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1. 마이크로 마우스 개요
1.1. 마이크로 마우스의 정의 및 역사
마이크로 마우스는 1977년 미국 전기 전자 학회인 IEEE에 의해 시작되었고, 일본 및 유럽 대회가 1980년 이후로 열리고 있다. 우리나라의 경우 서울대 제어 계측 공학과가 1983년 한국 마이크로 로봇 경연 대회를 최초로 개최하였다. 처음으로 가운데 찾기 마이크로 마우스 경연 대회가 열린 것은 일본 마이크로 협회에서 미로를 기증한 1984년이었다. 1984년 당시 완주한 마우스는 2대이었고 주행 기록은 세계 기록의 1/2정도였다. 그러나 처음 열린 가운데 찾기 경연 대회에서 완주 로봇이 나온 것은 세계적으로 이례 없는 기록이다. 그리고 최근엔 제18회 전일본 마우스대회에서 1위에서 5위까지의 상을 우리나라의 마우스가 휩쓸어온 일이 있다.
1.2. 마이크로 마우스의 구성 요소
마이크로 마우스의 구성 요소는 크게 센서(Sensor), 제어기(Controller), 그리고 구동기(Actuator)로 나뉜다"
센서부는 외부 환경에 대한 정보를 감지하는 기능을 담당한다. 광센서, 적외선 센서, 초음파 센서 등이 대표적인 센서로, 이를 통해 마우스가 주변의 장애물과 벽을 인지할 수 있다. 이렇게 감지된 정보는 제어부로 전달되어 처리된다"
제어부는 센서부에서 제공된 정보를 바탕으로 마우스의 주행 경로와 동작을 결정한다. 주로 마이크로프로세서가 제어부의 역할을 하며, 센서 데이터 처리, 알고리즘 수행, 모터 제어 등의 기능을 수행한다. 복잡한 미로 환경에서 최단 거리로 목적지를 찾아가는 알고리즘이 제어부의 핵심이다"
구동부는 제어부의 지령에 따라 실제 마우스를 움직이는 역할을 한다. 모터와 바퀴로 구성된 구동부는 주행을 담당하며, 속도와 방향 제어를 통해 마우스의 움직임을 실현한다. 또한 엔코더를 이용하여 모터의 회전 속도와 거리를 측정, 제어부로 피드백을 제공한다"
이처럼 센서-제어-구동의 3대 요소가 유기적으로 작용하여 마이크로 마우스의 자율주행을 가능하게 한다. 각 부분의 성능과 효과적인 연계가 마이크로 마우스 경진대회의 핵심 기술이라고 할 수 있다"
1.3. 마이크로 마우스의 특징
마이크로 마우스의 특징은 다음과 같다.
첫째, 마이크로 마우스는 외부로부터 독립된 일개의 이동 로봇이다. 마이크로 마우스 경기 규칙에 따르면 마우스가 에너지원을 비롯한 모든 것을 가로 세로 25cm*25cm 내에 탑재해야 한다. 따라서 마우스는 최소한의 회로로 구성되며 그 중량과 기계적인 안정성에도 신경을 써야 한다. 대회에서 부딪혀 넘어지는 로봇이 있었는데, 이러한 경우 다른 장점이 아무리 뛰어나도 무의미해진다. 또한 연소에 의한 에너지 사용이 금지되어 있다.
둘째, 마이크로 마우스에는 뛰어난 알고리즘이 필요하다. 대회에 사용되는 미로는 16*16의 블록으로 구성되어 매우 복잡하다. 간단한 미로라면 좌수법을 사용할 수 있지만, 대회 미로에는 이것만으로는 최단 거리를 찾기 힘들며 다양한 알고리즘이 필요하다.
셋째, 마이크로 마우스 대회는 시간을 기준으로 다투는 경기이다. 따라서 모터는 일정 수준 이상의 속도를 내야 하는데, 이때 넘어지지 않도록 마우스의 모양에도 신중을 기해야 한다. 또한 과도한 가감속으로 인한 바퀴 미끄러짐을 방지하기 위해 적절한 가감속이 필요하다.
즉, 마이크로 마우스는 정해진 규격 내에서 만들어진 미로 속에서 가장 빠른 시간 내에 목적지를 찾아내는 자립형 이동 로봇이라고 할 수 있다.
2. 마이크로 마우스의 구성 요소
2.1. 센서(Sensor)
센서(Sensor)는 마이크로 마우스의 주요 구성 요소 중 하나이다. 센서는 외부 상황을 감지하는 역할을 하며, 마우스에게 중요한 정보를 제공한다. 마이크로 마우스에 사용되는 센서의 종류로는 광센서, 적외선 센서, 초음파 센서 등이 있다.
광센서는 벽 정보를 입력하거나, 로보트의 자세 제어에 사용된다. 광센서는 잡음신호에 강해야 하며, 회로를 간단하고 경제적으로 구현해야 한다.
적외선 센서는 산업 분야에서 중요한 위치를 차지하고 있는 센서 중 하나이다. 적외선 센서는 발광부와 수광부로 구성되어 있으며, 빛을 발산하고 반사된 빛을 감지하여 장애물 감지에 활용된다. 적외선 센서는 전압의 변화를 통해 장애물 여부를 판단할 수 있다.
초음파 센서는 음파를 이용하여 장애물을 감지한다. 초음파 센서는 초음파를 발생시켜 장애물에 부딪힌 후 반사되어 돌아오는 시간을 측정함으로써 장애물까지의 거리를 계산할 수 있다. 이를 통해 마우스가 전방의 장애물을 빠르게 인식할 수 있다.
이처럼 마이크로 마우스에 사용되는 다양한 센서들은 각자의 특성을 바탕으로 외부 상황을 감지하고, 이를 제어기에 전달하여 마우스의 주행에 활용된다. 센서의 정확성과 안정성은 마이크로 마우스의 성능을 좌우하는 핵심 요소이다.
2.2. 제어기(Controller)
제어기(Controller)는 마이크로 마우스의 핵심 부분으로, 센서에서 감지된 정보를 처리하여 구동부에 명령을 내리는 역할을 합니다.
제어기는 주로 마이크로프로세서로 구성되며, 센서로부터 입력받은 데이터를 분석하고 적절한 제어 명령을 출력하는 기능을 수행합니다. 마이크로프로세서에는 중앙처리장치(CPU), 메모리, 입출력 포트 등이 포함되어 있어 복잡한 연산 처리가 가능합니다.
마이크로 마우스에 사용되는 대표적인 마이크로프로세서로는 ATmega128, ARM Cortex-M 시리즈 등이 있습니다. ATmega128은 저전력 고성능 8비트 마이크로컨트롤러로, 133개의 강력한 명령어, 16MHz 최대 동작 속도, 128KB 플래시 메모리 등의 성능을 갖추고 있어 마이크로 마우스의 제어기로 널리 사용됩니다.
제어기는 센서로부터 입력받은 장애물 및 경로 정보를 바탕으로 주행 알고리즘을 수행하여 모터 구동을 위한 제어 신호를 생성합니다. 이때 사용되는 알고리즘으로는 좌수법, 우수...
