드리프트 제어 유닛

2009.08.24 11:56 from programming
장난감 R/C카 제어

최근 몰입하고있는 개인 프로젝트가 있습니다. "소프트웨어 개발자의 하드웨어 개발기"를 쓰게 된 이유이자, 목표 결과물은 오래전의 꿈과 관계되어 있습니다. 사실 대학시절에 완성했어야할 프로젝트인데 10여년이 지난 이제서야하고 있네요. 어린시절 꿈쫓기의 하나입니다.

만들고 있는 것은 맥북(or 아이팟 터치)로 R/C 자동차를 제어하는 시스템입니다. 이 프로젝트를 핑계로, 입문용 R/C 자동차 세트도 하나 샀습니다. 어릴적에 그토록 갖고 싶었던 장난감이죠. (사실은 이게 사고싶어서 이런저런 핑계를 만든건지도 모릅니다)

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임베디드 시스템을 만들어 넣어서, MacBook이나 iPod Touch에 개발해 넣은 소프트웨어로 저 사진의 장난감 차량을 제어하는 것입니다. 

컴퓨터 -> 무선 통신 -> 임베디드 시스템 -> R/C 자동차

이런 제어 흐름인데요, 사실 임베디드 시스템이 가장 약한부분이자, 관심부분입니다. 이번 기회를 통해서 어느정도 경험이 쌓이면, 여기에 간단한 OS를 얹는다거나, 루비같은 언어의 인터프리터를 얹는다거나해서 더 어릴쩍의 꿈을 이뤄볼 수도 있겠다는 야망이 불타 오릅니다. 흐흐, 김칫국물 마구 마시고 있습니다.


학창시절에 했어야할...

사실 이 구성은 대학시절에 구현했던 내용의 연장선 위에 있습니다. 초기 모델은 대학 신입생 시절에 전시회에 출품한 프로그램이었습니다. 당시에는 정말 애들용 R/C를 PC의 패러럴 포트에 연결한 회로를 이용해서 제어했었지요. 단순히 키보드로 R/C카를 제어한 간단한 예제였습니다만, 관람객(?)들은 키보드를 눌렀는데 실제 장난감이 움직인다며 신기해해서 반응이 좋았습니다. 

이어서, 제대로된 R/C 차량을 이용해서, 차량동역학 시뮬레이션을 해보고 싶었습니다만, 각종 미적분 수학식의 무게에 압도당해 완성하지 못했던 아쉬움이 남아있습니다. 다시 한번 기회를 잡아 인공지능 수업때에 과제프로젝트로 구현하려 했었으나, 프로젝트 상담중에 교수님과의 상담중에 방향이 바뀌어 결국 남들 다하는 시시한 오목 프로그램 만들었었습니다. 결국 그렇게 시간은 가고, 그냥 졸업해버렸네요.

당시에는 자동차 시뮬레이션 게임도 지금보다는 사실성(?)이 떨어지던 시점이었기 때문에, 계속 파고들었으면, 그럴싸한 자동차 시뮬레이션 소프트웨어를 흉내내볼 수 있었을지도 모르겠습니다만, 지금은 아무리 잘만들어봐도, 요새의 레이싱 게임만큼 만들기는 절대 무리겠지요. 대신에 공개된 레이싱 게임엔진을 찾아다 활용해 볼 수도 있겠네요. 

어쨌건, 차량제어 시뮬레이션을 저 1/10 스케일의 폭스바겐으로 보여줄 수 있다는 가정하에, 이런저런 프로그램을 만들어 볼 수 있겠습니다. 


드리프트 놀이

사진의 저 차량은 온로드(포장도로) 주행용 4륜구동 차량인데, 타이어를 드리프트용으로 교체해서 달았습니다. 액션영화에서 빠지지 않는 자동차 추격신의 하일라이트는 차량간 총격씬과, 골목길에서의 드리프트씬 아닐까요? 주인공의 차량은 아찔하게 사고를 피해가며, 골목길을 빠져나와 큰길로 접어들며 요란한 타이어 마찰음과 함께 카운터 스티어링과 함께 드리프트를 선보이죠. 

아래 사진은 실제 드리프트 경주용 차량의 사진입니다.




드리프트 관련 자료를 찾아보다가, 드리프트의 원리와 방법들을 살펴보게 됐는데, 역시 드리프트가 쉬운게 아니더군요. 덕분에 왜 가능 방향과 반대로 카운터스티어링을 걸어주는지도 알게됐습니다. 

드리프트의 기본은 "뒷바퀴의 오버스티어링을 활용해서 차량 주행을 컨트롤"하는 것이더군요. 뒷바퀴의 오버스티어링을 위해서는 차량이 4륜구동이거나 후륜구동이어야합니다. 국내 대부분의 세단차량은 전륜구동이므로, 일반 차량으로 드리프트를 해보기 어렵다는 판단에 이를 수 있습니다. 전륜구동 차량은 오히려 앞바퀴의 언더스티어링 현상이 발생하기 쉽습니다. 

R/C차량의 경우 후륜구동 또는 4륜구동이 대부분인데, 2륜구동 차량으로는 드리프트를 제어하기 어렵기때문에 대부분 4륜구동 차량으로 드리프트 놀이(?)를 한다고 합니다. 4륜구동 차체를 준비해서 타이어만 미끄러지기 쉬운 드리프트 타이어로 교체해도 어느정도의 드리프트는 구사할 수 있습니다.

문제는 이 드리프트 기술을 활용하기 위해서는 뒷바퀴 오버스티어를 만회(?)할 수 있는 카운터스티어링이 적절히 필요하다는 겁니다. (위 사진을 보면 차량은 좌측으로 회전중이지만, 바퀴는 오른쪽을 향하고 있는 것을 볼 수 있습니다. 아래 그림은 반대) 



뒷바퀴가 오버스티어링 되는 상황을 그냥 내버려두면 차체가 계속 스핀이 걸려서 휙 돌아버리게 되는데, 이를 막기 위해, 접지력이 남아있는 앞바퀴의 방향을 회전반대편으로 조절하여, 차체의 회전을 막는 것입니다. 게다가, 속도가 어느정도 줄어서 다시 뒷바퀴의 오버스티어링이 끝나갈 시점에는 다시 카운터스티어링을 풀어줘야, 다시 반대편으로 급회전하게 되는 현상을 막을 수 있습니다. (오락실에서 레이싱 게임할 때, 흔히 겪는 현상이죠. 코너를 돈다고 심하게 핸들을 꺾었다가, 미끌어지기 시작해서 반대로 꺾다보면, 조금 제대로 가는 듯 싶다가 다시 반대쪽 벽을 들이받는 현상이죠)


즉, 적절한 드리프트 코너웍을 위해서는, B시점에 핸들을 반대쪽으로 틀어서 카운터 스티어링을 걸고, D시점에는 정상 스티어링으로 풀어줘야 원하는대로 코너를 빠져나올 수 있는 것입니다.


드리프트 컨트롤 유닛

이 기술을 구사하려면 많은 연습이 필요한것 같습니다. 순간적인 반응도 중요할테구요. 여기서 만들 임베디드 시스템의 응용 방법이 떠올랐습니다. 임베디드 시스템은 현재의 바퀴 회전각과 전후진 추진력을 알고 있으니, 현 차체의 움직임을 판단할 수 있다면 (즉, 오버스티어링 현상을 감지할 수 있다면) 자동으로 카운터스티어링을 걸어줄 수 있을거라는 생각이 들었습니다. 즉, 스핀현상을 막아서, 대충의 손기술로도 드리프트 놀이를 해볼 수 있지않을까 합니다. 다시말하면, 실제 차량에 탑재되는 차량 주행안전시스템(ESC등으로 불리는 옵션들)의 한 보기를 구현해볼 수 있다는 겁니다. (이거 찾아보다가 ABS의 원리까지 파악하게 됐습니다.)

더 흥미로웠던 점은, 이렇게 구현하려는 시스템이, 실제 R/C계에 상용화된 상품이 있다는 점이었습니다. 아래는 해당 제품을 판매하는 HPI사의 홍보 동영상입니다. 각각 해당기능을 켰을때와 껐을때의 시범 동영상이 있습니다. 물론 홍보용이니까 조금 과장된 면은 없지 않겠습니다만, 적절한 자동 카운터스티어링으로 스핀을 막아 안정된 드리프트 주행을 보여줍니다.   



제품의 연결선을 보아하니, 가속도 센서 값을 읽어 순간적인 회전이 발생하면 오버스티어링 상황으로 간주해서 카운터 스티어링을 걸어주는 방식으로 구현한것 같습니다. 간단하게는 이정도로 드리프트를 돕는 유닛을 만들 수 있겠구요, 나아가서는 가속/감속 상황까지 판단해서 더 나은 수준으로 구현해 볼 수도 있을 것 같습니다. 

그 외의 재미난 응용사례도 있으면 좋겠습니다. 이 결과물은, 10월달에 열리는 회사 개발자 컨퍼런스에 출품할 예정입니다.

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인용자료: hpiracing.com, drivingfast.net

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