[아두이노]NRF24L01을 이용하여 무선으로 mpu6050 신호 전달하기

자 어느새 목표했던 RC headtracking FPV 만들기의 종착역을 다가가고 있습니다.

앞서 소개해 드렸던 2축 서보마운트 제작 및 서보컨트롤과 mpu6050 을 이용하여 2축 서보모터를 제어하는 내용은 잘 보셨나요? 아직 못보신분은 아래 글을 참고 부탁드립니다

2022.01.31 - [DIY/Arduino] - [아두이노]2축 서보모터 초간단 제어하기, 간단한 프레임 제작까지

[아두이노]2축 서보모터 초간단 제어하기, 간단한 프레임 제작까지

2022.01.31 - [DIY/Arduino] - [아두이노]mpu6050 을 이용하여 2축 서보모터 제어하기

[아두이노]mpu6050 을 이용하여 2축 서보모터 제어하기

 

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오늘은 앞에서 소개해드린 mp6050 을 이용하여 측정한 회전 정보를 이용하여 서보모터를 제어하는 것을 응용하여 무선으로 서보모터를 제어하는 과정을 소개해 드릴 예정인데요, 여기에서는 아주아주 놀랍고 멋진 무선 송수신 칩인 nrf24L01 칩을 이용하여 구현을 할 계획입니다.

nrf24L01 칩의 경우 저렴하면서도 놀라운 성능을 보여주는 아주아주 애정하는 부품입니다.

실제로 해당 칩을 이용하여 RC 카 조종장치와 수신 장치를 만들기도 한적이 있습니다. 제어되는 범위, 거리도 아주 훌륭하고 신호 수준도 좋으며 중요한 것은 1개의 송신부에서 여러개의 수신장치를 제어할 수 있는 멋진 칩 입니다. 게다가 송신과 수신을 하나의 칩에서 지원하고 있으므로 양방향 통신을 구현하는데에도 어려움이 없습니다.

일단 오늘 도전할 목표는 앞서 말씀 드렸던것 처럼 mp6050 자이로 센서에서 측정된 회전 값을 NRF24L01 칩을 이용하여 보내고 또다른 NRF24L01 칩에서 이 신호를 받아 2축 서보모터를 제어하는 과제가 되겠습니다.

이전 포스팅에서 소개해 드린 것에서 무선 송수신이 추가만 되었을 뿐 크게 달라지는 건 없습니다.

무선 송수신을 위한 라이브러리는 웹상에도 많이 있고요, 아래 첨부해둔 라이브러리를 받으셔서 바로 내문서-아두이노 폴더에 넣으셔도 됩니다.

RF24-master.zip

0.39MB

SPI.zip

0.01MB

 

자 이젠 무선 송수신 칩이 들어오면서 배선이 조금 복잡해 집니다.

차근차근 따라 오시면 됩니다.

 

NRF24L01 칩에 대하여

여기서 NRF24L01 칩 외에 추가 준비물이 필요한데요, 준비물은 바로 10uf 전해콘덴서 입니다. 이 전해 콘덴서를 nrf24l01 의 전원 (3.3v) 단에 연결을 해 주셔야 문제 없이 잘 동작합니다. 용량은 가능하면 10uf 로 준비해 주세요, 제가 처음 테스트 할 때 전해 콘덴서 용량이야 뭔들 중요하랴... 싶어 용량이 안 맞는 부품을 적당히 연결해서 해보았지만 잘 안되서 정말 골머리를 썩었는데요, 10uf 콘덴서를 달면 정말 거짓말처럼 동작이 잘 됩니다. 

물론 소스코드나 배선에 실수는 없어야 겠지요.

 

한가지더, nrf24l01 칩은 몇가지 타입이 있는데요, 크기가 작은 SMD 타입과 일반 핀이 달려있는 Dip 타입, 그리고 원거리 송수신이 가능한 PA LN 타입이 있습니다. 핀 구성은 모두 동일하고 배열만 약간 차이가 있으며 코드는 모두 동일하게 지원 합니다. 저는 소형화된 부품이 좋아 보통은 SMD 타입 부품을 사용하고요, 배선이 일렬로 되어 있어 브래드 보드 등에 테스트 하기도 편리한 점이 장점이라 할 수 있습니다. 해외 어떤 사용자 분은 성능도 SMD 타입이 좋다고 하시는데.. 실제로 그런지는 잘 모르겠습니다. (- -)>;;

DIP 타입을 이용하실 경우 확장 보드가 있으면 조금더 편리하게 사용하실 수 있지만 부피가 조금 커진다고 보시면 되고, PA-LNA 보드는 DIP 타입의 확장보드와 호환이 가능하며 아래쪽에 SMD 타입과 같은 보드 실장을 위한 연결 단자가 있으므로 보드에 바로 연결이 가능합니다. PA-LNA 보드의 경우 NRF24L01 칩이 기본 탑제되어 있고 위에서 말씀드린것과 같이 코드 및 배선은 동일하게 하시면 되며 원거리까지 송수신이 가능하므로 무선으로 멀리까지 신호를 보내고 받아야 하는 경우 사용하시면 되겠습니다.

 

배선 시작

자 이제 배선을 해보겠습니다.

 

먼저 제가 사용할 SMD 타입은 만능기판에 바로 핀을 꼽기가 어려운데요. 그래서 생각해낸 것이 아래와 같은부품을 이용하는 것 입니다.

14pin smd 부품을 만능기판에 사용하기 위한 pcb 보드

가운데 있는 보드를 가운데를 잘라주고 반쪽만 사용하게 되는데요, 이 pcb 를 이용하면 NRF24L01 SMD 칩의 핀 간격과 정확히 일치 하게 되며 실제로 사용하지 않는 가장 오른쪽 IRQ 는 무시하고 왼쪽부터 맞추어 납을 흘려넣어 납땜을 해주면 됩니다.

하단의 구멍에는 1.24mm pin 이 정확히 맞으므로 일렬로 배열된 핀을 만능기판에 꼽아 사용할 수 있게 됩니다.

위에서 말씀드린 10uF 전해 콘덴서까지 연결하게 되면 아래와 같은 모양이 됩니다.

만능기판용으로 제작된 SMD 타입의 NRF24L01 칩

 

NRF24L01 칩은 아래와 같은 핀 구성을 하고 있고요, 각각 아두이노와 그림처럼 연결하시면 됩니다.

NRF24L01 SMD PINOUT

 

아두이노 핀 연결방법

 

CE, CSN 은 각각 7번 8번에 연결하여야 하는데 이 두핀은 위치가 바뀌어도 상관 없습니다. 코드상에서 정의해준 핀의 번호와 일치하기만 하면 되고요, 나머지 핀은 지정된 핀에 연결하시면 됩니다.

저처럼 SMD 타입을 사용할 경우 전원은 아두이노의 반드시 3.3V 에 연결해 주셔야 하고 dip 타입을 사용하시는 경우 확장보드를 이용하시면 5V 를 바로 연결하셔도 되며 10uf 전해 콘덴서는 필요 없습니다.

 

특별 초대손님이 있다고?

자~ 오늘의 특별 초대손님이 계신데요...

두구두구

두구

두구

 

 

아두이노 RC 카 수신기

짜잔~

네~ 바로 아두이노로 제작한 RC 카 수신기 입니다. 물론 송신기도 아두이노로 만들었었습니다.

해당 보드는 왼쪽 상단에 3핀 소켓을 통해 ESC 로부터 전원을 입력 받고 신호 선을 통해 모터스피드(속도)를 제어하게 되고요, 우측 아래 두개의 3핀 소켓을 통해 조향서보와 2-speed gear 의 조작용 서보에 연결하게 제작되었습니다. 오늘은 해당 두개의 서보모터 핀을 이용하여 x,y 축을 제어해 보도록 할 계획입니다. 보드 중간에 가로로 보이는 구멍이 NRF24L01 보드를 장착하기 위한 소켓입니다.

무선 모듈을 연결하면 아래와 같은 모양이 됩니다.

NRF24L01 보드가 장착된 아두이노 RC 카 수신기

한동안 즐겁게 가지고 놀았었는데요, 일반적인 RC 카 수신기에 비하면 덩치가 조금 크기는 하지만 4개의 2pin 포트를 통해 헤드라이트나 후미등, 좌우측 깜박이 등을 이 보드 하나로 제어할 수 있어 멀펑 보드가 별도로 필요하지 않으므로 나름 쓸만하다고 할 수 있겠습니다. 

언제 시간이 나면 핀 사진의 커넥터 대신 일반 적인 RC 카에 많이 사용하는 후타바 짹이나 JR 커넥터 등을 이용하여 부피를 줄여볼 계획입니다. 나중에 작업하게 되면 소개해 드리겠습니다.,

 

배선은 송신부, 수신부 두개의 아두이노에 동일하게 해주시면 되고 송신부와 수신부는 코드에서 정의를 해주게 됩니다.

 

배선이 완료된 송신부 입니다.

아두이노나노, NRF24L01, MPU6050 이 연결되어 있다.

네 사진상으로는 조금 복잡하지만 기존 설명드린데로 잘 연결 하셨다면 어려움 없이 잘 하실 수 있으리라 믿습니다.

 

수신기 쪽을 볼까요?

아두이노 나노, NRF24L01, 2개의 서보모터가 연결되어 있다

네 수신부에는 예상하시다 시피 두개의 서보모터와 NRF24L01 보드가 연결되어 있습니다.

 

 

코딩을 해보자

코드를 볼까요?

 

먼저 송신부 입니다. 기존 작성해 놓은 mp6050 코드에 무선 송수신 코드만 추가할 예정입니다.

// init for nrf24L01 
#include <SPI.h>
#include <nRF24L01.h>
#include <RF24.h>

RF24 radio(8,7);  //  CE, CSN 
const byte address[6] = "00001"; //송신기와 수신기 동일한 주소 사용
int msg[8]; 


//pinout smd version
//3.3v  --- 3.3v
//GND  ---  GND
//CE   ---  8
//CSN  ---  7
//SCK  ---  13
//MOSI ---  11
//MISO ---  12
//IRQ  ---  none

// init for mpu6050
#include "I2Cdev.h"
#include "MPU6050_6Axis_MotionApps_V6_12.h"
#if I2CDEV_IMPLEMENTATION == I2CDEV_ARDUINO_WIRE
#include "Wire.h"
#endif

MPU6050 mpu;
#define OUTPUT_READABLE_YAWPITCHROLL
#define INTERRUPT_PIN 2  // use pin 2 on Arduino Uno & most boards
#define LED_PIN 13 // (Arduino is 13, Teensy is 11, Teensy++ is 6)
bool blinkState = false;

// MPU control/status vars
bool dmpReady = false;  // set true if DMP init was successful
uint8_t mpuIntStatus;   // holds actual interrupt status byte from MPU
uint8_t devStatus;      // return status after each device operation (0 = success, !0 = error)
uint16_t packetSize;    // expected DMP packet size (default is 42 bytes)
uint16_t fifoCount;     // count of all bytes currently in FIFO
uint8_t fifoBuffer[64]; // FIFO storage buffer

// orientation/motion vars
Quaternion q;           // [w, x, y, z]         quaternion container
VectorInt16 aa;         // [x, y, z]            accel sensor measurements
VectorInt16 gy;         // [x, y, z]            gyro sensor measurements
VectorInt16 aaReal;     // [x, y, z]            gravity-free accel sensor measurements
VectorInt16 aaWorld;    // [x, y, z]            world-frame accel sensor measurements
VectorFloat gravity;    // [x, y, z]            gravity vector
float euler[3];         // [psi, theta, phi]    Euler angle container
float ypr[3];           // [yaw, pitch, roll]   yaw/pitch/roll container and gravity vector

volatile bool mpuInterrupt = false;     // indicates whether MPU interrupt pin has gone high
void dmpDataReady() {
  mpuInterrupt = true;
}

void setup() {

  // join I2C bus (I2Cdev library doesn't do this automatically)
  #if I2CDEV_IMPLEMENTATION == I2CDEV_ARDUINO_WIRE
    Wire.begin();
    Wire.setClock(400000); // 400kHz I2C clock. Comment this line if having compilation difficulties
  #elif I2CDEV_IMPLEMENTATION == I2CDEV_BUILTIN_FASTWIRE
    Fastwire::setup(400, true);
  #endif
  
  Serial.begin(115200);
  while (!Serial); // wait for Leonardo enumeration, others continue immediately

 
  // initialize device
  Serial.println(F("Initializing I2C devices..."));
  mpu.initialize();
  pinMode(INTERRUPT_PIN, INPUT);

  // verify connection
  Serial.println(F("Testing device connections..."));
  Serial.println(mpu.testConnection() ? F("MPU6050 connection successful") : F("MPU6050 connection failed"));

  // wait for ready
  Serial.println(F("\nSend any character to begin DMP programming and demo: "));
  //while (Serial.available() && Serial.read()); // empty buffer
  //while (!Serial.available());                 // wait for data
  //while (Serial.available() && Serial.read()); // empty buffer again

  // load and configure the DMP
  Serial.println(F("Initializing DMP..."));
  devStatus = mpu.dmpInitialize();

  // supply your own gyro offsets here, scaled for min sensitivity
  mpu.setXGyroOffset(51);
  mpu.setYGyroOffset(8);
  mpu.setZGyroOffset(21);
  mpu.setXAccelOffset(1150);
  mpu.setYAccelOffset(-50);
  mpu.setZAccelOffset(1060);
  // make sure it worked (returns 0 if so)
  if (devStatus == 0) {
    // Calibration Time: generate offsets and calibrate our MPU6050
    mpu.CalibrateAccel(6);
    mpu.CalibrateGyro(6);
    Serial.println();
    mpu.PrintActiveOffsets();
    // turn on the DMP, now that it's ready
    Serial.println(F("Enabling DMP..."));
    mpu.setDMPEnabled(true);

    // enable Arduino interrupt detection
    Serial.print(F("Enabling interrupt detection (Arduino external interrupt "));
    Serial.print(digitalPinToInterrupt(INTERRUPT_PIN));
    Serial.println(F(")..."));
    attachInterrupt(digitalPinToInterrupt(INTERRUPT_PIN), dmpDataReady, RISING);
    mpuIntStatus = mpu.getIntStatus();

    // set our DMP Ready flag so the main loop() function knows it's okay to use it
    Serial.println(F("DMP ready! Waiting for first interrupt..."));
    dmpReady = true;

    // get expected DMP packet size for later comparison
    packetSize = mpu.dmpGetFIFOPacketSize();
  } else {
    // ERROR!
    // 1 = initial memory load failed
    // 2 = DMP configuration updates failed
    // (if it's going to break, usually the code will be 1)
    Serial.print(F("DMP Initialization failed (code "));
    Serial.print(devStatus);
    Serial.println(F(")"));
  }

  // Radio setup
  //setupRadio();
  
  msg[0] = 0; 
  msg[1] = 0; 
  msg[2] = 0; 
  msg[3] = 0;
  msg[4] = 0; 
  msg[5] = 0; 
  msg[6] = 0; 
  msg[7] = 0;
  
  radio.begin();
  radio.openWritingPipe(address); //이전에 설정한 5글자 문자열인 데이터를 보낼 수신의 주소를 설정
  radio.setPALevel(RF24_PA_MIN); //전원공급에 관한 파워레벨을 설정합니다. 모듈 사이가 가까우면 최소로 설정합니다.
  radio.stopListening();  //모듈을 송신기로 설정
}

void loop() {

  // if programming failed, don't try to do anything
  if (!dmpReady) return;
  // read a packet from FIFO
  if (mpu.dmpGetCurrentFIFOPacket(fifoBuffer)) { // Get the Latest packet 

  #ifdef OUTPUT_READABLE_YAWPITCHROLL
    // display Euler angles in degrees
    mpu.dmpGetQuaternion(&q, fifoBuffer);
    mpu.dmpGetGravity(&gravity, &q);
    mpu.dmpGetYawPitchRoll(ypr, &q, &gravity);
    
    float angle_x = (ypr[0] * 180 / M_PI) * -1 + 90 ; //* -1 + 90;
    float angle_y = (ypr[1] * 180 / M_PI) + 90 ; //* -1 + 30;    
   
    if (angle_y < 60) angle_y = 60;
    if (angle_y > 120) angle_y = 120;
    
    if (angle_x < 30) angle_x = 30;
    if (angle_x > 150) angle_x = 150;

    msg[0] = int(angle_x);
    msg[1] = int(angle_y);
    
    radio.write(&msg, sizeof(msg)); //해당 메시지를 수신기로 보냄
    
    Serial.print("ypr\tx:");
    Serial.print(int(angle_x));
    Serial.print("\ty:");
    Serial.print(int(angle_y));
    Serial.print("\t");
    
    

  #endif
  }
  Serial.println(".");
  delay(10);
  
}

아무래도 셋업해주는 부분이 약간 생소할 수 있겠습니다만 저도 인터넷에서 긁어 모은 코드를 조합하였을 뿐 상세하게는 모른답니다. 중요한 것은 노드의 이름을 정해주었는데요, 수신부에서도 동일한 이름을 지정해 주어야 한다는 점과, 다른 분들과의 혼선을 막기 위하여는 해당 이름을 유니크한 이름으로 정해주는 것이 좋다는 것 정도 입니다.

제가 사용한 코드는 (존경하는)새다리 님의 코드를 참고 하였고 NRF24L01 로 검색하시면 해외 여러 개발자 분들이 올려주신 멋진 코드들이 많이 있으므로 참고하시면 좋을 것 같습니다.

 

이번에는 수신부 입니다.

 #include <SPI.h> 
#include <nRF24L01.h>
#include <RF24.h>

RF24 radio(8,7); //  CE, CSN 
const byte address[6] = "00001"; //송신기와 수신기 동일한 주소 사용
int msg[8]; 

//pinout smd version
//NRF24L01    ARDUINO
//3.3v    ---   3.3v
//GND     ---   GND
//CE      ---   8
//CSN     ---   7
//SCK     ---   13
//MOSI    ---   11
//MISO    ---   12
//IRQ     ---   none

#include <Servo.h>

Servo myservo_LR;   
Servo myservo_UD; 

int pin_servo_LR = 9;
int pin_servo_UD = 10;

void setup() {
  radio.begin();
  radio.openReadingPipe(1, address);
  radio.setPALevel(RF24_PA_MIN); //
  // RF24_PA_MIN / RF24_PA_LOW / RF24_PA_HIGH / RF24_PA_MAX
  radio.startListening(); //수신기로 설정
  
  //setting 2 servo
  myservo_LR.attach(pin_servo_LR);
  myservo_LR.write (90);
  myservo_UD.attach(pin_servo_UD);
  myservo_UD.write (90);
}

void loop() {

  if (radio.available()) {
    radio.read(&msg, sizeof(msg));
    for(int i = 0; i < 8 ; i ++)
    {
      Serial.print(msg[i]);
      Serial.print("\t");
    }

    int angle_x = int(msg[0]);
    int angle_y = int(msg[1]);
    
    if (angle_x < 150 && angle_x > 30)
    {
      myservo_LR.write (angle_x);          
    }
    if (angle_y < 120 && angle_y > 60)
    {
      myservo_UD.write(angle_y);
    }
  }
}

수신부는 서보모터 제어코드와 무선 수신 코드가 있는데요, 송신부에 비하면 간단하게 구성되어 있습니다.

무선 패킷이 들어오면 동작하도록 되어 있으므로 수신에 실패하면 아무런 동작도 하지 않도록 되어 있으며 만약을 대비하여 잘못된 값이 수신되더라도 서보모터에 전달되지 않도록 최대, 최소 범위를 제한하여 서보에 입력되도록 하였습니다.

 

과연 잘 동작 할런지???

동작하는 모습을 볼까요?

 

 

ㅋㅋ 네 잘 되는군요. 이제 뭐 거의 다 온 것 같습니다.

다음 편에는 카메라를 연결하고 차량안에 장착할 준비를 한번 해봐야 겠습니다.

머릿속에 아주 좋은 그림이 있거든요~ ㅎㅎ

기대해 주세요 ~ ^^

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