Radar

개요

중급과정에서 배운 Capture/Timer 모듈을 이용한 Radar를 설계, 구현, 시험해 본다.

  • Servo Motor는 등속운동을 하지않고, 위치제어를 하고 약간의 진동이 발생한다.

  • 초음파 센서는 음파의 반사 시간이 필요하다.

위 사항들을 고려했을때 Timing diagram을 그려 각 동작별 순서를 맞출 필요가 있다.

선행사항

  • Lecture PwmBasic
  • Lecture Timer
  • Lecture Capture
  • ServoMotor
  • UltrasonicSensor

참고자료

  • SG-90.pdf
  • HC-SR04.pdf

용어 및 약어 정의

약어 설명
US Ultrasonic Sensor
IC Input Capture
OC Output Compare

Radar 설계

System Design

System Diagram

[Figure1. System Diagram]

XMC4500과 Radar의 Interface

  • US_Trig
    • 초음파 센서 트리거 신호
    • 전압 범위 : 0 ~ 3.3 [V]
  • US_Echo
    • 초음파 센서의 출력신호. 초음파를 보내 반사되어 돌아오는 시간 정보를 가진다.
    • 전압 범위 : 0 ~ 5 [V]
    • XMC4500과 Interface하기 위해 전압 분배회로를 사용해서 전압 범위를 0 ~ 3.3 V로 변환한다.
  • Servo
    • 서보모터 위치지령
    • 50Hz의 PWM신호 사용
    • 전압 범위 : 0 ~ 3.3 [V]

Component Description

  • 초음파 센서
    • 전방 물체까지 거리 측정
    • HC-SR04 사용
    • 초음파 센서에서 출력되는 Echo 신호의 펄스폭을 사용해 물체까지 거리 계산

$$ Distance[cm]~=~{{echo_-pulse_-width~[us]}\over{58}} $$

[Equation1. Calculate distance using Echo signal]

  • 서보 모터
    • 초음파 센서의 측정 방향 조정
    • SG-90 사용
    • PWM신호의 on time으로 위치 지령
    • 0.9ms(-60º) ~ 2.1ms(60º)

Servo와 US를 연동한 전방위 감지 방법

  • 진행방향 기준으로 -60º ~ +60º의 장애물을 감지하기 위해서 서보를 움직여 초음파센서로 거리를 측정한다.
  • 초음파센서의 탐지 가능 각도가 약 -20º ~ +20º이므로, -10º ~ +10º 범위의 장애물 감지는 신뢰성이 높다.
  • 측정 정보의 정확성을 위해 20º의 분해능으로 서보를 동작시켜 측정한다.

Radar scanning theory

[Figure2. Radar scanning theory]

  • 각 구간에서 측정한 장애물의 거리는 배열 변수에 저장한다.

Hardware Design

Hardware Design Hardware Connection

[Figure2. Hardware Design]

Voltage division circuit

[Figure3. Voltage division circuit]

  • US의 Echo신호의 출력은 5V이므로 전압분배를 통해 3.3으로 낮춘다.

Software Design

Theory : Servo와 초음파 센서를 활용한 Timing 설계

Timing diagram

[Figure4. Timing diagram using Servo & US]

서보를 회전시키면서 초음파 센서로 장애물의 위치를 측정하기 위해서 고려해야할 것이 있다. 첫 번째, 서보가 움직이는 데 거리는 시간. 두 번째, 초음파 신호를 측정하는 데 걸리는 시간을 고려해야 한다.

  • XMC에서 위치 지령치를 PWM을 사용해 출력한다.
  • 서보가 움직이고 해당 위치에 안정화 될 때까지 기다린다. (약 140 msec)
  • 서보가 안정화 되면 XMC에서 US로 Trig신호를 PWM으로 출력한다.
  • US가 출력하는 Echo의 rising/falling edge를 측정하고, Time Interval(On-Time)을 측정한다.
  • Time-Interval과 'Equation1'을 이용해 거리를 계산한다.
  • 다음 위치로 이동하고 위 동작을 반복한다.

Method1 : PWM을 사용한 설계 (Type Polling)

using PWM module

[Figure5. Timing diagram using PWM module]

  • 140ms의 대기시간, Echo 신호를 측정하기위한 Polling 부분에서 CPU time이 상당히 낭비된다.

Method2 : IC & OC를 사용한 설계(Type Interrupt)

using IC & OC

[Figure6. Timing diagram using IC & OC]

  • Servo Ctrl블럭에서 Servo 지령치를 출력한 후, Output Compare를 사용해 140ms 이후 Interrupt로 Trig 신호를 출력해서 초음파 센서가 활성화되게 한다.
  • Input Capture를 사용해 Echo 신호의 rising/falling edge의 Timing을 자동으로 측정하고, 그 Time Interval을 계산하도록 한다.
  • System Timer를 이용해 위 동작을 170ms의 period로 반복하게 설정해서 CPU의 간섭을 최소화한 상태로 Radar를 활성화할 수 있다.

Radar 구현

Hardware

Radar hardware

[Figure7. Radar hardware]

  • 전압분배회로는 납땜, PCB기판을 이용해도 된다.

프로그램 구조

Software Architecture

[Figure8. Software Architecture]

DAVE APP Settings

  • dhPWM_Servo
    • 서보모터 위치 지령 신호 생성
    • Frequency : 50 [Hz]
  • dhPWM_US
    • 초음파센서 Trig 신호 생성
    • Frequency : 50k [Hz]
    • Duty : 50 [%]
    • Enable single shot mode : Enable
  • dhIC_US
    • Input Capture, US의 Echo 신호의 펄스 폭(On-Time, Time Interval) 측정
    • Desired Timer Resolution [nsec] : 600
    • Start after initialization : Enable
    • Capture edge : Rise-to-Fall
    • Overwrite Capture Value : Enable
  • dhOC_CA
    • Output Compare, 서보모터 동작 후, 안정화를 위한 대기시간
    • Time interval [usec] : 140000
    • ISR_dhOC_CA : 초음파 센서의 트리거 신호(dhPWM_US)를 활성화
  • fltObstacleDistanceArr[5]
    • 스캔 결과 데이터 저장
    • 단위 : cm
    • 배열의 index는 0에서 4까지 차례대로 -40º, -20º, 0º, 20º, 40º 위치에서 장애물까지 거리
  • bScanComplete
    • 스캔 완료를 알리는 flag
    • 1 : 스캔 완료 / 0 : 스캔 중

Function Design

Measure a distance to Obstacle
  • IC로 측정된 펄스 폭 정보를 us단위로 변환
  • GetCapturedTime 메소드로 읽은 값은 Input Capture Tick (nsec)이다. 따라서 Tick 주기를 고려해서 시간변환을 해줘야 한다.

$$ captured_-time ~=~captured--tick~\times~IC_-TICK_-PERIOD_-NS~\div~1000~[usec] $$

[Equation2. Calculate Echo signal's On-Time]

  • 장애물까지 거리 계산 후 f32RawDistanceArr에 저장
  • 58로 나누는 이유 : 펄스폭(captured_time)을 거리(cm)로 변환

$$ fltRawDistanceArr~=~captured_-time~\div~58 $$

[Equation3. Calculate a distance(raw data)]

  • 허상, 혹은 노이즈 정보 제거하여 fltObstacleDistanceArr에 저장
  • 측정 관심 영역(Region-Of-Interest:ROI)영역 밖의 정보는 제거 한다.
    • 3cm ~ 150cm (DIST_THRESHOLD)
    • 관심영역을 벗어나는 경우는 유효하지 않은 센서 정보로 해석하여, 최대거리 300cm로 처리한다.
  • fltRawDistance == 0 → fltObstacleDistanceArr = 300 cm : 장애물 없음.
  • 3 < fltRawDistance < 150 → fltObstacleDistanceArr = fltRawDistanceArr : 관심영역
  • fltRawDistance >= 150 → fltObstacleDistanceArr = 300 cm : 장애물이 있는 경우도 있으나 확실치 않아 허상(고스트) 인 가능성이 높음
서보모터 이동
  • 서보모터 지령 위치(fltServoAngle)를 PWM Duty로 변환 $$ servo_-duty~=~CENTER_-DUTY~-~5~\times~fltServoAngle $$

[Equation4. Translate a servo angle to servo duty]

  • servo_duty : 단위 0.01%

  • CENTER_DUTY : 0º의 duty, 750

  • 20º 간격으로 총 5 번 초음파를 동작시키고 그 값을 fltObstacleDistanceArr에 저장한다. 그러므로 Array의 index를 사용해서 해당 위치를 판단하고 관리한다.

  • 서보 동작의 경계점, 즉 'ServoAngle이 -40º 또는 +40º 지점, CaArrIdx가 0 또는 4인 지점'에서 서보모터 동작 방향을 반대로 바꿔야 하므로 아래 그림과 같이 동작시킨다.

Radar state machine

[Figure9. Radar state machine]

Radar 시험

Test Environment

Test Environment

[Figure11. Test Environment]

  • Radar와 장애물을 수평한 장소에 두고 장애물을 옮겨가며 위치, 거리 정보가 올바르게 나타나는지 확인한다.

uC-probe Setting

uC-Probe distplay

[Figure10. uC-Probe distplay]

  • 1 : Advanced → Tree View Control
    • i16CaArrIdx : 거리값이 저장되는 배열의 index
    • i32CadelayMs : Servo가 회전하고 안정화되는데 걸리는 시간
    • CaLoopIn10Ms : 함수 Sense_CollisionAvoidance의 동작 주기
  • 2 : Charts →Line Chart
    • fltObstacleDistanceArr : 장애물까지 거리 값이 저장된 배열
    • Miscellaneous → Text Tool을 이용해 그래프의 가로축에 위치 표현

Test case

No obstacle

[Figure11. No obstacle]

at 40 degree

[Figure12. Detect obstacle at 40 degree]

at center

[Figure13. Detect obstacle at center]