[아두이노] Differential Wheeled RC카 만들기 #3-1 "differential drive mixer 설계"

저는 RC 컨트롤러를 최소 6채널 이상 되는 녀석으로 바꿀 예정입니다.

지금 사용중인 건(gun)형태의 컨트롤러는 딱 테스트용이라서 테스트 이후 놓아줄 예정입니다...

따라서 위 그림과 같은 전형적인 패드(pad)형 RC 컨트롤러를 예로 생각해 봤습니다.

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정리를 해보자

조종 신호 수신

머리로는 대~충 이해가 가지만 막상 코드로 표현하려고 하니 순서가 뒤죽박죽 되더라구요.

먼저 제가 가공할 신호부터 정리 해봤습니다.

기본적으로 Rudder와 Throttle, 이렇게 두 가지 조작이 이루어집니다.

각각의 조작 스틱은 1개의 채널에 할당되어 무선으로 리시버에 전달되며 그 전달된 값의 최대, 최소, 중간값은 이전의 포스팅에서 이미 관찰했었죠.

2021/02/13 - [로봇] - [아두이노] Differential Wheeled RC카 만들기 #1-3 "신호 스케일링"

[아두이노] Differential Wheeled RC카 만들기 #1-3 "신호 스케일링"

이 값은 각각 스케일링되어 -100 ~ 100%의 값으로 나타낼 것입니다.

믹서측 신호 가공

자세히가 아닌 대략 이런 식으로 생각하면 되겠다~ 싶을 정도로만 정리를 해봅니다.

입력측에 5%의 데드존을 주어 위와 같이 표현해 봤습니다.

그리고 조작 스틱이 위와 같이 각 위치에 놓여있을 때, 왼쪽과 오른쪽 모터가 얼만큼 회전해야 하는지를 생각해 봤습니다.

위의 두 가지 그림을 보고 생각했을 때 각각의 모터가 얼만큼 회전해야 하는지는 아래와 같이 나타낼 수 있겠네요.

• Left motor = Throttle + Rudder
• Right motor = Throttle - Rudder

이 내용들을 기본으로 코드를 작성했습니다.

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코드

#define recvCH1 9   // PWM signal from receiver CH1: Rudder
#define recvCH2 10  // PWM signal from receiver CH2: Throttle
#define motorLeft_EN 3    // Left Motor: ENA(PWM) pin
#define motorLeft_OUT1 2  // Left Motor: IN1 pin
#define motorLeft_OUT2 4  // Left Motor: IN2 pin
#define motorRight_EN 5   // Right Motor: ENB(PWM) pin
#define motorRight_OUT1 7 // Right Motor: IN3 pin
#define motorRight_OUT2 6 // Right Motor: IN4 pin

unsigned long valueCH1; // throttle
unsigned long valueCH2; // rudder

float mixerOut_Left = 0;
float mixerOut_Right = 0;

int getAvg(int channel, int count) {
  int sum = 0;
  int cnt = 0;

  while(cnt < count) {
    sum = sum + pulseIn(channel, HIGH, 50000);
    cnt++;
  }

  int avg = sum / count;
  return avg;
}

float getScale
  (int in_val, float in_min, float in_max, float out_min, float out_max) {
  float result = ((out_max-out_min)/(in_max-in_min)) * (in_val-in_max) + out_max;
  return result;
}

void mixer(float in_rud, float in_thr) {
  int x;  // for rudder
  int y;  // for throttle
  Serial.print("\tRud: "); Serial.print(in_rud); Serial.print("%");
  Serial. print("\tThr: "); Serial.print(in_thr); Serial.print("%");
  
  // define deadzone for 5%
  if((in_thr > (-5)) && ((in_thr) < 5))
    y = 0;
  else
    y = in_thr;
  if((in_rud > (-5)) && ((in_rud) < 5))
    x = 0;
  else
    x = in_rud;

  mixerOut_Left = y + x;
  mixerOut_Right = y - x;
}

void setup() {
  Serial.begin(115200);
  pinMode(recvCH1, INPUT);
  pinMode(recvCH2, INPUT);
  pinMode(motorLeft_EN, OUTPUT);
  pinMode(motorLeft_OUT1, OUTPUT);
  pinMode(motorLeft_OUT2, OUTPUT);
  pinMode(motorRight_EN, OUTPUT);
  pinMode(motorRight_OUT1, OUTPUT);
  pinMode(motorRight_OUT2, OUTPUT);
}

void loop() {
  // read RC control signals.
  valueCH1 = getAvg(recvCH1, 10); // rudder
  valueCH2 = getAvg(recvCH2, 10); // throttle

  Serial.print("Rud: "); Serial.print(valueCH1);
  Serial. print("\tThr: "); Serial.print(valueCH2);

  // call mixer and put scaled values.
  mixer(
    getScale(valueCH1, 992, 1981, -100.0, 100.0),
    getScale(valueCH2, 985, 1967, 100.0, -100.0)
    );

  Serial.print("\tLeft: "); Serial.print(mixerOut_Left);
  Serial.print("\tRight: "); Serial.println(mixerOut_Right);
}

제가 중간 중간 값의 변환이 잘 이루어졌는지 확인하고자 Serial.print()를 추가했습니다.

loop() 문을 기준으로 설명 드리겠습니다.

// read RC control signals.
valueCH1 = getAvg(recvCH1, 10); // rudder
valueCH2 = getAvg(recvCH2, 10); // throttle

Serial.print("Rud: "); Serial.print(valueCH1);
Serial. print("\tThr: "); Serial.print(valueCH2);

먼저 RC 수신기의 신호를 받아 10회 평균을 적용하여 전역 변수인 valueCH1과 valueCH2에 값을 써줍니다.

이 전역 변수는 loop()문이 시작될 때 마다 계속하여 값이 업데이트 될것입니다.

확인용으로 평균 필터가 적용된 값을 시리얼 모니터에 출력합니다.

 

이 필터링된 값을 스케일링하여 mixer()에 인자(argument)로 던져줍니다.

(스케일링 부분은 이미 다룬 내용이기에 건너 뛰겠습니다)

void mixer(float in_rud, float in_thr) {
  int x;  // for rudder
  int y;  // for throttle
  Serial.print("\tRud: "); Serial.print(in_rud); Serial.print("%");
  Serial. print("\tThr: "); Serial.print(in_thr); Serial.print("%");
  
  // define deadzone for 5%
  if((in_thr > (-5)) && ((in_thr) < 5))
    y = 0;
  else
    y = in_thr;
  if((in_rud > (-5)) && ((in_rud) < 5))
    x = 0;
  else
    x = in_rud;

  mixerOut_Left = y + x;
  mixerOut_Right = y - x;
}

mixer() 함수 내부는 매우 단순합니다.

백분율로 스케일링된 rudder와 throttle 값을 파라미터로 선언했습니다.

그리고 각각 rudder와 throttle 값을 의미하는 지역 변수 x와 y도 선언합니다.

맨 처음 인자가 들어오자 마자 스케일링된 값을 모니터링 하기 위해 시리얼 모니터로 한 번 출력했습니다.

 

그 후 0%를 기준으로 ±5%의 데드존을 설정했습니다.

(여기서 말하는 데드존은 RC 송신기측에서 발생하는 offset을 잡기 위한 데드존입니다)

입력된 인자값이 데드존 안쪽 범위에 있다면, 해당 값은 0으로 설정됩니다.

데드존 바깥의 값이라면 입력된 값 그대로를 x와 y에 저장 및 계산하여 전역 변수 mixerOut_Left와 mixerOut_Right를 업데이트 합니다.

// call mixer and put scaled values.
mixer(
  getScale(valueCH1, 992, 1981, -100.0, 100.0),
  getScale(valueCH2, 985, 1967, 100.0, -100.0)
  );

Serial.print("\tLeft: "); Serial.print(mixerOut_Left);
Serial.print("\tRight: "); Serial.println(mixerOut_Right);

스케일된 값을 따로 저장할 변수를 만들까 하다가 귀찮아서 그냥 mixer()를 호출할 때 한꺼번에 호출했습니다.

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결과(모니터링)

rudder를 우측으로 반(+50%), throttle을 전진으로 반(+50%)를 주었을 때 결과입니다.

우측 모터는 회전하지 않고 좌측 모터만 약 100만큼 회전하는 것을 볼 수 있습니다.

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개선점

mixer()를 제작하는 도중에도 "어..? 이렇게 간단하게 되는건가?"라는 생각을 했습니다.

하지만 테스트를 해보면서 몇 가지 의문점이 들기 시작했습니다.

회전비

'회전비'라는 용어가 맞는지는 잘 모르겠지만, 저는 일단 이렇게 부르도록 하겠습니다.

여기서 말하는 '회전'은 모터의 회전(rotation)이 아닌 차체의 회전(steering) 입니다.

시리얼 모니터 결과에서도 볼 수 있듯이, 사용자가 엑셀레이터를 50%, 핸들을 우측으로 50%를 틀었을 때를 예로 삼아보겠습니다.

모니터링 대로라면 좌측 모터가 100만큼, 우측 모터는 0만큼 회전하며 위 그림과 같이 우측 바퀴를 중심 축으로 원을 그리며 이동할 것입니다.

그렇다면 다시, 과연 "일반적으로 사용자가 엑셀레이터를 50%, 핸들을 우측으로 50%를 틀었을 때", 위와 같은 움직임을 예상하고 RC 조종기를 조작했을까요?

먼저, 저만 해도 당연히 위 그림과 같이 움직일 거라고 예상했기 때문이죠.

이러한 결과를 보고나서 문득 일반 자동차가 생각났습니다.

핸들에 따라 전륜이 돌아갈 수 있는 범위가 정해져있기 때문에 핸들을 끝까지 돌려도 회전할 수 있는 정도가 정해져 있습니다.

하지만 양쪽 바퀴 회전수의 차로 구동하는 differential dirve 방법에선 제자리에서 회전하는 것이 가능합니다.

이 두 가지 구동 방식의 중간 타협점을 찾아야 할 것 같습니다.

Full Throttle? & Full Rudder?

말로 설명하기 굉장히 힘든 점인데요...

mixer() 함수의 계산에 따르면, 사용자가 최고 속도로 전진하고자 throttle 값을 최대로 주었을 때 mixerOut_Left와 mixerOut_Right값은 아래와 같이 각각 100, 100입니다.

이 상태에서 rudder 값을 좌측으로 천천히 증가시켜 최대로 꺾으면 아래와 같이 좌측 모터는 0, 우측 모터는 200만큼 회전하라는 값이 계산됩니다.

조금 이상하죠?

 

"엑셀을 full로 밟았을 때 양쪽 바퀴가 둘 다 100만큼 회전했는데, 이 상태에서 좌측으로 핸들을 꺾으니까 왼쪽 모터는 멈추고 오른쪽 모터는 200만큼 회전하네?"

 

"어? full 엑셀 상태에서보다 Steering이 추가됐을 때 더 빨리 도는건가?"

 

라는 생각을 했습니다.

이는 위에서 고려해본 회전비와 어느정도 관계가 있지만, 좀 별개의 문제라고 생각됩니다.

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다음 포스팅에서는 이 mixer()가 적용된 값을 기준으로 직접 모터를 구동해보도록 하겠습니다.

개선점은 그 다음에 짚어보도록 하구요.