8. 적외선센서를 이용한 거리측정

적외선 센서와 초음파 센서

 

일상생활 속에는 센서를 이용한 장치를 쉽게 찾아볼 수 있고 많은 실습에서도 사용된다. 아두이노는 마이크로컨트롤러를 이용한 보드이기 때문에 다양한 디지털 및 아날로그 출력을 내는 센서를 연결해 외부의 데이터를 받아들이고 이를 처리함으로써 외부 환경과 상호작용할 수 있는 장치를 구현할 수 있다.  

적외선 센서와 초음파 센서는 비접촉센서로 두 센서 모두 거리를 측정한다는 공통점이 있지만 서로 다른 거리측정 방식을 사용한다. 아두이노에 연결할 수 있는 적외선 센서와 초음파 센서를 이용해 거리를 측정해 보는 각각의 예제에 대해 배워보고, 두 센서를 동시에 활용하여 외부환경과 상호작용하는 제어장치를 구성하는 방법을 익혀본다. 

적외선 센서란

적외선이란 인간이 식별할 수 있는 가시광선 중에서 빛의 파장이 긴 영역인 빨간색보다 파장이 더 큰 영역의 광선이다. 적외선 센서는 적외선을 이용해 온도와 압력, 방사선의 세기 등의 물리량이나 화학량을 감지하여 신호처리가 가능한 전기량으로 변환하는 장치이다. 적외선 센서의 특징은 색상변화에 민감하다. 흑색은 적외선을 잘 흡수하고 흰색은 적외선을 반사하는 특징이 있다. 

안구의 해부학적 구조에서 수정체와 각막의 반사율이 다른 것을 이용해 반사율의 차이를 기록하는 방법이다. 적외선을 이용해 온도와 압력, 방사선의 세기 등의 물리량이나 화학량을 감지하여 신호처리가 가능한 전기량으로 변환하는 장치이다. 기계가 적외선을 검출하는 것이 있다. 방범이나 화재감지 등에 사용된다. 스스로 적외선을 복사해 빛이 차단됨으로써 변화를 감지하는 능동식과, 자체에는 발광기를 가지지 않고 외계로부터 받는 적외선의 변화만을 읽어내는 수동식이 있다. 적외선을 스스로 발사하여 빛이 차단되는 것을 감지하는 능동식과 자체발광은 하지 않지만 외부로부터 적외선을 받아 변화만을 읽어내는 수동식이 있다. 즉, 자체적으로 빛을 내는 센서와 그 빛을 받아 분석하는 센서로 나눌 수 있다. 

적외선 센서는 발광부와 수광부로 나눠진다. 발광부에서 나온 적외선이 물체에 반사되어 수광부에 얼마나 많은 양이 들어오느냐에 따라 수광부에 들어오는 전압의 양이 변화하게 된다. 적외선 센서는 초음파 센서에 비해 범위가 좁기는 하지만 정확도는 높다. 초음파 센서와 달리 광삼각법으로 거리를 측정한다. 음파가 아닌 광선을 사용하므로 대상 물체에 초점이 만들어지고, 초점과의 각도를 계산해 물체와의 거리를 환산한다. 

초음파 센서란

초음파 센서는 음파를 쏘아서 반향되어 수집되는 음파까지의 시간차로 거리를 계산해 내는데 사용되는 센서이다. 공기 중에서는 음속이 340m/s의 일정한 속도로 진행되기 때문에 센서를 통해 응답이 오는 시간만 알면 센서 앞에 있는 사물까지의 거리를 측정할 수 있다. 초음파란 20km 이상의 주파수를 갖는 음파로, 인간의 귀에 들리지 않을 만큼 높은 음이다. 색상의 변화에 따라 거의 반응하지 않기 때문에 물체가 지닌 다양한 색상에 대해 별도로 고려할 필요가 거의 없다.  

초음파의 특징은 기체와 액체, 고체 등의 매질 중에서도 사용이 가능하다. 초음파는 파장이 짧아 지향성과 직진성이 높다.  자동차의 후방 경보 시스템이 초음파를 이용한 대표적인 예에 해당하며, 이외에도 물체 검출, 물체 크기 측정, 수위 측정 등 다양한 분야에서 초음파 센서가 사용되고 있다. 초음파는 광선과는 다르다. 그래서 실내에서의 전기 불빛과 실외에서의 태양광 그리고 낮과 밤의 명암 변화에 대해서도 일정한 특성들을 나타낸다. 초음파가 소리가 대상에 반사되어 돌아오는 시간을 기초로 대상 물체까지의 거리를 측정하는 센서로서 초음파의 우수한 직진성과 저렴한 가격 때문에 거리 측정에 흔히 사용된다. 

초음파 거리 센서는 초음파를 이용하여 거리를 측정하는 센서로 발신부와 수신부로 구성된다. 발신부는 함수 발생기에서 (+)에서 (-)전압을 압전 소자에 번갈아 가할 때, 압전 소자의 변형에 의해 진동이 발생하고 이 진동에 의해 초음파가 물체에 반사되어 돌아오는 파동에 의해 압전 소자가 진동하고 진동에 의해 전압이 발생되는 정압전현상을 이용한다. 이를 통해 반사되어 돌아오는 시간을 측정하여 거리를 계산할 수 있다. 

거리 = 속력 x 시간 소리(음파)의 속도는 1초당 340m를 갈 수 있으므로 속도는 340m/s이다. 초음파가 반사되어 돌아오는 시간은 cm단위로 구하려 하므로 위의 식을 이용해 1cm(0.01m) = 340 / 시간 따라서 시간 = 0.01 / 340 이므로 약 29.41us가 나오게 된다. 그러므로 1cm를 이동하는데 걸리는 시간은 약 29us가 된다. 초음파 센서에서 측정된 값(이동하는데 걸린 시간) / 29 / 2를 해주어야 초음파 센서로부터의 거리를 구할 수 있다.  

초음파 센서는 발신부와 수신부의 결합 상태에 따라 일체형과 분리형으로 나뉜다. 일체형의 경우 발신부와 수신부가 하나로 결합된 형태로 작은 공간을 요구하는 반면 회로 구성이 복잡해질 수 있는 단점이 있다. 분리형은 발신부와 수신부가 분리된 형태로, 최근 많이 사용되고 있으며 이 장에서도 분리형 초음파 센서를 사용한다.

적외선 센서를 이용한 거리측정 

 

적외선 센서를 이용한 거리 측정은 센서와 물체 사이의 거리를 측정하는 센서다. 적외선은 눈으로 직접 볼 수 없지만  측정하려는 물체로 적외선을 송신하고 물체에 반사되어 돌아오는 시간을 계산하고 이를 통해 거리를 알 수 있다.  

적외선 센서 | GP2Y0A41SK0F

IR센서는 특정 광센서를 사용해 적외선(IR) 스펙트럼의 선택 광 파장을 감지해 작동한다. 센서가 찾고 있는 것과 동일한 파장의 빛을 생성하는 LED를 사용하면 수신된 빛이 물체에서 튀어나와 빛 센서로 반사된다. 약 5V의 전압을 입력해 측정되는 거리에 따라 아날로그 전압을 입력받으며, 입력받은 값을 바탕으로 4~30cm의 거리를 측정한다. 센서는 반사광을 조사해 작동하므로 반사광의 값을 반환할 수 있는 센서가 있을 수 있다. 이 유형의 센서는 물체가 얼마나 밝은지를 측정하는 데 이용할 수 있다. 

 

적외선 거리 측정 센서는 수신부로 측정되는 적외선의 아날로그 세기를 측정해 출력하기 때문에 VCC, GND, OUT로 총 3개의 핀으로 구성되어 있다.   

 

회로 적외선 센서 연결 회로도

참고회로 적외선 센서와 라두이노용 회로도

 

스케치코드 적외선센서 연결회로도   

 적외선센서 특성의 문제점

 

● 구간 a와 구간 b의 동일한 Analog Voltage Output 구간 값이 나오므로 측정구간을 4~30cm로 한다.

● 구간 c, 구간 d와 같이 물체와의 거리가 멀어질수록 1cm에 대한 출력 값의 범위가 좁아진다.(비선형)

● 30~40cm의 출력구간은 특히 좁아 구분이 어려워 쓰지 못한다.

● 초기 측정시 안정적인 출력까지 10개 정도의 데이터는 의미가 없다

 

위 문제를 해결하는 방법

 

● 센서 출력 특성에 대한 도표를 만들어 각 구간별(1cm 단위) 출력 범위를 (Voltage) 설정

● 또는 정확하지 않지만 출력특성 그래프를 단순화, 선형화하며 사용

 

첫 번째 해결책은 비교적 정확한 결과를 도출하지만 같은 모델의 센서라 하더라도 그 출력값이 다른 현상으로 개체별 도표를 새로 만들어야 하며 시간이 오래 걸린다.

두 번째 해결책은 같은 모델의 어떤 센서라도 비슷한 결과가 나오지만 단순화된 수식으로 인해 보편적이나 부정확한 결과가 나온다.

위 적외선센서의 출력특성 그래프를 단순화한 수학적 모델을 세우면, 3.5cm에서 30cm까지 측정할 때의 수식은 다음과 같다.