녹스(Nox): ROS 기반 DIY SLAM 자율 주행 하우스 로봇

녹스(Nox)는 ROS, 라즈베리파이, 아두이노 기반의 차동 구동 로봇으로, Kinect 360을 탑재해 실시간 SLAM과 장애물 감지를 수행합니다.

초기에는 모듈러 베이스로 구상되었으나, 주변 환경 지도 작성(gmapping), 자기 위치 파악, 목표 위치까지 충돌 없는 경로 계획을 수행하는 완전 자율 플랫폼으로 확장되었습니다.

11.1V 리튬이온 배터리와 방굿(Banggood)산 12V DC 모터 2개(107 rpm)로 구동되며, 전면 패널이 탈착식이라 다양한 길이의 배터리를 빠르게 교체할 수 있습니다. 배터리 잔량 표시기로 충전 시기를 알려줍니다.

모터가 충분한 속도를 제공하지만, 더 부드러운 내비게이션을 위해 정밀 엔코더를 우선시했습니다.

섀시는 Kinect를 매끄럽게 통합하도록 설계되었습니다. 현대적 디자인과 상징적인 '데우스 엑스(Deus Ex)' 미학에서 영감받은 날렵한 삼각형 형태를 채택했습니다. 광범위한 CAD 수정으로 배선 관리를 용이하게 하면서 전문적인 마감을 구현했습니다.

상태 LED(새해 전야 글로우 스틱에서 재활용)가 시각적 단서를 제공: 빠른 3회 점멸은 아두이노가 ROS 마스터에 미연결 상태, 숨쉬기 패턴은 활성 내비게이션 중으로 점멸 속도가 로봇 속도에 비례.

미연결 점멸

대기 점멸

구조

차동 구동은 두 모터를 공통 축에 배치. 나무 베이스가 두 캐스터 휠로 안정성 확보, 후면부는 라즈베리파이, 아두이노 및 기타 전자장치용 적층 플레이트 탑재.

외부 인클로저는 수작업으로 자른 검은색 플라스틱 플레이트로, 향후 3D 프린팅으로 간소화 예정.

하드웨어

핵심은 우분투와 ROS를 실행하는 라즈베리파이 3B로, 와이파이와 SSH로 원격 제어 가능. ROS가 오도메트리, 내비게이션 계획, Kinect 데이터로 SLAM 처리. Pi가 속도 명령을 아두이노 메가 2560으로 전송, 아다프루트 모터 쉴드로 PID 루프를 통해 모터 구동. 엔코더 피드백이 Pi로 돌아와 정확한 오도메트리 구현.

우노와 레오나르도 실험 후 메가 2560으로 결정: 엔코더 읽기에 충분한 메모리와 인터럽트 핀 제공.

Kinect 360이 프로젝트 핵심: 25유로 3D 카메라로 gmapping용 깊이 데이터 제공, 비전, 가속도계, 마이크 어레이도 탑재해 향후 확장 가치 높음.

전원 관리는 두 DC 컨버터 사용: 모터는 11.1V 배터리 직결, Pi/아두이노/엔코더는 5V, Kinect는 안정화된 12V 공급.

소프트웨어

ROS Kinetic 실행. 단일 커스텀 노드 nox_controller가 모터 속도 데이터로 오도메트리 계산. 운동학적 모델은 "On Differential Drive Robot Odometry with Application to Path Planning" 접근법 따름. 향후 센서 융합을 위해 공분산 행렬 발행.

모터 제어는 현재 직접 PWM 명령 사용, PID 루프는 비활성화 상태이나 향후 정밀도 향상을 위해 캘리브레이션 예정. 엔코더 피드백만으로도 만족스러운 속도 조절 달성.

자세히 보기: Nox – A House Wandering Robot (ROS)