[7~8회차-2] 4족 로봇 보행 프로그래밍 - 응용동작

1. 초음파센서(HC-SR04)

 

HC-SR04

초음파센서란?

초음파 센서 중 초보자 또는 입문자가 사용하기에 가장 쉽고 보편적인 모델은 HC-SR04입니다. 핀이 4개로만 제어가 되어 초보자도 쉽게 센서를 이용해 볼 수 있습니다.

  초음파란 인간이 들을 수 있는 소리의 영역(가청영역) 20~30kHz 주파수보다 높은 주파수 대역을 가진 음을 초음파라고 합니다. 속도는 약 340m/s이며, 확산-흡수-산란 등에 의해 감쇠하는 성질을 가지고 있습니다.

 

 

  초음파를 이용해 물체와의 거리를 측정할 수 있습니다.

  초음파센서에서 Trig는 초음파를 발생시키며, Echo는 물체 및 장애물에 반사되어 돌아오는 초음파를 받는 역할을 합니다. 초음파 발생 시간과 물체에 부딪혀 반사되어 돌아오는 시간차를 이용하여 거리를 측정합니다. 

즉, [거리=속력×시간]이라는 등속도 운동거리 계산식을 이용합니다.

->여기서 속력은 초음파(소리)의 속도를 의미하며, 340m/s로 고정 값입니다.

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  디지털 신호를 사용하는 센서 중 하나인 초음파 센서(HC-SR04)를 사용해 보도록 하겠습니다. 거리 측정으로 대표적인 센서이며, trig(트리거) 핀과 echo(에코) 핀을 이용합니다. 적외선과 비교하여 주변 환경의 영향을 덜 받기 때문에 많이 사용되고 있습니다.

 

  ▶ 초음파 센서: 초음파로 거리를 측정 및 사물을 인식하는 센서

    - 측정 거리: 2~400cm

    - 전원 공급 장치: +5V DC

    - 대기 전류: <2mA

 

Echo 핀을 라즈베리파이에 연결할 때 저항을 연결해야 합니다. 초음파 센서의 Echo 핀은 High level 신호 발생 시 5V 전압을 출력하는데 라즈베리파이의 GPIO 입력은 3.3V 용입니다. 만약 HC-SR04 출력을 저항 없이 연결하게 되면 라즈베리파이의 GPIO에 손상이 발생할 수 있습니다. 그래서 저항을 이용해서 전압을 낮추는 것입니다. 저항값은 꼭 1㏀와 2㏀이 아니어도 됩니다. 대략 비슷한 정도의 값을 이용하면 됩니다.

 

 

  라즈베리파이에서는 아래 부품으로 사용할 경우 저항 계산없이 사용할 수 있어 편리합니다. 외형은 거의 비슷하지만 3.3V에서 사용할 수 있습니다.

 

HC-SR04P(HC-SR04+) 초음파 거리 센서 / 3.3V, 5V 호환

  5V와 3.3V에서 사용이 가능하며, 좀더 넓은 범위를 측정할 수 있습니다. 

특징 (Features) :
  5V와 3.3V에서 사용이 가능함
  HC-SR04보다 더 넓은 범위를 지원함 (5V 기준)

사양 (Specification) :
  입력 전압 : 3~5.5V
  측정 범위 : 2~450cm (5V 기준), 2~400cm (3.3V 기준)

 

  준비물 초음파센서(HC-SR04), F-F전선 4개, (저항이 필요할 경우, 저항 2개, F-F전선 2개)

 

 

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  기존의 초음파센서(HC-SR04)는 Echo핀에서 라즈베리파이 GPIO 핀에 5V로 신호를 보냅니다. 라즈베리파이 GPIO 핀은 3.3V의 입력까지만 받을 수 있으므로 전압 분배 법칙으로 저항을 나눠서 아래와 같이 회로를 구성하여 5V를 3.3V에 가깝게 전압을 내려서 연결합니다.

  저항 연결없이 직접적으로 연결하여도 동작은 할 수 있으나 GPIO 핀에 무리가 가서 보드가 고장날 수 있습니다.

 

HC-SR04와 라즈베리파이 GPIO 연결(저항은 1kΩ 연결)

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18-distance.py

0.00MB

 

예제 소스(18-distance.py)
from gpiozero import DistanceSensor from time import sleep sensor = DistanceSensor(23, 24) #echo = 23, trigger = 24 while True:     print('Distance to nearest object is', sensor.distance, 'm')     sleep(1)

 

 

2. 센서 로봇 프로그래밍

 

  초음파센서를 활용하여 로봇이 움직일 수 있도록 프로그램을 만들어 보겠습니다. 로봇은 앞으로 계속 가다가 초음파센서가 12cm미만의 거리를 인식하면 뒤로 잠시 이동 후 좌회전합니다. 그리고 다시 앞으로 가는 행동을 반복합니다.

 

19-sensor_robot.py

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예제 소스(19-sensor-robot.py)

from Robot4 import * from gpiozero import DistanceSensor  r = Robot4() r.setPWMFreq(50) sensor = DistanceSensor(23, 24) #echo = 23, trigger = 24 r.sl(1,50) #기본 자세로 세팅 sleep(0.5) r.sr(2,50) sleep(0.5) r.sl(3,90) sleep(0.5) r.sr(4,90) sleep(0.5) r.sl(11,90) sleep(0.5) r.sr(12,90) sleep(0.5) r.sl(13,90) sleep(0.5) r.sr(14,90) sleep(0.5) while True:     #전진1~2       r.sr(12,60) #앞 오른쪽 다리 올림     r.sl(13,60) #뒤 왼쪽 다리 올림     sleep(0.025)     r.sr(2,60) #앞 오른쪽 암     r.sl(3,60) #뒤 왼쪽 암     sleep(0.025)     r.sr(12,90) #앞 오른쪽 다리 내림     r.sl(13,90) #뒤 왼쪽 다리 내림     sleep(0.025)     #전진2     r.sl(11,60) #앞 왼쪽 다리 올림     r.sl(14,60) #뒤 오른쪽 다리 올림     sleep(0.025)     r.sr(2,90) #앞 오른쪽 암     r.sl(3,90) #뒤 왼쪽 암     sleep(0.025)     #전진3     r.sl(1,60) #앞 왼쪽 암     r.sr(4,60) #뒤 오른쪽 암     sleep(0.025)     r.sl(11,90) #앞 왼쪽 다리 내림     r.sr(14,90) #뒤 오른쪽 다리 내림     sleep(0.025)         #전진4     r.sr(2,60) #앞 오른쪽 다리 올림     r.sl(3,60) #뒤 왼쪽 다리 올림     sleep(0.025)     r.sl(1,90) #앞 왼쪽 암     r.sr(4,90) #뒤 오른쪽 암     sleep(0.025)     r.sr(2,90) #앞 오른쪽 다리 내림     r.sl(3,90) #뒤 왼쪽 다리 내림     sleep(0.025)     if sensor.distance < 0.12: #초음파 센서 거리가 12cm 미만이면 뒤로가서 좌회전         for i in range(7): #뒤로             #후진1             r.sl(11,60) #앞 왼쪽 다리 올림             r.sr(14,60) #뒤 오른쪽 다리 올림             sleep(0.025)             r.sl(1,90) #앞 왼쪽 암             r.sr(4,90) #뒤 오른쪽 암             sleep(0.025)             r.sl(11,90) #앞 왼쪽 다리 내림             r.sr(14,90) #뒤 오른쪽 다리 내림             sleep(0.025)             #후진2             r.sl(1,50) #앞 왼쪽 암             r.sr(4,50) #뒤 오른쪽 암             sleep(0.025)             #후진3             r.sr(12,60) #앞 오른쪽 다리 올림             r.sl(13,60) #뒤 왼쪽 다리 올림             sleep(0.025)             r.sr(2,90) #앞 왼쪽 암             r.sl(3,90) #뒤 오른쪽 암             sleep(0.025)             #후진4             r.sr(12,90) #앞 왼쪽 다리 올림             r.sl(13,90) #뒤 오른쪽 다리 올림             sleep(0.025)             r.sr(2,50) #앞 오른쪽 암             r.sl(3,50) #뒤 왼쪽 암             sleep(0.025)                      for i in range(8): #좌회전             #좌회전1             r.sl(11,60)             r.sl(1,100)             sleep(0.025)             r.sl(11,90)             r.sr(12,60)             sleep(0.025)             r.sr(2,90)             r.sr(12,90)             sleep(0.025)             #좌회전2             r.sl(3,130)             r.sr(4,50)             sleep(0.025)             r.sr(2,50)             sleep(0.025)             r.sl(1,60)             r.sr(2,60)             sleep(0.025)             r.sl(3,90)             r.sr(4,90)             sleep(0.025)