PECO

1. 프로젝트 소개

R2BOT은 교내를 자율적으로 이동하며 짐을 운반하거나 방문객을 목적지까지 안내할 수 있는 자율주행 서비스 로봇이다.

이 프로젝트는 학교에 처음 방문하는 신입생이나 외부 손님처럼 캠퍼스 구조에 익숙하지 않은 사람들을 돕기 위해 시작되었다.

사용자는 목적지를 입력하면 로봇이 해당 위치까지 안내하며, 캠퍼스를 잘 알고 있는 사용자라면 물건을 싣고 짐 운반용으로도 활용할 수 있다.

이처럼 R2BOT은 안내와 운반이라는 두 가지 기능을 겸비한 실용적인 자율주행 로봇으로, 누구나 쉽게 사용할 수 있도록 설계되었다.

2. 프로젝트 미리보기

2륜 초기 시연영상

▶ 영상 당시 세팅

4륜 중간시연영상

▶ 영상 당시 세팅

WEB

중간 결과물

3. 프로젝트 동기

R2BOT 프로젝트는 개인적인 경험에서 비롯된 문제의식에서 시작되었다.

처음 학교에 입학했을 때, 실습실의 이름이 너무 복잡하고 직관적이지 않아 반 학기가 지나서도 여전히 새로운 건물의 실습실을 찾는 데 어려움을 겪었다.

이 경험은 나뿐만 아니라 다른 신입생이나 외부 손님, 학부모님들에게도 동일한 불편함이 있을 것이라는 생각으로 이어졌다.

또한 기숙사 입사나 주말마다의 짐 정리 과정에서 무거운 짐을 옮기는 것이 매우 번거롭고 힘든 일이었다.

몇 번씩 짐을 나르거나, 한 번에 들고 이동하는 것은 체력적으로 부담이 컸다.

이러한 어려움들을 해결하고자, 안내와 짐 운반을 동시에 수행할 수 있는 자율주행 로봇의 필요성을 느끼게 되었고, R2BOT이라는 아이디어가 탄생하게 되었다.

4. 팀 소개

팀원 역할 분배, 협업 방식

김동욱 팀장, 기획, ROS2, 펌웨어, 2D 설계

강도현 3D 모델링

김상윤 펌웨어, MQTT 서버 구축 및 통신

오창민 LLM(AI) 모델 관리 및 응답 시스템 구성

김규민 웹 서비스 개발 및 사용자 인터페이스 구축

5. 기여 사항

STM32 기반 펌웨어 개발: R2BOT의 주행 로직 및 주변 장치 제어를 위한 펌웨어를 개발하여, 하드웨어와 소프트웨어의 원활한 통신을 가능하게 했다.

Jetson Nano와의 UART 통신 구현: Jetson에서 간단한 테스트용 웹 서버를 구현하고, 이를 통해 STM32와의 UART 통신을 테스트 및 디버깅하였다.

이 과정을 통해 주행 제어 명령이나 외부 센서 데이터를 실시간으로 주고받을 수 있게 구성하였다.

시스템 통합 및 데이터 흐름 설계: Jetson이 외부와 통신하거나 로봇의 전반적인 동작을 관리할 수 있도록 시스템 통합을 설계하였으며,

다양한 기술 스택(MQTT, ROS2 등)과의 연결을 고려하여 안정적인 통신 구조를 마련하였다.

6. 프로젝트 개발과정

R2BOT 프로젝트는 초기에는 실물 중심의 빠른 구현 방식으로 시작되었다.

처음에는 프로토타입 설계나 시뮬레이션 없이, 단순히 모터를 구동하고 통신 기능만을 시험해보는 형태로 진행되었지만,

이 과정에서 자원의 소모가 크고, 작은 실수가 전체 일정에 큰 영향을 준다는 교훈을 얻게 되었다.

이후 팀은 전략을 전환하여 개발 효율과 안정성을 높이기 위한 절차를 도입하였다:

• 3D 모델링 및 시뮬레이션 기반 설계: 각 부품을 3D로 설계하고 시뮬레이션을 통해 간섭 여부와 동작 안정성을 확인한 후 실제 제작에 들어갔다.

• 2D 설계와 연동 테스트: 2D 설계 단계에서부터 3D 환경으로 불러와서 배치 상태와 연결 구조를 사전에 검토하였다.

• 모터 제어 및 통신 사전 검증: 각종 제어 및 통신 프로토콜(UART 등)은 하드웨어 조립 전부터 충분히 테스트하였고, 조립 단계에서도 지속적으로 디버깅 과정을 병행하여 오류를 줄였다.

8. 트러블슈팅

ROS2 버전 호환성 문제

문제: 초기에는 ROS2 Humble 버전을 사용하려 했으나, Jetson Nano는 Ubuntu 18.04까지만 지원되었고, 대부분의 오픈소스는 Ubuntu 20.04에서 호환되었다.

해결 과정: Jetson Orin NX로 고성능 보드 교체를 시도했으나, 보드의 고장으로 인해 프로젝트에 큰 지장이 발생.

결과: Jetson Nano에서 Docker를 사용하여 ROS2 HUmble환경을 구성하고 DRobotics의 RDK X3보드와 연산을 나눠서 성능 부족을 개선함.

Jetson Orin NX 고장

문제: 전원 연결 과정에서 팀원의 실수로 Jetson Orin NX 보드가 고장났다.

해결 과정: 고장 원인은 밝혀지지 않았지만, 보드 고장으로 인해 프로젝트 진행에 큰 어려움이 생겼음.

중량 문제

문제: 프로젝트 외형 디자인에서 알루미늄 프로파일 3030을 사용했으나, 무게가 예상보다 커져서 모터 선택에 큰 영향을 미쳤다.

해결 과정: 초기에는 DC유성기어감속엔코더나 BLDC 모터를 선택하려고 생각했으나 무게에 비례한 성능에서 BLDC 인휠모터가 월등히 뛰어난 성능을 가져서 BLDC 인휠모터를 최종 선택했다.

BLDC 드라이버 사양 문제

문제: 구매한 BLDC 모터 드라이버가 데이터시트에 명시된 사양에 미치지 못해 초반 토크 부족 문제 발생.

해결 과정: 문제 추적 결과, 센서리스 타입 드라이버가 원인으로 밝혀졌고, 센서드 타입 드라이버로 교체하여 해결했다.

센서드 모터의 토크 문제

문제: 센서드 타입 드라이버를 구매한 후에도 예상보다 낮은 토크로 문제 발생.

해결 과정: STM32에서 지금까지 주파수의 정확도를 낮게 설정한 것이 문제였다. 하지만 NUCLEO-F103RB에서는 72MHz가 최대여서 올바르게 ARR와 CCR을 분배하는것이 불가능에 가까웠지만 NUCLEO-H755ZI-Q를 사용하면서 최대 주파수를 올려서 문제를 해결했다.

배경지식 및 의사소통 문제

문제: 프로젝트의 기술적 내용을 공유하고 협력하는 과정에서 각 팀원의 이해도와 숙련도의 차이로 작업 효율성이 떨어짐. 내가 프로젝트 방향을 강하게 주도했기 때문에 팀원들이 내용을 충분히 이해하지 못하고 따라오는 경우가 많았다.

해결 과정: 기술적 사양과 진행 상황을 문서화하여 체계를 잡으려 노력했지만, 개선에는 한계가 있었다.

2륜의 문제점

문제: 2륜 운행 시, 보조바퀴가 있더라도 지면이 고르지 않거나 무게가 많이 실리면 모터가 본래의 토크를 충분히 내지 못함.

해결 과정: 현재 4륜으로 시도하려고 구조를 바꾸고 있음 (2025.4.22 기준)

모터 양쪽의 RPM이 다름

문제: 2륜 운행 시, 모터 양쪽의 RPM이 달라서 심하게 한쪽으로 기운다.

해결 과정: STM32단에서 전처리를 해서 해야 할 것 같음 하지만 4륜으로 바꾸는게 먼저

PWM 한계 문제

문제: Nucleo-F103RBT6 보드에서 PWM 주파수를 5MHz로 설정했을 때 파형이 불안정해졌다.

해결 과정: STM32 H 시리즈 보드를 구매하여 더 안정적인 파형을 얻을 수 있었다.

4륜구조의 회전 불가능 문제

문제: 바퀴가 고정된 4륜구조의 경우 회전이 불가능하다. 왜냐하면 회전이 원을 그려야하는데 2륜의 경우 밖으로 밀리면서 회전이 가능하지만 4륜의 경우 회전이 어렵다.

해결 과정: 현재 움직임의 연산을 직진, 회전만 두는것이 아니라 CCR을 높히고 바퀴의 속도에 차이를 줘서 완만하게 회전이 가능하도록 만들고 있다.