센서
세상을 숫자로

센서 = 세상을 숫자로 바꾸는 기관

마이크로컨트롤러는 숫자만 다룬다. 빛도 거리도 온도도 그 자체로는 받지 못한다.

센서는 물리량을 전기 신호로 바꾸는 장치다.
밝으면 전압이 높고 어두우면 낮다. 더우면 저항이 변한다. 멀면 메아리가 늦게 돌아온다.
이 전기 신호가 결국 숫자로 들어오고 코드가 그 숫자를 읽는다.

그래서 센서는 로봇의 감각 기관이다.
눈은 카메라와 적외선, 귀와 살갗은 초음파와 온도, 평형감각은 가속도계가 맡는다.
센서 없는 로봇은 눈을 감고 손이 묶인 채 명령만 외우는 깡통이다.

센서마다 다른 물리량을 잼

센서 하나가 모든 걸 재지는 못한다. 잴 수 있는 물리량이 센서마다 정해져 있다.

포토레지스터(CdS)는 빛을 받으면 저항이 떨어져 밝기를 잰다.
초음파(HC-SR04)는 음파를 쏘고 메아리 시간을 재서 거리를 잰다.
서미스터, DHT는 온도에 따라 저항이 변해 온도를 잰다.

기울기와 움직임은 가속도계(accelerometer)와 자이로(gyro)가 잰다. 둘은 보통 IMU 한 칩에 같이 들어간다.
로봇 설계의 절반은 무엇을 알아야 하고 어떤 센서를 달지 정하는 일이다.

아날로그를 ADC로 디지털화

현실은 연속이다. 빛도 온도도 칼로 자른 단계가 아니라 매끄럽게 이어진다.
그런데 컴퓨터는 정수만 다룬다.

그 사이를 메우는 것이 ADC(Analog-to-Digital Converter)다.
연속된 전압을 일정 간격으로 끊어 숫자로 매긴다. 이걸 양자화(quantization)라고 한다.
Arduino Uno의 analogRead()는 0~5V를 0~1023(10비트)으로 바꿔 준다.

비트가 많을수록 계단이 촘촘해서 더 미세한 차이를 구분한다.
10비트면 1024단계, 12비트면 4096단계다.
단계가 거칠면 미묘한 변화를 보지 못한다. 이것이 분해능(resolution)이다.

센서값엔 노이즈가 낀다

오른쪽 가상 초음파 센서로 물체 거리를 바꾸면 측정값이 실시간으로 따라온다.

센서는 거리를 직접 보지 못한다.
음파를 쏘고 되돌아오는 시간을 재서, 거리 = 음속 343m/s × 왕복시간 ÷ 2로 환산한다.
잰 것은 시간이고 내놓는 것은 거리다.

그리고 값은 가만히 둬도 미세하게 떨린다. 이것이 노이즈(noise)다.
전기 잡음, 반사 흔들림, 온도 영향으로 측정마다 값이 살짝 달라진다.
그래서 현실 센서값은 깨끗한 정수가 아니라 떨리는 신호다. 평균이나 필터로 다듬어 쓴다.

센서가 로봇의 감각이다

로봇이 움직이는 한 바퀴는 늘 센서에서 시작한다.
세상을 읽고(센서), 판단하고(제어와 AI), 움직인다(액추에이터).

이 감지-판단-행동 루프가 초당 수십, 수백 번 돈다.
센서가 틀린 숫자를 주면 그 위에 쌓인 판단도 다 틀린다.
그래서 좋은 로봇의 출발은 세상을 정확히 숫자로 읽는 일이다.