자율주행 임베디드 챌린지

휴인스 Ubrain 모델과 STM32F429II를 기반으로 구현한 다중 센서 자율주행 프로젝트

좌우 적외선 센서와 전방·좌·우 초음파 센서를 조합하고, FreeRTOS 태스크와 Queue를 이용해 센서 처리와 모터 제어를 분리함.

임베디드소프트웨어 01반 · 14팀
충남대학교 컴퓨터융합학부 김우솔, 정민용

시연 영상

구분	링크
연습 주행 1	연습 과정에서 구성한 코스 주행
연습 주행 2	실습 코스 연습 주행
연습 주행 3	평가 코스 연습 주행
평가 코스 최종 주행 1	* 영상 녹화 오류로 인한 연습 주행 영상 대체 (동적 장애물 충돌로 3구간 실격)
평가 코스 최종 주행 2	지정 맵 탈출로 1구간 실격
평가 코스 최종 주행 3	지정 맵 탈출로 1구간 실격

개발 환경

• Board: HUINS Ubrain, STM32F429II (Cortex-M4)
• IDE/Compiler: Keil MDK-ARM uVision, ARMCC 5.06
• Framework: STM32F4 HAL, CMSIS-RTOS, FreeRTOS
• Motor control: TIM4/TIM8 PWM
• Sensors:
  • 전방·좌·우 초음파 센서 3개
  • 좌·우 적외선 센서 2개

주행 전략

초음파 센서는 코스의 구조를 판단하는 장거리 센서로 사용하며, 적외선 센서는 근거리 충돌을 피하기 위한 미세 조향 센서로 사용함.

1. 초음파 에코 펄스를 타이머 입력 캡처로 측정함.
2. 거리(cm) = 펄스 폭 / 58로 환산하고, 15 cm 미만을 장애물로 판단함.
3. 좌우 IR 값을 ADC로 읽어 100~2000 범위로 제한한 뒤 임계값과 비교함.
4. 모터 태스크는 IR 근접 회피를 우선 처리하고, 이후 초음파 구조 및 경로 복귀 요청을 처리함.
5. 좌·우 회전의 실제 RTOS tick을 누적해 현재 진행 방향을 추정함.

전방 장애물은 좌우 초음파 상태에 따라 분류함.

전방	좌측	우측	동작
막힘	열림	열림	누적 회전량의 반대 방향으로 회전
막힘	막힘	열림	우회전
막힘	열림	막힘	좌회전
막힘	막힘	막힘	누적 회전량의 반대 방향으로 크게 회전

HeadingState 기반 방향 추정

자이로 센서 없이 좌·우 회전 시간을 누적해 로봇의 현재 주행 방향을 HeadingState로 관리함.

순회전량	HeadingState	의미
우회전 누적량이 큼	HEADING_RIGHT	오른쪽 방향으로 주행 중
좌회전 누적량이 큼	HEADING_LEFT	왼쪽 방향으로 주행 중
좌우 누적량이 비슷함	HEADING_FRONT	초기 진행 방향으로 주행 중

IR 센서의 미세 조향은 방향 상태에 과도하게 반영되지 않도록 0.24 가중치를 적용함.

외딴 섬 구간에서는 현재 HeadingState를 기준으로 추적할 측면 벽과 원래 진행축으로 복귀할 회전 방향을 결정함.

HeadingState LED 디버깅

센서 조건과 누적 회전량에 따라 방향 상태가 의도대로 전환되는지 보드 LED로 즉시 확인할 수 있도록 구성함.

LED 표시	HeadingState	확인 목적
LED1 점등	HEADING_RIGHT	우회전 누적량이 우측 방향 판정 기준에 도달했는지 확인
LED2, LED3 점등	HEADING_FRONT	좌우 회전량이 상쇄되어 초기 진행축 허용 범위로 복귀했는지 확인
LED4 점등	HEADING_LEFT	좌회전 누적량이 좌측 방향 판정 기준에 도달했는지 확인

이를 통해 외딴 섬 구간에서 벽 소실을 올바른 측면 센서로 추적하는지와 복귀 회전 후 HEADING_FRONT로 전환되는지를 주행 중 검증함.

외딴 섬 문제

이 프로젝트에서는 로봇이 벽을 따라 우회 또는 좌회한 뒤, 따라가던 벽이 끝났을 때 원래 진행축으로 복귀해야 하는 상황을 외딴 섬 문제로 정의함.

단순히 “옆이 비었다”는 현재 센서값만 보고 회전하면 처음부터 넓게 열린 공간도 코너로 오인해 반복 회전하게 됨. 이를 해결하기 위해 센서값의 시간적 순서를 상태로 저장함.

예를 들어 로봇이 오른쪽 방향으로 주행할 때:

1. 왼쪽 벽을 한 번 이상 감지했는지 기억함.
2. 이후 왼쪽 벽이 사라진 상태가 2회 연속 확인될 때만 복귀를 요청함.
3. 차체 중심이 코너를 통과하도록 400 ms 추가 전진함.
4. 왼쪽으로 870 ms 회전해 원래 진행축으로 복귀함.

이 방식으로 처음부터 벽이 없는 공간과 벽을 따라가다가 끝을 통과한 상황을 구분함.

FreeRTOS 구조

태스크	역할	주기
IR_Sensor	좌우 ADC 측정 및 근접 상태 생성	10 ms
Detect_obstacle	3방향 거리 판정, 외딴 섬 상태 추적	50 ms
Motor_control	센서 우선순위 판단 및 모터 동작 실행	상태 기반 반복 실행

초기에는 여러 전역 플래그를 태스크가 직접 공유했으나, 필드별 갱신 시점이 달라 서로 다른 측정 주기의 값이 섞일 수 있었음. 이를 다음 Queue 구조로 개선함.

• irSensorQueue: 좌우 IR 상태를 하나의 스냅샷으로 전달
• navigationQueue: 전방·좌·우 장애물과 복귀 요청을 하나의 메시지로 전달
• navigationCommandQueue: 복귀 시작/종료, ACK, 추적 상태 초기화 명령 전달

센서 Queue는 길이 1과 xQueueOverwrite()를 사용해 항상 최신값만 유지함. osDelay() 동안 태스크를 Block해 다른 센서 태스크가 실행되도록 하고, osKernelSysTick()으로 요청 시간이 아닌 실제 회전 경과 시간을 누적함.

트러블슈팅

문제	원인	해결
열린 공간에서 반복 회전	측면 개방을 즉시 코너 끝으로 판단	벽을 본 이력과 벽 소실 2회 연속 확인 추가
초음파 오검출	반사각, 간섭, 에코 미수신	0 측정 제외 및 연속 확인 적용
좌우 도리도리	IR 임계값이 낮으면 주변 반사나 먼 장애물에도 반응하고, 높으면 벽에 너무 가까워진 뒤 반응함	IR_THRESHOLD를 600~700 사이에서 반복 조정해 현재 660으로 캘리브레이션함
IR 누적량 과대 반영	90도 회전보다 IR 미세 조향 누적량이 더 커져 내부 방향 상태가 실제 차체 방향과 어긋남	IR 미세 조향일 때만 회전 누적량에 0.24 가중치 적용
코너에서 차체가 벽에 걸림	센서와 차체 회전 중심의 위치 차이	복귀 전 400 ms 추가 전진
중복 복귀 동작	센서 태스크가 동일 요청을 반복 생성	요청 유지, ACK 및 returnHandling 상태 도입
태스크 간 상태 불일치	여러 전역 플래그를 개별 갱신	구조체 기반 FreeRTOS Queue로 교체

주요 캘리브레이션 값

현재 main.c 기준 값임.

항목	값
IR 감지 임계값	ADC 660
초음파 장애물 거리	15 cm
IR 미세 회전	50 ms
IR 방향 누적 가중치	0.24
일반 방향 전환	870 ms
삼면 장애물 회전	1200 ms
코너 복귀 전 추가 전진	400 ms
코너 개방 확인	2회 연속
IR / 초음파 갱신 주기	10 ms / 50 ms

빌드 및 실행

1. Keil uVision에서 Project.uvprojx를 엶.
2. PWM(Motor) 타깃을 선택함.
3. 프로젝트를 빌드한 뒤 STM32F429II 보드에 다운로드함.
4. 전원과 모터 드라이버를 연결하고 센서 임계값 및 회전 시간을 주행 환경에 맞게 확인함.