는 개인 블로그를 운영중.
2011년부터 은둔 생활을 청산하고 (주)엔티렉스 로봇연구소의 연구소장으로 재직중.
연재와 관련된 질문은 devicezine.co.kr에서 문의바랍니다.
1. 들어가며
저가의 MEMS형 센서를 사용해서 각도를 측정하는 많은 방법들이 소개되어있다. 실제로 인터넷을 조금만 찾아도 정말 많은 방법들이 소개되어 있음을 알 수 있다. 그 방법들에는 단순히 자이로 센서만 사용하는 방법에서부터 자이로 센서와 가속도 센서를 융합해서 사용하는 방법에까지 다양하게 나와있으며, 심지어 학습용으로 몇몇 대표적인 융합방법들을 예제로 제공하는 학습용 보드들도 디바이스마트(devicemart.co.kr)에 등록되어 있다.
자세 측정 자체에 관심이 없는 경우에는 이런 방법들을 그냥 가져다 쓰는 것이 당장의 문제를 해결하는 것에는 도움이 되겠으나, 만약 관련 부분에 대한 공부를 하는 경우에는 문제가 있다. 도대체 왜 각도 하나를 측정하자고 센서를 두 개나 사용해서 융합해야 하는가? 또, 왜 하필 그게 자이로 센서와 가속도 센서가 융합의 주류인가? 라는 의문을 자세 측정분야에 관심이 있다면 가져야 하지 않을까 생각한다.
하긴 그렇다고 하더라도, 사실 어떻게 융합하는가에 대한 설명은 참으로 많지만, 왜? 융합하는가에 대한 설명은 상대적으로 그 분량이 작다. 그래서, 이번 기획은 두 센서를 융합해서 자세를 측정하는 방법 중 상보필터라는 것을 소개하고, 그 첫번째 시간대로 도대체 왜 센서를 융합할 수 밖에 없었는가에 대한 글을 적고자 한다. 각도를 측정하는 일반적인 방법과 센서들을 몇 개 나열하고 센서를 하나만 사용했을 때의 어려움에 대해 이야기하고자 한다.
2. 엔코더나 포텐셔미터를 이용한 자세 측정의 문제점
엔코더나 포텐셔미터는 아마 가장 일반적으로 사용되는 각도 측정 장치일 것이다. 그러나 이와 같은 센서들은 고정점 대비 상대적인 각도를 측정한다. 그로 인해 공중에 떠 있거나, 혹은 고정빔을 설치할 수 없는 곳에서는 자세를 측정하는데 문제가 있다.
 그림1. 포텐셔미터(좌)와 엔코더(우) |
 그림2. 엔코더나 포텐셔미터의 자세측정에서의 한계 |
그림2에서 보다시피 좌측의 그림처럼 엔코더 자체를 고정하고, 엔코더의 축을 회전해야만 각도가 측정되는 것이기 때문에, 그림2의 우측처럼 고정점이 없으면, 정확한 각도를 측정하기 어려워진다.
3. 자이로 센서를 이용한 방법의 한계
자이로 센서 또한 자세 측정에 많이 사용된다. 그러나 여기서 다루는 것은 실제 항공기나 선박에 장착되는 고가의 장비가 아니라 겨우 몇 만원대의 MEMS형 저가 자이로 센서이다. 이런 저가의 자이로 센서는 역시 한계를 가지게 된다.
그림3. 실험장비
먼저 기억해야 할 것은 자이로 센서는 각도를 출력으로 가지지 않는다는 것이다. 자이로 센서는 그 구현 원리상 각속도를 출력으로 가진다. 그래서 각도를 구하기 위해서는 당연히 자이로의 출력인 각속도를 적분해서 각도로 변환할 필요가 있다. 여기서 바로 문제가 생기게 된다.
먼저 본 글 전체에 사용될 실험을 위한 장비가 그림3에 나타나있다. 흔히 진자시스템(Pendulum System)이라고 부르는 장비로 본래 목적은 아니지만, 이번 실험에는 아주 적합한 장비이다. 여기에 자이로센서와 다음 장에서 다룰 가속도 센서를 미리 연결하고, 참값과의 비교를 위해 엔코더 또한 장착했다. 센서들의 부착위치는 암(Arm)과 진자(Pendulum)가 만나는 곳이다.
먼저 자이로 센서의 정확도를 확인하기 위해 자이로의 출력값인 각속도와 그래도 참값이라고 믿을 수 있는 엔코더의 각도를 차분한 각속도를 비교해 본다.
그림4. 자이로의 출력(각속도)과 엔코더의 출력을 차분한 값과의 비교
그림4에서 보듯이 완전히 일치시킬 수는 없지만, 어느 정도는 자이로의 출력과 엔코더의 차분치를 일치 시켰다. 이제 이 상태에서 자이로의 출력인 각속도를 적분해서 각도를 확인해보자.
그림 5. 자이로센서의 출력을 적분한 각도와 엔코더와의 비교
참값이라고 가정할 수 있는 엔코더의 차분치(물론 오차는 있지만)와 일치시키는 작업을 하고 난 후의 적분치이지만, 역시 한쪽으로 흐르는 현상이 있다. 이 드리프트(Drift)라고 부르는 적분 과정에서 생기는 오차는 적분이라는 과정을 수행하는 경우 항상 존재할 수 있는 상황이다. 아무리 온도보정을 많이 하고, 또 정교한 필터링을 한다고 해도, 결국 자이로 센서만 사용하는 경우는 어쩔 수 없이 나타나는 현상이다.
자이로 센서의 출력이 각속도이고, 그래서 각도를 얻기 위해서는 어쩔 수 없이 적분이라는 과정을 거쳐야 한다. 그리고, 그림5에서 보듯이 자이로의 출력에서 미세한 오차가 있다면, 결국 그것이 누적되고 또 누적되면서 적분한 결과인 각도는 한 쪽으로 흐르게 되는 현상이 발생하고, 이것이 자이로 센서 하나만 사용해서 자세를 측정할 수 없는 한계가 된다.
4. 기울기 센서를 이용한 방법의 한계
MEMS형 센서는 아니지만, 기울기 센서라는 것도 엄연히 존재한다. 너무 많은 종류의 기울기 센서들이 있기 때문에 역시 MEMS형 자이로 센서와 비슷한 가격대의 기울기 센서라고 한정짓도록 하자. 기울기 센서는 그럼 왜 안되는 걸까. 역시 그림3의 장비에서 자이로와 같은 위치에 기울기 센서를 장착하고 측정한 결과를 보자.
그림6. 기울기센서의 결과
그림6에서 보이듯이 기울기센서도 이름처럼 그렇게 좋은 결과를 가져오지는 못한다. 기울기 센서는 일반적으로 유체성분이 센서 안에 밀폐되어있고, 적절한 점도를 가진 그 유체의 기울어지는 정도를 전압으로 환산해서 기울어진 각도를 측정하게 된다. 그런데 그릇에 물을 채워놓고 빠르게 기울이면, 유체는 신기하게도 가장 변화속도가 빠른 지점에서 물 자신이 기울어지는 속도보다 더 기울게 되는 현상이 있다. 이 현상이 기울기 센서에서도 발생하게 되는데, 그것이 그림6에 잘 나타나 있다.
그래서 기울기 센서는 내부의 유체가 안정화되는 시간이 필요하다. 이게 바로 기울기 센서의 응답속도를 느리게 만드는 요인이 되며, 대략 몇 백 ms정도의 시간이 필요하다. 센서와 같은 장비를 처음 만지는 학생들의 경우 이 응답속도라는 단어를 혼돈하게 되는데, 응답속도가 100ms라는 것이 참 값이 100ms후에 나온다는 의미가 아님을 알아야한다. 저렇게 유체가 안정화되는데 시간이 필요한 경우 빠르게 움직여야하는 시스템이라면 제대로 된 자세 측정은 어렵다고 봐야한다.
5. 가속도 센서를 이용한 방법의 한계
이제 마지막으로 또 각도를 측정하는 센서 중에서 많이 사용되는 것 중에 가속도 센서가 있다. 가속도를 측정한다는 의미의 이름이 붙은 이 센서로 어떻게 각도를 측정하는가? 정답은 간단한 삼각함수에 있다.
그림7. 가속도 센서에서 각도를 구하는 원리
한 면만 놓고 쉽게 설명을 하면, 그림7에서 보듯이 가속도 센서의 두 축의 값을 읽어서 간단히 Arctan를 이용하면,
이렇게 각도를 구할 수 있다.
이 간단한 방법은 사실 정말 편하고 유용하다. 자이로 센서처럼 적분으로 인한 오차의 누적현상이 없고, 기울기 센서처럼 느린 응답속도로 인한 문제도 없다. 그림3의 장비에서 암(Arm)을 고정하고 진자(Pendulum)만 움직여서 얻은 결과를 보자.
그림8. 가속도 센서를 이용한 각도 측정
그림 8을 보면 정말 결과가 좋다는 것을 알 수 있다. 그럼 아주 손쉽게 각도- 즉 자세를 측정할 수 있을 것 같지만, 사실 그렇지 않다. 그림8의 결과를 얻은 실험은 암(Arm)을 고정했다. 이것이 가속도 센서의 한계인데,
그림 9. 가속도 센서를 이용해 각도를 측정할 때의 문제점
바로 그림7처럼 회전 각도가 발생하는 그 중심에 가속도센서가 위치하지 못하고, 그림9처럼 회전 중심축에서 멀어져서 회전하는 경우 문제가 발생한다. 센서의 이름이 가속도 센서라는 사실에 주목해야 하는데, 그림9와 같은 상황에서는 접선, 법선 방향의 가속도 성분이 가속도 센서에 같이 인가가 되면서, 그림8과 같은 실험을 수행하게 되면 결과가 이상해진다.
그림 10. 가속도 센서를 이용한 각도측정의 한계
바로 그림10처럼 그 결과가 안좋아지게 된다. 이는 가속도 센서에 회전 각도를 검출하는데 필요한 성분에 더해서 접선, 법선 방향의 가속도 성분이 인가되면서 그렇게 된 것이다.
6. 결론
본 글에서 단일 센서만 사용했을 때, 자세 측정에서 어떤 문제가 발생하는지 확인해 보았다. 엔코더와 같은 센서들은 고정점이 필요하고, 자이로 센서는 적분에서의 오차가, 기울기 센서는 느린 응답특성이, 가속도 센서는 회전 중심축과 센서의 중심이 맞아야한다는 문제가 있음을 확인했다.
이제 다음에는 이와 같은 문제들로 인해 많이들 사용하는 센서의 융합에서 상보필터를 소개하고, 그 원리와 사용방법에 대해 다루고자 한다.
■ 본 글은 2011년 2월 필자의 학위논문 중 일부를 발췌 후 잡지의 의도에 맞게 재정리한 것임을 미리 밝힙니다.