2. 모터 구동

• 모터를 작동시켜 실제 움직이는 자동차를 구현해보자.

2-1. DC모터의 기본적인 동작.

DC모터?

• 전기자에 흐르는 전류의 방향전환함으로 영구자석의 반발, 흡인력을 이용하여 회전시키는 모터의 총칭

• DC모터의 출력은 기본적으로 전류의 방향 (+, -)으로 회전한다.

• 때문에 일반적인 모터가 역회전 하기 위해선 수작업으로 전류의 방향을 바꾸어주거나 해당 역할을 수행하는 모듈이 있어야 한다. 이를 모터 드라이버 라고 칭한다.

• 해당 RC카에는 좌측의 1개 우측의 1개로 총 2개의 모터 드라이버(TB6612)가 탑재되어 있다.

control PIN

A channel

• PWMA = 18 : 좌측 모터의 회전 속도를 담당
• AIN2 = 27 : 좌측 모터의 정방향 회전을 담당
• AIN1 = 22 : 좌측 모터의 역방향 회전을 담당

B channel

• PWMB = 25 : 우측 모터의 회전 속도를 담당
• BIN2 = 24 : 우측 모터의 정방향 회전을 담당
• BIN1 = 23 : 우측 모터의 역방향 회전을 담당

1. 좌측 모터 드라이버를 이용하여 좌츠 바퀴를 회전 시켜보자 (motor.py)

import RPi.GPIO as gpio
import time

PWMA = 18
AIN1 = 22
AIN2 = 27

gpio.setmode(gpio.BCM)
gpio.setup(PWMA, gpio.OUT)
gpio.setup(AIN1, gpio.OUT)
gpio.setup(AIN2, gpio.OUT)

L_Motor = gpio.PWM(PWMA, 500) # PWM 주파수 설정
L_Motor.start(0)

try:
        while True:
                # 동작부
                gpio.output(AIN1, 0) # AIN1가 HIGH이면 전진, AIN2가 HIGH이면 후진, 둘다 HIGH하면 과부화 온다.
                gpio.output(AIN2, 1) # gpio.HIGH == 0, LOW == 1
                L_Motor.ChangeDutyCycle(50) # pwm 동작 백분율 100이면 100%이다.
                time.sleep(0.5)

                
                # 정지부
                gpio.output(AIN1, 0)
                gpio.output(AIN2, 1)
                L_Motor.ChangeDutyCycle(0)
                time.sleep(0.5)
                
except KeyboardInterrupt:
        pass
        
gpio.cleanup()
L_Motor.stop()

• 좌측 모터가 0.5초간 회전한 뒤, 0.5초간 정지하는 결과를 확인 할 수 있다.

잠깐! PWM?

• 앞서 부저 모듈에서도 사용되었던 기능이지만 PWM기능이 잘 이해되지 않을 수 있다.
• 디지털 출력에 있어서 PWM은 굉장히 중요한 부분이기 때문에 완전히 이해하고 넘어가자!

이 영상이 이해가 됐다면 앞으로의 설명은 넘어가도 좋다

일반적인 LED 모듈 출력 (펄스 100%)

• 아래 코드 실행하면 동영상 나옵니다!

from IPython.display import YouTubeVideo
YouTubeVideo('BdIGOH-fQjI', 300, 200)

• 일반적인 전력 출력은 센서가 허용할 수 있는 전력 규격만 맞다면 100%에 가까운 출력을 낼 수 있다. (LED 모듈 3.3v ~ 5v / 라즈베리파이 출력 전력 5v)

PWM 기능으로 출력을 20%까지 떨어트린 LED모듈 (펄스 20%)

• 아래 코드 실행하면 동영상 나옵니다!

from IPython.display import YouTubeVideo
YouTubeVideo('bgrV0uwUQ9A', 300, 200)

• PWM 기능으로 출력을 20% 상태까지 낮추자 한 눈에 보더라도 밝기가 많이 약해진 것을 확인 할 수 있다.
• 더불어 출력 100%에 비해 LED 출력이 불안정한 것도 볼 수 있는데,
• 이는 켜졌다 꺼졌다하는 시간적 비중을 크게 주어 육안으로도 깜빡임이 어느 정도 확인되는 부분이다.

PWM의 메커니즘

센서에 전력이 ON 된 상태

센서에 전력이 OFF 된 상태

• 위 그림과 같이 디지털 센서는 켜짐 or 꺼짐의 두 가지 입출력 만이 가능하다.

이제 우리는 이 신호를 일정한 규격(주파수 / hz)으로 나눌 것이다.

• 본래 주파수란 1초 동안 음파의 떨림의 횟수를 뜻하지만
• 지금은 1초 동안 켜짐과 꺼짐을 감지하는 행동을 반복하는 횟수로 생각하면 좋다.

• 위의 모터 예제에서는 gpio.PWM(num, hz) 함수를 통해 주파수를 설정했다.
• 위의 코드에서는 1초 동안 켜짐과 꺼짐을 감지하는 행동을 500회 반복하도록 설정했다.
  • num : GPIO PIN 번호
  • hz : 주파수 설정

이 500등분 된 1초의 구간 안에서 켜짐과 꺼짐 행동이 반복되게 된다 아래에서 부터는 500등분 중 6등분 만을 확대해서 확인해보도록 하자

• gpio.PWM() 함수의 Hz 설정으로 인해 1초는 일정한 길이로 500등분 되었다.
• 그 중 1개 등분 동안의 진행 시간은 0.002s == 2ms 가 된다.

이제 이 500개의 등분 들의 켜짐과 꺼짐의 비율을 설정해 줄 것이다

DutyCycle

• 신호의 한 주기(즉 한 등분 / period)에서 신호가 켜져있는 시간의 비율을 백분율로 나타낸 수치이다.
• 즉 DutyCycle이 100이면 상시 전원이 켜져있는 것 == pwm을 사용하지 않는것
• DutyCycle이 50이라면 켜져 있는 비율이 50%, 꺼져있는 비율이 50% 라는 뜻이다.
• gpio.ChangeDutyCycle() 함수를 통해 설정이 가능하다.

• 가령 켜져있는 비율이 20% / 꺼져있는 비율이 80% 라면 아래와 같은 그래프가 그려질 것이다.

2ms 중 20% 만이 전원이 들어온 상태이며 이 행동을 1초동안 500회 반복하게 된다

동영상 속의 LED가 1초 동안 500회 깜빡이는데, 그 중 2ms 조차 켜짐과 꺼짐의 시간적 비율 차이가 있으므로
그 속도가 너무 빨라서 인간의 눈에서는 상시 켜져 있다고 밖에 볼 수 없는 것이다. 하지만 약 2ms의 시간 중 80%는 분명히 꺼져있는 시간이기 때문에 그 밝기가 약해져 보이는 것이다.

DutyCycle(20)은 예를 들어 위와 같은 모습이다.
아까의 100%의 실선에 비해 드문드문 비어있는 점선이 되고 말았지만
전력의 출력은 확실하게 있기 때문에 약한 빛이 출력된다.

결론
PWM은 이러한 비율의 차이를 이용하여 디지털 신호를 쪼개고 쪼개어 그 단계를 나누어 출력하는 방법이다.

PWM 설명 끝

2. 속도 변화 예제 (motor2.py)

import RPi.GPIO as gpio
import time

PWMA = 18
AIN1 = 22
AIN2 = 27

gpio.setmode(gpio.BCM)
gpio.setup(PWMA, gpio.OUT)
gpio.setup(AIN1, gpio.OUT)
gpio.setup(AIN2, gpio.OUT)

L_Motor = gpio.PWM(PWMA, 500) # 각 모듈마다 허용된 주파수가 정해져 있다 (정해진 주파수를 초과해서 on/off를 반복하면 상식적으로 과부화가 올 것이다.)
L_Motor.start(0)

try:
        while True:
                # 동작부
                gpio.output(AIN1, 0) # gpio.HIGH
                gpio.output(AIN2, 1) # gpio.LOW
                time.sleep(0.5)
                
                gpio.output(AIN1, 0) # gpio.HIGH
                gpio.output(AIN2, 1) # gpio.LOW
                L_Motor.ChangeDutyCycle(50) # 50%로 하강
                time.sleep(0.5)
                
                
                # 정지부
                gpio.output(AIN1, 0)
                gpio.output(AIN2, 1)
                L_Motor.ChangeDutyCycle(0)
                time.sleep(0.5)
                
                # 동작부
                gpio.output(AIN1, 0) # gpio.HIGH
                gpio.output(AIN2, 1) # gpio.LOW
                L_Motor.ChangeDutyCycle(100) # pwm 동작 백분율 100이면 100%이다.
                time.sleep(0.5)
                
                gpio.output(AIN1, 0) # gpio.HIGH
                gpio.output(AIN2, 1) # gpio.LOW
                L_Motor.ChangeDutyCycle(70) # 70%로 하강
                time.sleep(0.5)
                
                
                # 정지부
                gpio.output(AIN1, 0)
                gpio.output(AIN2, 1)
                L_Motor.ChangeDutyCycle(0)
                time.sleep(0.5)
                
except KeyboardInterrupt:
        pass
        
gpio.cleanup()
L_Motor.stop()

3. 방향전환 예제 (motor3.py)

import RPi.GPIO as gpio
import time

PWMA = 18 # 좌측 모터 드라이브
AIN1 = 22 # 정방향
AIN2 = 27 # 역방향

gpio.setmode(gpio.BCM)
gpio.setup(PWMA, gpio.OUT)
gpio.setup(AIN1, gpio.OUT)
gpio.setup(AIN2, gpio.OUT)

L_Motor = gpio.PWM(PWMA, 500)
L_Motor.start(0) # 시작 주파수 0 == LOW

try:
        while True:
                gpio.output(AIN1, 0) # 정방향 HIGH
                gpio.output(AIN2, 1) # 역방향 LOW
                L_Motor.ChangeDutyCycle(50)
                time.sleep(0.5)
                
                gpio.output(AIN1, 0)
                gpio.output(AIN2, 1)
                L_Motor.ChangeDutyCycle(0)
                time.sleep(0.5)
                
                gpio.output(AIN1, 1)
                gpio.output(AIN2, 0)
                L_Motor.ChangeDutyCycle(50)
                time.sleep(0.5)
                
                gpio.output(AIN1, 1)
                gpio.output(AIN2, 0)
                L_Motor.ChangeDutyCycle(0)
                time.sleep(0.5)
                
except KeyboardInterrupt:
        pass
gpio.cleanup()
L_Motor.stop()

Q1. 모터 드라이브B의 코드를 추가하여 이용한 완전한 방향전환 예제

2-2. 스위치를 입력받아 자동차 조종하기 예제

1단계. 뼈대 제작하기 (motor4-1.py)

import RPi.GPIO as gpio
import time

# SW1 = 5
# SW2 = 6
# SW3 = 13
# SW4 = 19

sw = [5,6,13,19]

gpio.setmode(gpio.BCM)

# SWITCH setup
for i in sw:
    gpio.setup(i, gpio.IN, pull_up_down=gpio.PUD_DOWN)
    
try:
    while True:
        if gpio.input(sw[0]) == gpio.HIGH:
            print("go")
            
        elif gpio.input(sw[1]) == gpio.HIGH:
            print("right")
        elif gpio.input(sw[2]) == gpio.HIGH:
            print("left")
        elif gpio.input(sw[3]) == gpio.HIGH:
            print("back")
        else:
            print("stop")
            
        time.sleep(0.1)
        
except KeyboardInterrupt:
    pass

gpio.cleanup()

2단계. 전진후진 기능 구현 (motor4-2.py)

import RPi.GPIO as gpio
import time

gpio.setmode(gpio.BCM)

SW1 = 5
SW2 = 6
SW3 = 13
SW4 = 19

PWMA = 18
AIN1 = 22
AIN2 = 27

PWMB = 23
BIN1 = 25
BIN2 = 24

sw = [5,6,13,19]
driveA = [18, 22, 27]
driveB = [23, 25, 24]

# SWITCH setup
for i in sw:
    # 스위치의 모든 setup 설정이 같기 때문에 반복문으로 진행 가능
    gpio.setup(i, gpio.IN, pull_up_down=gpio.PUD_DOWN)
    
# drive setup
for i in driveA:
    # 드라이브의 모든 setup 설정이 같기 때문에 반복문으로 진행 가능
    gpio.setup(i, gpio.OUT)
    
for i in driveB:
    # 드라이브의 모든 setup 설정이 같기 때문에 반복문으로 진행 가능
    gpio.setup(i, gpio.OUT)
    
# 모터 드라이브 PWM 설정
L_M = gpio.PWM(PWMA, 500)
L_M.start(0)

R_M = gpio.PWM(PWMB, 500)
R_M.start(0)

    
try:
    while True:
        if gpio.input(sw[0]) == gpio.HIGH:
            print("go")
            gpio.output(AIN1, 0)
            gpio.output(AIN2, 1)
            L_M.ChangeDutyCycle(50)
            
            gpio.output(BIN1, 0)
            gpio.output(BIN2, 1)
            R_M.ChangeDutyCycle(50)
            
            
        elif gpio.input(sw[1]) == gpio.HIGH:
            print("right")
        elif gpio.input(sw[2]) == gpio.HIGH:
            print("left")
        elif gpio.input(sw[3]) == gpio.HIGH:
            print("back")
            gpio.output(AIN1, 1)
            gpio.output(AIN2, 0)
            L_M.ChangeDutyCycle(50)
            
            gpio.output(BIN1, 1)
            gpio.output(BIN2, 0)
            R_M.ChangeDutyCycle(50)
            
        else:
            print("stop")
            gpio.output(AIN1, 0)
            gpio.output(AIN2, 1)
            L_M.ChangeDutyCycle(0)
            
            gpio.output(BIN1, 0)
            gpio.output(BIN2, 1)
            R_M.ChangeDutyCycle(0)
            
        time.sleep(0.1)
        
except KeyboardInterrupt:
    pass

gpio.cleanup()

3단계 좌회전 우회전 기능 구현화 (motor4-3.py)

import RPi.GPIO as gpio
import time

gpio.setmode(gpio.BCM)

SW1 = 5
SW2 = 6
SW3 = 13
SW4 = 19

PWMA = 18
AIN1 = 22
AIN2 = 27

PWMB = 23
BIN1 = 25
BIN2 = 24

sw = [5,6,13,19]
driveA = [18, 22, 27]
driveB = [23, 25, 24]

# SWITCH setup
for i in sw:
    # 스위치의 모든 setup 설정이 같기 때문에 반복문으로 진행 가능
    gpio.setup(i, gpio.IN, pull_up_down=gpio.PUD_DOWN)
    
# drive setup
for i in driveA:
    # 드라이브의 모든 setup 설정이 같기 때문에 반복문으로 진행 가능
    gpio.setup(i, gpio.OUT)
    
for i in driveB:
    # 드라이브의 모든 setup 설정이 같기 때문에 반복문으로 진행 가능
    gpio.setup(i, gpio.OUT)
    
# 모터 드라이브 PWM 설정
L_M = gpio.PWM(PWMA, 500)
L_M.start(0)

R_M = gpio.PWM(PWMB, 500)
R_M.start(0)

    
try:
    while True:
        if gpio.input(sw[0]) == gpio.HIGH:
            print("go")
            gpio.output(AIN1, 0)
            gpio.output(AIN2, 1)
            L_M.ChangeDutyCycle(50)
            
            gpio.output(BIN1, 0)
            gpio.output(BIN2, 1)
            R_M.ChangeDutyCycle(50)
            
            
        elif gpio.input(sw[1]) == gpio.HIGH:
            print("right")
            gpio.output(AIN1, 0)
            gpio.output(AIN2, 1)
            L_M.ChangeDutyCycle(50)
            
            gpio.output(BIN1, 1)
            gpio.output(BIN2, 0)
            R_M.ChangeDutyCycle(50)
            
        elif gpio.input(sw[2]) == gpio.HIGH:
            print("left")
            gpio.output(AIN1, 1)
            gpio.output(AIN2, 0)
            L_M.ChangeDutyCycle(50)
            
            gpio.output(BIN1, 0)
            gpio.output(BIN2, 1)
            R_M.ChangeDutyCycle(50)
            
            
        elif gpio.input(sw[3]) == gpio.HIGH:
            print("back")
            gpio.output(AIN1, 1)
            gpio.output(AIN2, 0)
            L_M.ChangeDutyCycle(50)
            
            gpio.output(BIN1, 1)
            gpio.output(BIN2, 0)
            R_M.ChangeDutyCycle(50)
            
        else:
            print("stop")
            gpio.output(AIN1, 0)
            gpio.output(AIN2, 1)
            L_M.ChangeDutyCycle(0)
            
            gpio.output(BIN1, 0)
            gpio.output(BIN2, 1)
            R_M.ChangeDutyCycle(0)
            
        time.sleep(0.1)
        
except KeyboardInterrupt:
    pass

gpio.cleanup()

4단계. 함수 모듈화 (motor4-4.py)

import RPi.GPIO as gpio
import time

gpio.setmode(gpio.BCM)

SW1 = 5
SW2 = 6
SW3 = 13
SW4 = 19

PWMA = 18
AIN1 = 22
AIN2 = 27

PWMB = 23
BIN1 = 25
BIN2 = 24

sw = [5,6,13,19]
driveA = [18, 22, 27]
driveB = [23, 25, 24]

# SWITCH setup
for i in sw:
    # 스위치의 모든 setup 설정이 같기 때문에 반복문으로 진행 가능
    gpio.setup(i, gpio.IN, pull_up_down=gpio.PUD_DOWN)
    
# drive setup
for i in driveA:
    # 드라이브의 모든 setup 설정이 같기 때문에 반복문으로 진행 가능
    gpio.setup(i, gpio.OUT)
    
for i in driveB:
    # 드라이브의 모든 setup 설정이 같기 때문에 반복문으로 진행 가능
    gpio.setup(i, gpio.OUT)
    
# 모터 드라이브 PWM 설정
L_M = gpio.PWM(PWMA, 500)
L_M.start(0)

R_M = gpio.PWM(PWMB, 500)
R_M.start(0)

def forward(speed):
    gpio.output(AIN1, 0)
    gpio.output(AIN2, 1)
    L_M.ChangeDutyCycle(speed)

    gpio.output(BIN1, 0)
    gpio.output(BIN2, 1)
    R_M.ChangeDutyCycle(speed)
    
def backward(speed):
    gpio.output(AIN1, 1)
    gpio.output(AIN2, 0)
    L_M.ChangeDutyCycle(speed)

    gpio.output(BIN1, 1)
    gpio.output(BIN2, 0)
    R_M.ChangeDutyCycle(speed)
    
def right(speed):
    gpio.output(AIN1, 0)
    gpio.output(AIN2, 1)
    L_M.ChangeDutyCycle(speed)

    gpio.output(BIN1, 1)
    gpio.output(BIN2, 0)
    R_M.ChangeDutyCycle(speed)

def left(speed):
    gpio.output(AIN1, 1)
    gpio.output(AIN2, 0)
    L_M.ChangeDutyCycle(speed)

    gpio.output(BIN1, 0)
    gpio.output(BIN2, 1)
    R_M.ChangeDutyCycle(speed)
    
def stop():
    gpio.output(AIN1, 0)
    gpio.output(AIN2, 1)
    L_M.ChangeDutyCycle(0)

    gpio.output(BIN1, 0)
    gpio.output(BIN2, 1)
    R_M.ChangeDutyCycle(0)



try:
    while True:
        if gpio.input(sw[0]) == gpio.HIGH:
            print("go")
            forward(50)
            
            
        elif gpio.input(sw[1]) == gpio.HIGH:
            print("right")
            right(50)
            
        elif gpio.input(sw[2]) == gpio.HIGH:
            print("left")
            left(50)
            
            
        elif gpio.input(sw[3]) == gpio.HIGH:
            print("back")
            backward(50)
            
        else:
            print("stop")
            stop()
            
        time.sleep(0.1)
        
except KeyboardInterrupt:
    pass

gpio.cleanup()

5단계. gpio 인터럽트 함수 (아직)

6단계. 통합 함수 (motor4-6.py)

import RPi.GPIO as gpio
import time

gpio.setmode(gpio.BCM)

SW1 = 5
SW2 = 6
SW3 = 13
SW4 = 19

PWMA = 18
AIN1 = 22
AIN2 = 27

PWMB = 23
BIN1 = 25
BIN2 = 24

sw = [5,6,13,19]
driveA = [18, 22, 27]
driveB = [23, 25, 24]

# SWITCH setup
for i in sw:
    # 스위치의 모든 setup 설정이 같기 때문에 반복문으로 진행 가능
    gpio.setup(i, gpio.IN, pull_up_down=gpio.PUD_DOWN)
    
# drive setup
for i in driveA:
    # 드라이브의 모든 setup 설정이 같기 때문에 반복문으로 진행 가능
    gpio.setup(i, gpio.OUT)
    
for i in driveB:
    # 드라이브의 모든 setup 설정이 같기 때문에 반복문으로 진행 가능
    gpio.setup(i, gpio.OUT)
    
# 모터 드라이브 PWM 설정
L_M = gpio.PWM(PWMA, 500)
L_M.start(0)

R_M = gpio.PWM(PWMB, 500)
R_M.start(0)

def motor(speed, A, B):
    gpio.output(AIN1, A)
    if A <= 0:
        A2 = 1
    else:
        A2 = 0
    gpio.output(AIN2, A2)
    L_M.ChangeDutyCycle(speed)
        
    gpio.output(BIN1, B)
    if B <= 0:
        B2 = 1
    else:
        B2 = 0
    gpio.output(BIN2, B2)
    R_M.ChangeDutyCycle(speed)      
        
    



try:
    while True:
        if gpio.input(sw[0]) == gpio.HIGH:
            print("go")
            motor(50, 0, 0)
            
            
        elif gpio.input(sw[1]) == gpio.HIGH:
            print("right")
            motor(50, 0, 1)
            
        elif gpio.input(sw[2]) == gpio.HIGH:
            print("left")
            motor(50, 1, 0)
            
            
        elif gpio.input(sw[3]) == gpio.HIGH:
            print("back")
            motor(50, 1, 1)
            
        else:
            print("stop")
            motor(0, 0, 0)
            
        time.sleep(0.1)
        
except KeyboardInterrupt:
    pass

gpio.cleanup()