[Raspberry pi] sensor

📝 [TIL] 라즈베리파이 신호 처리 및 센서(Sense HAT) 심화 학습

1. 신호 처리 기초 (Analog vs Digital)

🔹 아날로그 신호의 처리

• 문제점: 라즈베리파이에는 아날로그 신호를 디지털로 변환하는 ADC(Analog-to-Digital Converter) 하드웨어가 내장되어 있지 않음.
• 해결책 (PWM):
  • PWM (Pulse Width Modulation): 펄스 폭 변조.
  • 디지털 신호를 빠르게 스위칭(On/Off)하여 마치 아날로그 신호인 것처럼 보이게 하는 기술.

🔹 주파수와 주기

• 공식: $f(Hz) = 1 / T(s)$ (주파수는 주기에 반비례)
• CPU 속도 예시:
  • 일반 CPU (5GHz): 1초에 50억 회 진동 (1회 진동 시 0.2ns 소요)
  • 라즈베리파이 5 (ARM Cortex-A76 2.4GHz): 1초에 24억 회 진동 (1회 진동 시 약 417μs 소요)

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2. 센서(Sensor)와 MEMS

🔹 센서 개요

• Sense HAT: 라즈베리파이 공식 센서 키트 (Add-on Board).
• 센서(Sensor): 정보를 수집하여 수치 값으로 만들어내는 장치.
  • 예: 오감(시각, 청각) 외 초음파, 압력, 자기, 온도, 가스, 가속도 등.

🔹 MEMS (Micro Electro Mechanical Systems)

• 정의: 반도체 제조 공정을 응용하여 만든 초소형 정밀 기계 시스템.
• 활용 분야: 자동차, 정보 통신 등 다양한 분야.
  • 에어백: 가속도 센서 활용.
  • 차체 제어: 자이로 센서 활용.
  • 타이어: 공기압 센서 활용.

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3. MCU와 드라이버 (Driver)

🔹 드라이버의 필요성

• MCU의 한계: GPIO 핀 부족, 직접 제어 시 프로그래밍의 복잡함 등으로 모든 모듈을 직접 제어하기 어려움.
• 드라이버(Driver)의 역할:
  • H/W Interface: 모듈을 제어할 수 있는 인터페이스 역할.
  • 동작 원리: MCU는 드라이버에게 명령을 내리고, 드라이버가 실제 모듈(LED, 모터 등)을 제어함.
  • 종류: FND 드라이버, 모터 드라이버, LCD 드라이버, LED 드라이버 등.

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4. 라즈베리파이 Sense HAT 실습

🔹 개요 및 구성

• 구성: 다양한 센서 집합(자이로, 가속도, 기압, 지자기, 온습도) + 8x8 LED Matrix + 조이스틱.
• 주의사항: 하드웨어 연결 시 반드시 라즈베리파이 전원을 끄고 연결할 것.

🔹 Sense HAT Emulator (가상 시뮬레이터)

• 하드웨어가 없거나 불량 테스트 용도로 사용 (실제 코드와 호환됨).
• 설치 명령어:

    git clone https://github.com/astro-pi/python-sense-emu
    cd ./python-sense-emu
    sudo python3 setup.py install

🔹 API 테스트 코드 (Python)

from sense_hat import SenseHat
sense = SenseHat()
sense.show_message("HELLO")

🔹 트러블 슈팅 (OSError 발생 시)

• 원인: 설정 파일에 Sense HAT 오버레이가 누락된 경우.
• 해결 방법:
  1. /boot/firmware/config.txt 파일 열기 (sudo vi ...)
  2. dtoverlay=rpi-sense 내용 추가 후 저장.
  3. sudo reboot (재부팅).

🔹 회로도 확인

• 공식 사이트: Raspberry Pi Datasheets
• 확인 방법: 'sense-hat' 검색 → Schematic(회로도) 클릭 → 부품 실크 번호(ex: U3, U4)로 상세 부품 확인 및 PDF 조회.

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5. IMU (Inertial Measurement Unit, 관성 측정 장치)

🔹 개요

• 물체의 기울기, 위치, 방향 등 정보를 측정하는 장치 (드론, 자동차, 선박 등 활용).
• 센서 축(Axis) 구성:
  • 3축: 가속도 or 자이로 or 지자기 중 택 1 (X, Y, Z).
  • 6축: 자이로스코프 + 가속도 센서.
  • 9축: 자이로스코프 + 가속도 센서 + 지자기 센서.
• Sense HAT 스펙: 9축 센서 탑재 (회로도 실크: U4).
  • 자이로스코프 (Pitch, Roll, Yaw)
  • 가속도 센서 (X, Y, Z)
  • 지자기 센서 (X, Y, Z)

🔹 데이터 보정 (필터링)

• 필요성: 자이로스코프 등의 Raw data는 오차가 있을 수 있어 보정이 필수.
• 주요 필터:
  • 상보 필터 (Complementary Filter)
  • 칼만 필터 (Kalman Filter)
• 참고: 정확한 각도를 구하기 위해 사용되며, 최근에는 관련 라이브러리가 잘 구축되어 있음.

🔹 가속도 센서 활용 원리

1. 가속도 적분 → 속도 산출.
2. 속도 적분 → 이동 경로 산출.
3. 진동 분석 → 장비 고장 여부 판단.
4. 기울기 측정 → 모터 제어 등에 활용 (예: MPU6050).

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6. 기타 구성 요소 상세

🔹 LED Matrix

• Sense HAT에 내장된 디스플레이.
• 공식 문서: Sense HAT API - LED Matrix

🔹 조이스틱 (Joystick)

• 특징: 라즈베리파이에는 ADC가 없음.
• 구조: 명칭은 조이스틱이지만 실제로는 아날로그 스틱이 아닌 5개의 디지털 버튼(좌, 우, 위, 아래, 클릭)으로 구성됨.
• 회로도 실크: J2