'2016/12'에 해당되는 글 3건

이번 글에서는 앞선 글의 내용들을 이용해 어떻게 프로그램을 짰는지 설명한다.


프로그램의 구조는 아래와 같다.

  1. 백그라운드에서 3개의 마이크에서 음성 신호를 받는대로 고속 푸리에 변환(FFT)을 수행해 특정 주파수 대역의 크기(Magnitude)를 구해 방향을 찾는다
  2. 일정 주기로 1의 결과를 읽어와, EV3가 수신할 수 있는 데이터 포맷으로 인코딩해 전송한다.
  3. EV3 로봇은 그 데이터를 수신해 방향을 향해 회전하고 이동한다.


1, 2, 3번 프로그램은 각각 별개로 실행되고, 서로 데이터를 주고받는 방법을 가지게 한다.



1번 프로그램


우선 1번 프로그램은 시스템 의존적인 부분이 대부분이고, 또 그것들은 C 라이브러리로 제공되기에 C언어로 작성했다.


마이크에서 값을 받아오는 부분은 리눅스 환경의 ALSA를 이용해 녹음하는 예제(링크)를 이용했다. 복잡한 기능 없이 소리만 읽어오면 되므로 위의 간단한 코드로 큰 문제 없이 값을 얻어올 수 있었다.


라즈베리 파이에서 FFT를 수행하기 위해 검색한 결과, 내장된 GPU를 이용해 연산을 수행하는 라이브러리가 공개되어 있었다.(라즈베리 파이 블로그, GPU_FFT 프로젝트 페이지) 이 라이브러리를 이용해 빠르게 계산할 수 있고, 여러 개의 작업을 모아 한번에 수행(batch)하는 기능도 있어 3개의 마이크를 이용하는 데 적합하다고 생각했다.


마지막으로, 계속 연산을 수행하면서도 2번 프로그램과 통신을 하기 위해 pipe와 fork를 사용했다.

1번 프로그램은 실행되면 pipe를 열고 fork를 해서 자식 프로세스를 만든다. 부모 프로세스는 stdin에서 입력을 대기하고, 입력이 들어온 경우 자식 프로세스에 SIGUSR1을 발생시킨 뒤 pipe read를 대기한다.

자식 프로세스는 계속해서 마이크에서 값을 읽어와 연산을 수행하고, SIGUSR1을 받았을 때 pipe로 현재 각도를 전송(write)한다.

그러면 부모 프로세스는 pipe에서 각도를 읽어오게 되고, 그 각도를 stdout으로 출력한다.



2번 프로그램


2번 프로그램은 파이썬으로 되어있는데, 이 프로그램이 맡는 역할은 이렇다.


우선 블루투스 SPP 프로파일이 사용되도록 설정된 라즈베리 파이에서(참고),

이 프로그램은 우선 subprocess 모듈로 "rfcomm watch hci0" 프로세스를 실행해 EV3가 라즈베리 파이에 연결되어  "/dev/rfcomm0" 포트가 생기기를 기다린다.

포트가 생겼다면, serial 모듈로 /dev/rfcomm0 과 연결해 EV3와의 통신 연결을 만든다.


그 후, subprocess로 stdin과 stdout을 PIPE시킨 1번 프로그램을 실행한다.

다음으로 1초 간격으로 루프를 돌면서, 1번 프로그램의 stdin으로 데이터 하나를 입력해서, stdout으로 출력되는 각도를 가져온다.

그 각도(-180 ~ 180)을 EV3 모터 입력으로 들어갈 방향의 범위(-100 ~ 100)로 변환한 뒤, struct 모듈을 이용해 EV3 메시지 포맷에 맞는 형태로 감싸서 serial로 전송한다.(참고, 이 글에서는 EV3로부터의 수신이지만, EV3로의 송신도 가능함을 확인했다. EV3로의 송신 관련해서는 자료가 전무해 힘들었다.)


만약 1번 프로그램이 종료되거나 시리얼 포트로 자료가 전송되지 않았다면, 1번 프로그램에 문제가 발생했거나 EV3와의 연결이 종료된 것으로 판단, 반복문을 빠져나가 /dev/rfcomm0 포트 대기 부분으로 돌아간다.



3번 프로그램


마지막으로 3번 EV3 프로그램은 복잡한 동작은 없어 레고 EV3 블록 프로그래밍 툴로 제작했다.

라즈베리 파이와 블루투스 연결을 하고 블루투스로 각도 정보를 읽어오는 부분, 저장된 각도 정보대로 모터를 조종해 이동하는 부분으로 구성되어있다.



결론


2번 프로그램의 EV3로의 송신 관련해서는 나중에 또 글을 올릴 예정이다. 구글링을 해봐도 자료가 라즈베리 파이에서 수신하는 것 하나만 나와서, 혹시라도 같은 주제로 헤맬 사람이 있을지 몰라 정보를 공유하려고 한다.

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(이전 글) 2016/12/08 - [진행중인 프로젝트/Homing Robot] - 프로젝트 개요


지난 포스트에서 프로그램의 흐름을 말했는데, 여기서는 좀 더 구체적으로 방법을 설명하려고 한다.


우선 소리의 크기는 거리가 멀어질 수록 작아진다는 점에서 착안해, 마이크에 인식되는 소리의 크기는 그 마이크의 주인으로부터의 거리와 비례한다고 가정했다. (여기서 소리의 반사, 2개 이상의 음원, 거리에 따른 역자승 법칙 등은 고려하지 않았다.)


이 때 로봇에 마이크를 3개 장착하는데, 그 마이크들은 서로 120˚의 각도를 두고 각각 전방 왼쪽, 전방 오른쪽, 후방에 배치한다.

그러면 각 위치로부터 들리는 소리의 크기를 마이크 방향 벡터와 곱해서, 그 합이 음원의 위치일 것이라고 생각하고, 식을 계산했다.


이것을 구현할 때, 단순히 소리의 크기로만 계산하면 다른 소리나 잡음에 취약하기도 하고, 주인만을 찾아가기가 힘들 것이라고 생각했다.

그래서 주인은 특정한 신호를 내고, 로봇은 그 특정한 신호만 인식하기 위해 푸리에 변환을 사용했다. 푸리에 변환으로 일정한 주기의 소리를 주파수 대역별 음량으로 변환해서, 그 중 원하는 주파수 대역만 골라 사용하는 것이다.

이걸 이용해 주인, 집, 다른 사람 등 서로 다른 주파수 대역을 사용해 대상을 바꾸는 것도 생각했는데 미처 구현하지는 못하고 주인의 주파수만 따라오도록 했다.


정리하면, 주인이 특정 주파수를 내는 비콘(스마트폰의 사인파 소리 생성기 앱)을 들고있으며, 로봇은 마이크별로 다르게 들려올 그 주파수 대역의 음량을 이용해 방향을 찾는다.


여기서 주인이 내는 주파수는 사람에게 잘 안들리는, 들려도 심하게 거슬리지는 않을 18000Hz로 사용했었는데, 실험해본 결과 마이크 감도 문제인지 방향을 잘 잡지 못해서 15000Hz로 내리게 되었다.

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이 프로젝트는 「신호및시스템」 과목에서 팀 프로젝트로 진행했던 작품이다.

팀 프로젝트 과제 자체는 레고 마인드스톰 EV3, 드론, 라즈베리파이 등을 이용해 자유롭게 제작하는 것이었고, 우리 프로젝트의 주제는 "애완 로봇 만들기"로, 목표는 "특정 신호를 찾아가는 로봇을 제작"으로 설정했다.


주제의 구상 과정은 이렇다.

어쩌다가 팀에서 강아지 이야기가 나오고, 그걸 중심으로 강아지에 필요한 기능들을 토론해서, 주인 명령 듣기, 주인 따라가기, 쓰다듬기 등 행동을 하면 반응하기와 같은 내용이 도출됐다.

이러한 주제 중 가장 프로젝트로서 가치있을 내용인 '주인을 따라가는 행동'을 주된 목적으로 삼았고 쓰다듬기, 꼬리 만지기에 대한 간단한 동작을 추가했으며 주인 명령 듣기는 구현을 하려 했으나 미처 완성하지 못했다.

주인을 따라가는 법에 대해, 동물은 귀가 2개라는 점에서 착안해서 2개의 마이크로 방향을 찾기로 생각했다. 그러나 생각해보니, 2개만으로는 앞/뒤를 특정할 수 없어서 일단 한 방향으로 진행해보고 멀어진다 싶으면 반대로 진행해야 함을 알 수 있었고, 따라서 마이크를 하나 더 늘려 3개를 사용하기로 했다. (삼각측량에서 평면 상의 한 점을 특정하려면 3개의 점으로부터의 정보가 필요하다는 상식이 구상에 도움이 됐다.)


주인을 찾아가는 방법은 다음과 같다.

  • 라즈베리 파이에 마이크 3개를 장착한다.
  • 라즈베리 파이에 탑재해 실행할 프로그램에서 마이크 간의 소리 크기 차이로 방향을 추정하고, 그 추정된 방향을 레고로봇에 알려줘 그 방향으로 조금씩 움직인다.
  • 방향 추정과 이동을 동시에, 반복적으로 수행해서 결과적으로 소리원(주인)에게 다가간다.


자세한 기술적, 프로그램적 내용은 다음 포스트에서 이어서 올릴 예정이다.

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