펌웨어

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우리는 마이크로컨트롤러 유닛(MCU)을 사용하여 로봇 본체와 스마트폰 간의 다리 역할을 합니다. 우리는 ATmega328P 마이크로컨트롤러가 장착된 Arduino Nano와 ESP32 개발 키트를 위한 펌웨어를 제공합니다.

기능

MCU의 주요 작업은 차량의 저수준 제어를 처리하고 차량에 장착된 저수준 센서로부터 읽기를 제공하는 것입니다. MCU는 직렬 연결을 통해 차량 제어 및 표시등 신호를 수신합니다. 제어를 모터 컨트롤러용 PWM 신호로 변환하고 표시등 신호에 따라 LED를 전환합니다. Arduino 프로그램은 또한 왼쪽 및 오른쪽 앞바퀴의 광학 센서 인터럽트를 계산하여 바퀴 회전을 추적합니다. 전압 분배 회로에서 측정한 값을 스케일링된 이동 평균으로 계산하여 배터리 전압을 계산합니다. 또한 선택적 초음파 센서를 사용하여 자동차 앞의 장애물까지의 거리를 측정할 수 있습니다. 이러한 측정값은 직렬 링크를 통해 Android 애플리케이션으로 다시 전송됩니다.

설정

먼저 코드 시작 부분에서 하드웨어 구성을 설정해야 합니다. DIY 빌드(L298N 모터 드라이버 사용)를 수행한 경우 OPENBOT DIY를 설정합니다. 맞춤형 PCB를 사용한 경우 버전을 확인하고 OPENBOT PCB_V1 또는 OPENBOT PCB_V2를 설정합니다. OpenBot 키트를 보유한 경우 OPENBOT RTR_TT를 설정합니다. RC 트럭을 개조한 경우 OPENBOT RC_CAR를 설정합니다. 교육용으로 더 작은 DIY 버전을 사용하는 경우 OPENBOT LITE를 설정합니다. 520-모터가 장착된 OpenBot Ready-to-Run 키트를 사용하는 경우 OPENBOT RTR_520을 설정합니다. 다목적 차량을 제작한 경우 OPENBOT MTV를 설정해야 합니다. ESP32와 함께 OpenBot DIY를 실행하려면 OpenBot DIY_ESP32를 설정합니다.

블루투스

OpenBot을 블루투스를 통해 실행할 수도 있으며, 이를 위해 BLUETOOTH 1을 설정하여 블루투스를 활성화할 수 있습니다(비활성화: 0). 블루투스를 사용하려면 (RTR_520, MTV, DIY_ESP32)와 같은 ESP32 보드가 있는 OpenBot이 필요합니다.

구성

다음으로 활성화하려는 기능을 구성해야 합니다. 비활성화된 기능은 메모리를 절약하고 코드를 더 빠르게 만들기 위해 컴파일되지 않습니다. 플래그가 정의되지 않은 경우 기능이 비활성화됩니다. 각 모델에는 구성에 따라 변경해야 할 수 있는 몇 가지 기본 설정이 있습니다.

• HAS_VOLTAGE_DIVIDER 1을 설정하여 전압 분배기를 활성화합니다(비활성화: 0). 전압 분배기가 있는 경우 (R1+R2)/R2로 계산되는 VOLTAGE_DIVIDER_FACTOR, 모터를 구동하기 위한 최소 전압인 VOLTAGE_MIN, 최소 배터리 전압인 VOLTAGE_LOW, 최대 배터리 전압인 VOLTAGE_MAX를 지정해야 합니다.
• HAS_INDICATORS 1을 설정하여 표시등 LED를 활성화합니다(비활성화: 0).
• HAS_SPEED_SENSORS_FRONT 1 / HAS_SPEED_SENSORS_BACK 1을 설정하여 전/후방 속도 센서를 활성화합니다(비활성화: 0).
• HAS_SONAR 1을 설정하여 초음파 센서를 활성화합니다(비활성화: 0). USE_MEDIAN 1을 설정하여 초음파 측정을 위한 중앙값 필터를 활성화합니다(비활성화: 0).
• 충돌을 감지하는 데 사용되는 범퍼 센서를 HAS_BUMPER 1로 설정하여 활성화합니다(비활성화: 0).
• HAS_OLED 1을 설정하여 OLED 디스플레이를 활성화합니다(비활성화: 0).
• HAS_LEDS_FRONT 1 / HAS_LEDS_BACK 1 / HAS_LEDS_STATUS 1을 설정하여 전/후/상태 LED를 활성화합니다(비활성화: 0).

종속성

속도 센서 또는 초음파 센서를 활성화한 경우 PinChangeInterrupt 라이브러리를 설치해야 합니다. Arduino Nano에는 두 개의 외부 인터럽트 핀(D2 및 D3)만 있으며 D3는 PWM을 지원하는 6개 핀 중 하나이기도 합니다. 다행히도 Arduino의 모든 핀을 커버하는 세 개의 포트 인터럽트가 있습니다. 이 라이브러리는 이러한 포트 인터럽트를 구문 분석하여 Arduino의 모든 핀을 인터럽트로 사용할 수 있도록 합니다.

OLED를 활성화한 경우 Adafruit_SSD1306 및 Adafruit_GFX Library 라이브러리를 설치해야 합니다.

라이브러리를 설치하려면 다음 단계를 따르세요:

1. 라이브러리 관리자 열기: 도구 :arrow_right: 라이브러리 관리
2. 검색창에 라이브러리 이름 입력.
3. 최신 버전을 선택하고 설치를 클릭합니다. 이미 라이브러리를 설치한 경우 표시되며 업데이트할 수 있습니다.

중국제 Nano 클론 (예: 미국 링크)

칩 제조업체(중국)에서 WCH340 드라이버를 다운로드해야 할 수 있습니다:

• Windows
• Linux
• Mac

ESP32 개발 키트

Arduino IDE에 ESP32 보드를 설치하려면 다음 지침을 따르세요:

1. Arduino IDE에서 파일 > 기본 설정으로 이동합니다:

2. 아래 그림과 같이 “추가 보드 관리자 URL” 필드에 *https://dl.espressif.com/dl/package_esp32_index.json*을 입력합니다. 그런 다음 “확인” 버튼을 클릭합니다:

참고: 이미 ESP8266 보드 URL이 있는 경우 다음과 같이 URL을 쉼표로 구분할 수 있습니다:

https://dl.espressif.com/dl/package_esp32_index.json,
http://arduino.esp8266.com/stable/package_esp8266com_index.json

3. 보드 관리자를 엽니다. 도구 > 보드 > 보드 관리자로 이동합니다:

4. ESP32를 검색합니다. “Espressif Systems의 ESP32”를 찾아 드롭다운에서 버전 2.0.17을 선택했는지 확인합니다. 3.x.x 버전은 작동하지 않습니다! 설치를 클릭합니다:

5. 이제 Arduino 개발 환경을 사용하여 OpenBot의 ESP32 보드를 성공적으로 플래시할 수 있는 모든 것을 갖추어야 합니다.

6. 새 코드로 OpenBot을 플래시하려면 메뉴 도구 > 보드 > ESP32 Arduino에서 ESP32 Dev Module을 선택하기만 하면 됩니다. ESP32 플래싱 프로세스의 추가 콘텐츠 및 문제 해결은 다음 링크에서 찾을 수 있습니다.

업로드에 문제가 있는 경우 전송 속도를 줄여보세요. 도구로 이동하여 업로드 속도를 115200으로 선택합니다.

업로드

설정 (Arduino nano 설정)

• 도구 :arrow_right: 보드 :arrow_right: Arduino AVR 보드 :arrow_right: Arduino Nano
• 도구 :arrow_right: 프로세서 :arrow_right: ATmega328P (구형 부트로더)
• 도구 :arrow_right: 포트 :arrow_right: *USB 포트 선택*

:memo: 참고: 현재 대부분의 저렴한 Arduino Nano 보드는 _구형 부트로더_와 함께 제공됩니다. 그러나 판매자에 따라 새 부트로더가 포함된 제품을 받을 수도 있습니다. 펌웨어를 업로드할 수 없는 경우 프로세서를 _ATmega328P_로 변경해야 할 가능성이 큽니다.

설정 (ESP32 설정)

• 도구 :arrow_right: 보드 :arrow_right: ESP32 Arduino :arrow_right: ESP32 Dev Module
• 도구 :arrow_right: 포트 :arrow_right: *USB 포트 선택*

펌웨어 업로드

이제 스케치 :arrow_right: 업로드를 통해 펌웨어를 업로드하거나 업로드 버튼(오른쪽 화살표)을 눌러 업로드할 수 있습니다.

테스트

이 섹션에서는 펌웨어가 성공적으로 플래시된 후 자동차의 모든 기능을 테스트하는 방법을 설명합니다.

1. 다음을 확인합니다:
   1. 바퀴가 자동차에 연결되어 있지 않음
   2. Arduino가 컴퓨터에 연결됨
   3. 올바른 USB 포트가 선택됨
2. 직렬 모니터 열기: 도구 :arrow_right: 직렬 모니터

OpenBot에 메시지 보내기

입력 필드에 명령을 입력한 다음 전송을 눌러 Arduino에 메시지를 보낼 수도 있습니다. 다음 명령을 사용할 수 있습니다(로봇이 필요한 기능을 지원하는 경우):

• c<left>,<right> 여기서 <left> 및 <right>는 모두 [-255,255] 범위에 있습니다. 0 값은 모터를 정지시킵니다. 255 값은 모터를 최대 속도로 앞으로 구동하는 최대 전압을 적용합니다. 더 낮은 값은 비례적으로 더 낮은 전압과 속도로 이어집니다. 음수 값은 모터를 역방향으로 구동하여 해당 전압을 역극성으로 적용합니다.
• i<left>,<right> 여기서 <left> 및 <right>는 모두 [0,1] 범위에 있으며 왼쪽 및 오른쪽 표시등 LED에 해당합니다. 예를 들어, i1,0은 왼쪽 표시등을 켜고, i0,1은 오른쪽 표시등을 켜고, i1,1은 두 표시등을 켭니다. 활성화된 표시등은 1초에 한 번 깜박입니다. i0,0 값은 표시등을 끕니다. 한 번에 하나의 상태만 가능합니다.
• l<front>,<back> 여기서 <front> 및 <back>은 모두 [0,255] 범위에 있으며 전/후방 LED의 밝기에 해당합니다.
• s<time_ms> 여기서 <time_ms>는 초음파 측정이 트리거되는 시간(ms)을 나타냅니다(기본값 = 1000). 초음파 판독값이 획득된 후 메시지가 로봇으로 전송됩니다. 시간이 초과되면 지정된 MAX_SONAR_DISTANCE가 전송됩니다.
• w<time_ms> 여기서 <time_ms>는 로봇으로 전송되는 바퀴 주행 거리 측정 사이의 시간(ms)을 나타냅니다(기본값 = 1000). 바퀴 속도는 지속적으로 모니터링되며 지정된 시간 간격에 대한 평균으로 rpm이 계산됩니다.
• v<time_ms> 여기서 <time_ms>는 로봇으로 전송되는 전압 측정 사이의 시간(ms)을 나타냅니다(기본값 = 1000). 전압은 지속적으로 모니터링되며 크기 10의 이동 평균 필터를 통해 필터링됩니다. 전압 판독값의 시간 간격을 설정하는 것 외에도 이 명령을 보내면 모터를 구동하기 위한 최소 전압(vmin:<value>), 최소 배터리 전압(vlow:<value>) 및 최대 배터리 전압(vmax:<value>)을 보고하는 메시지도 트리거됩니다.
• h<time_ms> 여기서 <time_ms>는 새 하트비트 메시지를 수신하지 않으면 로봇이 정지할 시간(ms)을 나타냅니다(기본값 = -1).
• b<time_ms> 여기서 <time_ms>는 범퍼 트리거가 재설정될 시간(ms)을 나타냅니다(기본값 = 750).
• n<color>,<state> 여기서 <color>는 상태 LED(b = 파란색, g = 녹색, y = 노란색)에 해당하고 state는 해당 값(0 = 꺼짐, 1 = 켜짐)에 해당합니다.
• f는 OpenBot에 로봇 유형 및 기능(예: 전압 측정(v), 표시등(i), 초음파(s), 범퍼 센서(b), 바퀴 주행 거리 측정(wf, wb), LED(lf, lb, ls) 등)을 포함한 메시지를 반환하도록 요청을 보냅니다. 예를 들어 OpenBot의 RTR_V1 버전의 경우 메시지는 다음과 같습니다: fRTR_V1:v:i:s:b:wf:wb:lf:lb:ls:.

OpenBot으로부터 메시지 수신

구성에 따라 다른 메시지가 표시될 수 있습니다.

• v로 시작하는 메시지는 배터리 전압을 보고합니다. 배터리를 자동차에 연결하면(즉, 스위치를 켜면) 배터리 전압이 표시됩니다. 배터리를 분리하면(즉, 스위치를 끄면) 작은 값이 표시됩니다.
• w로 시작하는 메시지는 회전 속도 센서의 판독값을 보고합니다. 인코더 디스크의 각 구멍은 방향에 따라 카운터를 플러스/마이너스 1씩 증가시킵니다. DISK_HOLES 매개변수를 사용하여 구멍 수를 설정할 수 있습니다. 20개의 구멍이 있는 표준 디스크를 사용하는 경우 바퀴가 한 바퀴 회전할 때마다 20번의 카운트가 발생합니다.
• s로 시작하는 메시지는 초음파 센서 앞의 추정 여유 공간을 cm 단위로 보고합니다.
• b로 시작하는 메시지는 충돌을 보고합니다. lf(왼쪽 앞), rf(오른쪽 앞), cf(중앙 앞), lb(왼쪽 뒤), rb(오른쪽 뒤) 코드는 충돌을 감지한 센서를 나타냅니다.

테스트 절차

진행하기 전에 타이어가 제거되었는지 확인하세요. 명령을 보내려면 직렬 모니터를 열어야 하며 OpenBot에서 수신한 메시지를 볼 수 있습니다. OLED 디스플레이가 설치된 경우 차량 상태가 더 읽기 쉬운 형식으로 표시됩니다. 다음 테스트 절차를 사용하여 자동차의 모든 기능을 테스트할 수 있습니다:

1. 자동차를 켜고 배터리 전압(v 뒤의 숫자)을 관찰합니다. 멀티미터로 판독값을 확인하고 필요한 경우 VOLTAGE_DIVIDER_FACTOR를 조정할 수 있습니다.
2. 초음파 센서가 설치된 경우:
   1. 센서 앞에 손을 대고 앞뒤로 움직입니다. 판독값(s 뒤의 숫자)이 이에 따라 변경되는 것을 볼 수 있어야 합니다.
   2. 초음파 센서가 진동에 매우 민감하다는 것을 관찰했습니다! 따라서 다음 테스트를 수행하여 작동 중에 신뢰할 수 있는 판독값을 얻을 수 있는지 확인하는 것이 좋습니다:
      1. 초음파 센서가 설치된 OpenBot을 앞에 최소 200cm의 여유 공간이 있도록 배치합니다. 200 이상의 판독값이 표시되어야 합니다.
      2. 일정 시간 동안 직렬 모니터의 판독값을 관찰한 다음 명령 c128,128을 입력합니다.
      3. 센서 판독값이 크게 변경되면 섀시에서 초음파 센서로 전달되는 진동을 완화해야 합니다(예: 실리콘 추가, 장착 위치 조정).
3. 속도 센서가 설치된 경우:
   1. 초음파 센서 앞에 충분한 여유 공간이 있는지 확인합니다. 판독값(s 뒤의 숫자)은 기본값으로 10인 STOP_DISTANCE 이상이어야 합니다.
   2. 명령 c128,128을 보냅니다. 모터가 느린 속도 (50% PWM)로 회전하기 시작합니다. 속도 센서 판독값(w 뒤의 값)은 rpm 단위로 보고되며 배터리의 SOC에 따라 RTR_TT 버전의 경우 250에서 300 사이여야 합니다. DIY 버전이나 더 약한 배터리를 사용하는 경우 값이 더 낮을 수 있습니다. 모든 모터가 앞으로 회전하고 속도 센서 판독값이 양수인지 확인합니다.
   3. 다른 제어를 시도하고 속도 센서 판독값을 관찰합니다. 예를 들어, 명령 c-128,-128은 모든 모터를 느린 속도 (50% PWM)로 역방향으로 회전시킵니다. 명령 c255,-255는 왼쪽 모터를 앞으로, 오른쪽 모터를 빠른 속도 (100% PWM)로 역방향으로 회전시킵니다. 명령 c-192,192는 왼쪽 모터를 역방향으로, 오른쪽 모터를 일반 속도 (75% PWM)로 앞으로 회전시킵니다.
4. 명령 c0,0을 보내거나 초음파 센서 앞에 손을 대어 모터를 정지시킵니다.
5. 표시등 LED가 설치된 경우 명령 i1,0을 보내고 왼쪽 표시등이 깜박이는 것을 관찰합니다. 그런 다음 명령 i0,1을 보내고 오른쪽 표시등이 깜박이는 것을 관찰합니다. 마지막으로 명령 i0,0을 보내 표시등을 끕니다.

No Phone 모드

OpenBot 애플리케이션이 설치된 스마트폰으로 자동차를 테스트하기 전에 먼저 전화 없이 자동차를 테스트할 수도 있습니다. 옵션 NO_PHONE_MODE를 1로 설정하기만 하면 됩니다. 이제 자동차는 일반 속도 (75% PWM)로 주행하며 초음파 센서로 장애물을 감지하면 속도가 느려집니다. TURN_THRESHOLD(기본값: 50cm)에 가까워지면 무작위 방향으로 회전하기 시작하고 해당 측면의 LED가 켜집니다. 자동차 앞의 추정 여유 공간이 TURN_THRESHOLD보다 낮아지면 천천히 후진하고 두 LED가 켜집니다. 자동차와 Arduino 모두 전원이 공급되어야 합니다. Arduino는 L298N 모터 드라이버의 5V 출력에 5V 핀을 연결하거나 USB 케이블을 전원 공급원(예: 전화)에 연결하여 전원을 공급할 수 있습니다.

자동차를 실행하기 전에 타이어를 제거하고 Arduino를 컴퓨터에 연결하고 테스트 섹션과 같이 직렬 모니터를 관찰하는 것이 좋습니다. 직렬 모니터의 출력은 약간 더 쉽게 구문 분석할 수 있으며(OLED와 동일) 배터리 전압, 왼쪽 및 오른쪽 모터의 rpm, 자동차 앞의 추정 여유 공간을 보여줍니다. 초음파 센서 앞에서 큰 물체를 앞뒤로 움직이고 모터 속도가 변하는 것을 관찰할 수 있습니다.

:warning: 경고: 초음파 센서가 설치되어 있지 않거나 비활성화된 경우 자동차는 일반 속도 (75% PWM)로 앞으로 주행하며 결국 충돌하게 됩니다. 센서가 설치되어 있어도 판독값이 노이즈가 많아 자동차가 가끔 충돌할 수 있습니다.

다른 MCU 사용 (요구 사항)

다음 기능이 있는 다른 MCU를 사용할 수 있습니다:

• 1x USB-to-TTL 직렬(스마트폰과의 통신)
• 4x PWM 출력(모터 제어)
• 배터리 모니터링용 1x 아날로그 핀
• 속도 센서용 2x 디지털 핀
• 초음파 센서용 1x 디지털 핀(선택 사항)
• 표시등 LED용 2x 디지털 핀(선택 사항)

다음

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