Copyright □ 1999, by Professor Jong-Hwan Kim, Korea Advanced Institute of Science and Technology (KAIST).  All rights reserved. Reproduction or translation of any part of this work is unlawful. Request for permission or further information should be addressed to Professor Jong-Hwan Kim at <johkim@vivaldi.kaist.ac.kr> or <Tel: +82-42-869-3448>.

Prof. Jong-Hwan Kim	Intelligent Control Lab, KAIST

5.통신과 전원

5.1 통신

로봇 축구 경기를 위해서는 컴퓨터에서 처리된 명령을 각 로봇에게 전해주기 위한 무선 통신이 필요하다. 로봇 축구에서 주로 쓰는 통신 방법으로는 RF(Radio Frequency, 이하 RF로 칭함)통신과 적외선 통신이 있다. 전파를 이용한 RF통신 방법은 원거리 통신이 원활하고, 방향성이 없어 주컴퓨터와 로봇들 사이에 통신 장애가 없으며, 다채널이 가능하다는 장점이 있다. 반면, 로봇을 이루는 CPU부분, 센서 부분, 모터 구동부 부분 등과 RF 고주파 통신부분사이에서 상호 간섭하는 EMI 노이즈에 대한 대책이 필요하다. 또한, 회로가 복잡하고, 제작시 노하우가 많이 요구되어 직접 설계, 제작이 매우 어렵다. 또한, 고려되어야 할 점은 전파관리법을 고려한 주파수 선정이다. 실제로 방송 주파수, 핸드폰 및 페이저 주파수 등은 피해야 된다.

또 다른 방법으로는 TV나 가전 제품의 리모콘으로 많이 사용되고 있는 적외선 광을 이용한 적외선 통신 방법이다. 이는 근거리 통신에 적합하며, 공개된 회로가 많을 뿐 아니라, 간단하고, 단일 칩 회로도 많이 제공되어 있어 작은 스페이스로 구현이 가능하다. 또한, 전력 소모가 적고, EMI 노이즈에 의한 영향이 없다는 장점이 있다. 반면, 사용할 수 있는 채널이 적고 방향성을 가지고 있을 뿐 아니라, 외부광의 영향을 많이 받으며, 상대팀의 적외선 사용에 따른 적외선 상호 간섭도 고려되어야 한다.

본 장에서는 우선 로봇 축구에서 주로 사용되는 상용 RF 통신 모듈을 이용하는 방법과 교육용 시스템에 구현된 적외선 통신에 대해서 설명한다.

5.1.1 상용 RF 모듈

실제 로봇 축구 경기에서는 대부분의 팀이 상용 모듈을 이용해서 컴퓨터와 로봇간의 통신을 한다. 디지털 통신을 위해 나온 제품이기 때문에 높은 전송 속도와 신뢰성을 보장하지만 국내에서는 비싸다는 것과 주파수가 다양하게 제공되지 않는다는 단점이 있다. 주로 사용된 상용 통신 모듈은 Radiometrix사의 RF-418,433로서 40Kbps까지 전송이 가능하다.

간단하게 RF-418,433의 특징을 보면, 다음과 같다.

- Half duplex 자료 전송.

- 보통의 환경에서 30m, 열린 공간에선 120m의 거리에서 통신 가능.

- -107dBm의 수신 감도.

- 4.5V- 5.5V의 전압과 15mA이하의 전류로 구동.

그림 5.1과 5.2에 모듈의 실제 모습과 크기를 나타내었다.

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그림 5. 상용 통신 모듈

그림 5. 통신 모듈의 크기

표 5. 핀 설명

pin 1,3,9,10,18	GND	접지
pin 17	Vcc	전원
pin 2	ANTENNA	안테나 연결
pin 12	RxD	신호를 받는 단자
pin 14	TxD	신호를 내보내는 단자
pin 15	Tx select	송신을 선택하는 단자
pin 16	Rx select	수신을 선택하는 단자

표 5.2에 15번, 16번 핀의 입력과 이에 따라 나타나는 모듈의 역할을 나타낸 것이다. 표에서 알 수 있듯이 15번과 16번 핀의 입력을 조절하면, 동시에 수신과 송신을 할 수는 없지만, 양방향 통신을 할 수 있다.

표 5. 모듈의 역할 바꿈

핀 15 (TX select)	핀 16 (RX select)	역할
1	1	power down(<1A)
1	0	receiver enabled
0	1	transmitter enabled
0	0	self test loop back

5.1.1.1 RF 상용 통신 모듈을 이용한 송신기 설계

실제 로봇 축구 경기에서는 로봇과 호스트 컴퓨터 사이에 양방향 통신을 하지 않는다. 대개의 경우 호스트 컴퓨터에서 로봇이 필요한 정보를 로봇에게 무선 통신으로 보내주기 때문에 송신기는 호스트 컴퓨터에만 필요하다. 호스트 컴퓨터에서 나온 명령 패킷은 RS232의 규격을 갖기 때문에 이를 CMOS/TTL에 넣을 수 있는 신호로 바꿔야 한다. 이를 위해서 MAX233이나 MAX232를 사용한다. MAX233은 MAX232와 이에 필요한 캐패시터들을 하나의 칩에 넣은 것으로 그만큼 부피가 줄어서 로봇의 소형화에 도움이 되지만 가격이 MAX232에 비해 비싸다. 다음의 회로는 송신기를 나타낸다. 송신의 속도는 호스트 컴퓨터에서 프로그램으로 제어가 되므로 송신기는 비교적 간단하게 설계가 된다. 그림 5.3의 회로는 송신기를 설계한 것인데, 점퍼를 이용해서 송신의 신뢰도를 높이기 위해 NOT 게이트를 사용할 수 있도록 설계한다.

그림 5. 송신기의 설계도

5.1.1.2 RF 상용 통신 모듈을 이용한 수신기 설계

수신기는 주로 로봇의 CPU부분에 포함해서 설계한다. 로봇의 안테나를 통해서 수신된 신호는 통신 모듈을 거쳐 신호화된다. 이 신호가 만약 NOT 게이트를 거쳐서 보내진 것이라면 다시 NOT 게이트를 거치게 한다. 본 회로에서는 NOT 게이트를 거치는 대신 GAL을 이용해서 신호를 반전한다. 이렇게 나온 신호는 바로 로봇의 CPU에 보내진다. 그림 5.4의 회로는 로봇의 CPU 부분 중 수신기 부분만을 나타낸다.

그림 5. 수신기의 설계도

5.1.2 적외선 통신

최근에 PC에서 적외선 통신을 하는 장치가 많아졌으며 대표적인 예가 무선 키보드이다. 장치의 종류나 메이커와는 관계없이 적외선을 사용한 데이터 통신을 할 수 있도록 데이터 통신 방식을 표준화를 하였는데 이를 IrDA(Infrared Data Association) 표준규격이라 한다. IrDA 표준규격을 위해 적외선 통신을 구현하는 방법으로는 ASK 방식과 IrDA1.0 방식이 있다. 이 두 방법의 차이는 그림 5.5 와 같다. ASK 방식을 부반송파 방식이라 하고, IrDA1.0 방식을 베이스밴드 방식이라 한다.

그림 5.5 샤프 ASK 방식과 IrDA1.0 방식

즉, 부반송파 방식은 전송하려는 정보를 부반송파에 실어보내는 방법이고, 베이스밴드 방식이란 전송하려는 정보신호에 따라 적외선을 직접 발광시키거나, 발광시키지 않는 방법이다. 그림 5.5에서 부반송파 방식은 데이터가 □0□일 때 500kHz의 신호가 생기고 데이터가 □1□일 때는 신호가 생기지 않는다. 이에 반해 베이스밴드 방식은 데이터가 □0□일 때 1비트 시간 주기의 3/16시간만큼 신호가 생기고 □1□일 때는 신호가 생기지 않는다. 그림 5.6은 수신회로의 블록도를 나타낸다.

그림 5.6 수신회로 구성

부반송파 방식은 형광등 빛과 같은 외부 잡음에 강하고 부반송파 주파수에 의한 다중화가 가능하다는 장점이 있다. 베이스밴드 방식은 고속통신이 가능하고 회로구현이 간단하다. 베이스밴드 방식에서 통신품질을 높이기 위해서는 발광강도를 높여야 하며 외부 잡음을 줄이기 위해서는 수신감도를 낮추어야 한다. 적외선 통신에서는 발광소자와 수광소자가 신호를 주고 받을수 있는 시야각이 제한되어 있다.  실험 시스템에 구현된 방식은 베이스밴드 방식이고 최대 115.2Kbps까지 통신이 가능하다. 그리고 IR모듈에서 정확한 데이터를 보내고 받을 수 있는 시야각은 약[eqn: rm 14 DEG]정도이다. 이는 카메라지지대의 높이가 2m일 때 수직방향에서 50cm 떨어진 거리에서 정확한 데이터를 받을수 있는 각도이다. 즉, IR모듈은 RF 모듈과는 달리 수신 영역을 벗어나면 다른 IR모듈 사이의 간섭이 없어진다.

5.2 전원

전원은 로봇 설계시 간과하기 쉬운 부분이지만, 실제 로봇의 크기와 무게를 좌우하는 큰 요소일 뿐만 아니라 전지의 최대 허용 전류는 모터, 더 나아가 로봇의 순간 이동을 결정 짓는다. 전원으로 주로 사용되는 전지는 기술적인 면에서 어렵기 때문에 소형화와 대용량화를 모두 이룬 전지는 아직까지 없다. 전지는 크게 1차 전지와 2차 전지로 나눈다. 1차 전지란 보통 쓰는 1회용 전지를 말하고, 2차 전지란 재충전해서 사용할 수 있는 전지를 말한다. 반복 사용을 많이 해야 하는 로봇 축구에서는 대부분의 팀이 2차 전지 즉, 충전지를 많이 사용한다.

전지를 이용한 전원 공급을 할 때 주의해야 할 사항은 구동부(모터)와 마이크로컨트롤러부(CPU)를 포함한 회로의 전압이 다르다는 것이다. 대개의 회로는 5V에서 동작하고, 모터는 종류에 따라 공급해야 하는 전압이 다르다. 그리고, 또 다른 중요한 사항은 잡음이다. 모터와 회로의 전원을 하나로 사용하게 될 경우 모터에 의한 잡음이 회로의 전원으로 타고 들어가 회로에서 오동작이 일어날 수 있게 되는 등 예상치 못했던 문제점들이 나타나게 된다. 그러므로, 대개의 경우 모터의 사양에 맞춰서 전지의 종류와 전압을 결정하고, 회로에는 정전압기(regulator)를 통해 5V의 안정한 전압을 가한다.

전원과 함께 설계시 쉽게 생각하는 로봇의 구조는 정해진 로봇의 성능을 극대화한다는 측면에서 최적화의 의미를 띈다. 모터, 전원및 구동회로가 같은 상황에서 로봇의 몸체를 가볍게 만들면, 그 만큼 움직임이 빠르고, 전원의 소모가 적으므로 오래 경기를 할 수 있다. 하지만, 내부회로 보호장치 없이 무조건 가볍게 만들면, 경기 중 충돌이 일어났을 때 뒤로 심하게 밀리거나, 내부회로가 망가지게 될 것이다.

본 절의 앞부분에서는 전원으로 사용되는 전지의 종류와 선택, 전원 공급 방법에 대해서 설명하겠고, 뒷부분에서는 로봇 제작시 유의 사항에 대해 설명한다.

5.2.1 전원

로봇 설계시 간과하기 쉬운 부분중의 하나가 바로 전원 부분이나, 충전지가 로봇의 성능을 좌우하기 때문에 신중히 고려해야 한다. 먼저 가장 큰 문제는 충전지의 부피이다. 용량이 큰 충전지를 사용하려다 보면 부피가 너무 커지고, 부피가 작은 충전지를 고르다 보면 용량이 작아 로봇을 원하는 시간동안 동작시키지 못하게 된다. 안정된 전원을 만들기 위해서는 필히 정전압기를 달아 회로의 전원으로 사용하여야 한다. 정전압기 중에서도 low-drop 정전압기를 이용하면 5.5 V 정도로도 5 V를 낼 수 있다.

그림 5.7 Regulator 회로

충전지를 선택하려면 먼저 로봇이 전류를 얼마나 필요로 하는지를 알아야 한다. 평균 전류를 예상했으면 얼마의 시간 동안 로봇을 움직일 것인지를 결정해야 한다. 충전지의 용량은 일반적으로 mAh의 단위를 사용한다. 예를 들어 500mAh라면 500mA로 1시간 동안 전력을 공급할 수 있다는 뜻이다. 따라서 300mA로 5시간을 동작시키고 싶다면 1500mAh의 충전지를 선택해야할 것이다. 또 한 가지 주의할 점은 순간 전류를 고려해야 한다는 점이다. 만약 순간적으로 많은 전류가 필요하다면 충전지의 용량도 큰 것을 사용하여야 한다. 보통 충전지는 용량의 3배 정도가 되는 전류를 순간적으로 공급할 수 있다. 따라서 순간적으로 3000mA가 들어간다면 최소한 1000mAh인 충전지를 사용해야 할 것이다. 만약 많은 순간 전류를 필요로 할 때 충전지가 그 만큼의 전류를 공급해 주지 못한다면 전압이 순간적으로 떨어지게 되고, 그러면 회로가 순간적으로 리셋이 걸리게 되는 경우가 발생하게 된다.

다음의 표 8.1은 여러 종류의 1차 전지, 2차 전지의 특성을 나타내었다.

5.2.2 기타구조

로봇을 설계할 때는 다음의 사항을 고려해서 설계를 해야한다.

- 전기적, 물리적으로 안정해야 한다.

- 충격에도 견딜 수 있는 견고함이 있어야 한다.

- 가능하면 가볍게 만들어야 제어가 쉽고 전력소비가 적다.

- 회로의 전력소비가 적어야 적은 용량의 건전지로 오래 사용할 수 있다.

- 회로의 전원은 항상 정전압을 유지할 수 있어야 회로의 안정성이 보장된다.

- 7.5cm*7.5cm*7.5cm의 크기제한이 있으므로 각 부분의 배치도 신중히 고려해야 한다.

- 여러 대의 로봇을 제작해야 하므로 일단 한 대의 로봇이 완성되면 쉽게 여러대의 로봇을 만들 수 있도록 고려해야 한다.

- 로봇 설계시 구하기 쉬운 부품을 사용해야 한다. 두 대를 만들고 나서 더 이상 부품을 구하지 못하게 되는 경우가 없어야 된다.

- VCC와 GND는 쇼트가 나지 않도록 항상 주의해야 한다.

- 디지탈 회로와 아날로그 회로 사이의 인터페이싱을 할 경우 전류의 관계를 항상 고려해야 한다.

- 바퀴는 마찰력이 커야 미끄러짐을 막을 수 있어 제어의 오차를 줄일 수 있다.

- 건전지는 착탈이 쉽도록 로봇의 구조를 설계해야 한다.

표 5.3 전지의 특성

	종 류	특 성
1차 전지	망간 건전지	- 라디오 같은 간헐 사용나 시계같은 소전류에 적합하다. - 값이 싸다. - 점점 알카리 건전지로 대체되고 있다.
	알카리 건전지
		- 연속이건 간헐이건 상관이 없다. - 대전류에 강하다. - 알카리 버튼전지(10mAh)로 있다. - 망간 건전지의 2배 정도의 용량을 갖는다.
	산화은 전지
		- 시계에서 쓰이고 있다. (10mAh) - 방전 전압이 1.5 V로 아주 안정하다. - 대전류 방전 특성이 우수하다. - 초소형 싸이즈가 풍부하다.
	공기아연 전지	- 양극 재료로 공기를 사용한다. (5~50mAh) - 에너지 밀도가 기존의 전지중 최대이다. - 최대 사용 전류 밀도는 약 10mA/cm2 이다. - 고용량성을 자랑한다. - 동일 사이즈 산화은 전지의 4.3배 - 대용량 수은 전지의 2.1배 - 경량이다. (산화은 전지보다 30% 가볍다.) - 안정한 전압
	리튬 전지	- 고전압이다. (1.5V ~ 3.6 V 범위에서 선택가능) - 고에너지 밀도이다. - 동작온도가 제약이 적다. - 특성은 좋지만 너무 비싸다.
2차 전지	니켈 카드뮴	- 휴대 전화 등에 쓰인다. - 150mAh ~ 8000mAh로 다양하다.
	니켈 수소	- 니켈 카드뮴보다 용량이 1.8배 가량 크다. - 전류 용량의 3배가 되는 대전류를 방전할 수 있다. - 니켈 카드뮴에서 니켈 수소로 바뀌어가고 있다.
	리튬 2차 전지	- 전압이 3.6 V로 높다. (니켈 카드뮴, 니켈 수소 전지 3개 직렬분과 같다.) - 고에너지 밀도이다. - 소형 경량이 중요시되는 휴대폰 또는 퍼스널 컴퓨터 등 최첨단 기기에 쓰인다. - 국내에서는 구하기가 어렵다.