아두이노 + 게임패드에 대한 고찰

이 글은 모형전자공작(https://cafe.naver.com/elehobby)의 2023년 7월 월례 모임에서 자유 탐구 주제로 발표한 내용을 블로그 글로 재구성한 것이다.

 

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조종기로서의 게임 패드의 매력은 다음과 같다.

• 게임 상에서 뭐든 조종한다! 
  • 비행기, 탱크, 자동차, 캐릭터 등등
• 다양한 조작 가능한 스위치들
  • PS2 컨트롤러 기준
    • x-y 아날로그 조이스틱 2개 (LX/LY/RX/RY)
    • 아날로그 버튼 2개 (L2, R2)
    • 디지털 버튼 14개
• 기성품!!

 

아두이노에서 게임패드와 연결을 위한 대표적인 (내가 다뤄본) 라이브러리는 아래와 같다.

• arduino-ps2x
• esp32-ps3
• bluepad32

각각에 대해 얘기를 좀 더 하자면

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Arduino-PS2X

• 프로젝트 페이지: https://github.com/madsci1016/Arduino-PS2X

GitHub - madsci1016/Arduino-PS2X: Read a Playstation 2 Gamepad or Guitar Hero Controller using an Arduino

• PS2 컨트롤러를 아두이노에 연결하여 조종기로 사용가능 (유선)
  • SPI 통신 (전원 제외 4핀이 아두이노에 연결 필요)

플스2 패드 (유선)

 

• 장점
  • Atmel 기반의 Arduino에서도 사용 가능
  • 연결만 하면 활용은 어렵지 않다
  • 굉장히 많은 이벤트를 구현해 놨다 (버튼을 누를 때와 뗄 때가 구분되어 있다)
• 단점
  • 유선! >> PS2 무선 컨트롤러로 무선화 가능할 듯 (대신 공간을 많이 잡아 먹는다)
  • 기본적으로 아두이노에서 4핀을 차지하기 때문에 제어를 위한 I/O 포트가 부족할 수 있다

플스2 패드 (무선)

• 활용 방안
  • 기본적인 기능 확인용 프로토타입 회로 구성용으로 적합할 듯
    • 하나 만들어 놓고 본격적인 회로 구성 전에 모터, 서보, LED등을 모형에 심고 테스트용도로 활용
  • 아두이노 + PS2 컨트롤러 + nRF24L01 모듈로 컨트롤러 무선화하고, 제어할 장치를 nRF24L01로 구현하면 꽤 장거리 컨트롤러로 활용할 수 있을 듯 (배터리 고민해야 할 듯)
    • 기존 RC 대체 고민 중

기존에 이 라이브러리와 관련해서 썼던 글들

2017.11.23 - [디지털 라이프 電子的生活 My Digital Life/아두이노 (Arduino)] - 플스2 패드를 아두이노에 연결하기...

플스2 패드를 아두이노에 연결하기...

2017.11.28 - [디지털 라이프 電子的生活 My Digital Life/아두이노 (Arduino)] - 플스2 패드를 RC 조종기로 쓰기 - 테스트 회로 및 소스

플스2 패드를 RC 조종기로 쓰기 - 테스트 회로 및 소스

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esp32-ps3

플스3 게임 패드 (블루투스)

• 프로젝트 페이지: https://github.com/jvpernis/esp32-ps3

GitHub - jvpernis/esp32-ps3: Control your ESP32 projects with a PS3 controller!

• PS3 게임패드는 기본적으로 블루투스 기반으로 무선 통신 가능
  • PS3 패드는 PS3에 유선 연결하여 페어링하게 되어 있음
• ESP32 기반의 MCU에서만 사용 가능
  • ESP32는 GPIO가 많아서 다양한 장치 제어를 구현 가능
  • Digital I/O 22개 (모두 PWM 출력 가능)
  • ESP32-S3 또는 ESP32-C3의 파생 MCU에서는 사용 불가
• 장점
  • 사용하기 간편함
    • 스위치 별로 변수가 1:1로 지정되어 있어 값을 읽어내기 쉽다
    • 컨트롤러의 배터리 상태 모니터링 지원
• 단점
  • PS3 패드와 MCU에 서로의 BT MAC 주소를 심어야 함 (SixaxisPairTool)
    • 하나의 패드로 여러 장치 제어에 번거로움

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bluepad32

bluepad32 라이브러리에서 지원하는 각종 게임 컨트롤러들

• 프로젝트 페이지: https://github.com/ricardoquesada/bluepad32

GitHub - ricardoquesada/bluepad32: Bluetooth gamepad support for the ESP32 (mirror)

• ESP32 기반의 컨트롤러에서 사용 가능
  • BLE 기반의 컨트롤러인 경우 ESP32-C3또는 ESP32-S3에서도 사용 가능 >> 소형화 가능

[ESP32 모듈별 지원가능한 블루투스 컨트롤러 유형]

Chip	BR/EDR	BLE
ESP32	Y	Y
ESP32-S3		Y
ESP32-C3		Y

ESP32-C3와 -S3는 BLE 형태의 게임컨트롤러만 지원한다.

• 최근 ARM계열의 Arduino 정품 계열도 지원 (Bluepad32 library for Arduino)
• 장점
  • 블루투스 기반의 다양한 컨트롤러 지원
    • PS3 패드의 경우 MCU의 BT MAC 주소를 심어야 함 (SixaxisPairTool)
      • 하나의 패드로 여러 장치 제어에 번거로움
  • 대부분의 패드의 경우 새 장치 pairing 방법으로 pairing 가능
    • 하나의 패드로 여러 장치 제어 가능
    • pairing 모드 상태인 장치가 여럿인 경우 혼동 주의

Gamepad	BR/EDR	BLE
DualSense (PS5)	Y
DUALSHOCK 4 (PS4)	Y
DUALSHOCK 3 (PS3)	Y
Nintendo Switch Pro	Y
Nintendo Switch JoyCons	Y
Nintendo Wii U Pro	Y
Nintendo Wii Remote	Y
Nintendo Balance Board	Y
Xbox Wireless	Y*	Y*
Steam		Y**
Stadia		Y***
Android	Y
8BitDo	Y
iCade	Y
Nimbus	Y
OUYA 1st gen	Y

• 단점
  • 사용하기 조금 불편함
    • 변수 하나에 여러 버튼 값이 읽혀 나옴 (이진 연산 필요)

[bluepad32에서 읽어내는 변수와 값]

변수	읽히는 값	PS3 Sixaxis	XBOX Wireless
dpad()	0x01	up	up
	0x02	down	down
	0x04	right	right
	0x08	left	left
buttons()	0x01	X (down)	A (down)
	0x02	circle (right)	B (right)
	0x04	sqaure (left)	X (left)
	0x08	triangle (up)	Y (up)
	0x10	L1	L.up
	0x20	R1	R.up
	0x100	L3 (stick L)	stick L
	0x200	R3 (stick R)	stick R
axisX()		-508 ~ 512 (4)	-512 ~ 511 (16)
axisY()		-508 ~ 512 (4)	-512 ~ 511 (17)
axisRX()		-508 ~ 512 (4)	-512 ~ 511 (10)
axisRY()		-508 ~ 512 (4)	-512 ~ 511 (14)
brake()		L2 (0~1020)	L.down (0~1023)
throttle()		R2 (0~1020)	R.down (0~1023)
miscButtons()	0x01
	0x02	SELECT
	0x04	START	=
	0x08
gyroX()
gyroY()
gyroZ()
accelX()
accelY()
accelZ()

아날로그 스틱의 경우 센터 상태일 때 "0"이 읽혀야 하지만 살짝 어긋나는 것을 확인할 수 있었다.

적당히 감안해서 동작 범위를 지정해야 할 것이다.

 

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ESP32는 Espressif란 회사의 제품군 이름이다. 따라서 ESP32 안에서도 여러가지 파생 모델이 있는데, 대표적인 모델 몇가지의 주요 기능을 비교해 본다.

출처는 다음과 같다.

https://docs.espressif.com/projects/esp-idf/en/v5.0.3/esp32/hw-reference/chip-series-comparison.html

Chip Series Comparison - ESP32 - — ESP-IDF Programming Guide v5.0.3 documentation

Feature	ESP32 Series	ESP32-S2 Series	ESP32-C3 Series	ESP32-S3 Series
Launch year	2016	2020	2020	2020
Core	Xtensa® dual-/single core 32-bit LX6	Xtensa® single-core 32-bit LX7	32-bit single-core RISC-V	Xtensa® dual-core 32-bit LX7
Wi-Fi protocols	802.11 b/g/n, 2.4 GHz	802.11 b/g/n, 2.4 GHz	802.11 b/g/n, 2.4 GHz	802.11 b/g/n, 2.4 GHz
Bluetooth®	Bluetooth v4.2 BR/EDR and Bluetooth Low Energy	✖️	Bluetooth 5.0	Bluetooth 5.0
Typical frequency	240 MHz (160 MHz for ESP32-S0WD)	240 MHz	160 MHz	240 MHz
SRAM	520 KB	320 KB	400 KB	512 KB
ROM	448 KB for booting and core functions	128 KB for booting and core functions	384 KB for booting and core functions	384 KB for booting and core functions
Embedded flash	2 MB, 4 MB, or none, depending on variants	2 MB, 4 MB, or none, depending on variants	4 MB or none, depending on variants	8 MB or none, depending on variants
Temperature sensor	✖️	1	1	1
Touch sensor	10	14	✖️	14
Hall sensor	1	✖️	✖️	✖️
GPIO	34	43	22	45
Camera interface	1	1	✖️	1
Pulse counter	8 channels	4 channels 1	✖️	4 channels 1

흥미로운 것은 온도 센서, 터치 센서, 홀센서 등이 기본적으로 포함되어 있다. 물론 모듈로 만들어진 것에 구현이 안 되어 있을 수도 있다.

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사용해본 게임 패드 3종에 대한 간단한 소감

 

플스3 Sixaxis 컨트롤러

플스3 Sixaxis 컨트롤러

• 장점
  • 싸다 (호환 패드가 대략 $10)
• 단점
  • 페어링을 위해 MCU의 BT MAC을 미리 심어야 한다.
  • 여러 장치를 하나의 컨트롤러로 제어하기에는 귀찮음
• 선물용으로 만들어서 줄 때엔 최선

 

플스4 Dualshock 4 컨트롤러

플스4 컨트롤러

• 장점
  • 페어링 쉽다
  • Bluepad32에서 위치 센서, 가속 센서 모두 잘 동작 (정품 기준. 호환 패드 테스트 필요)
• 단점
  • 호환 패드PS3 패드에 비해 비싸다. ($17 이상)
• 호환 패드 구매해서 배송 중 

Xbox Wireless Controller

Xbox Wireless Controller

• 장점
  • 딱 보면 비싸고 좋아 보인다!
  • ESP32-S3 혹은 ESP32-C3도 지원한다. (BLE)
• 단점
  • 페어링할 때 기본적으로 주변의 윈도 PC를 먼저 찾는다 (엄청 귀찮음)
  • 비싸다 (호환 패드 없음. 정품 6만원대)
  • AA 배터리 별매 (내장 충전 배터리 없음)
• 그닥 추천할 만하지 않음

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추천 ESP32 모듈 - Lolin D32

Features

• Espressif official ESP32-WROOM-32 module
• Lastest ESP32 Version: REV1
• 4MB FLASH
• Lithium battery interface, 500mA Max charging current
• Compatible with Arduino, MicroPython
• Default firmware: lastest MicroPython

Operating Voltage	3.3V
Supported Battery	Lipo 3.7V
Battery Connector	PH-2 2.0mm
Digital I/O Pins	22
Analog Input Pins	6 (VP, VN, 32, 33, 34, 35)
Analog Output Pins	2 (25, 26)	일반 PWM은 모든 GPIO에서 구현 가능
LED_BUILTIN	GPIO5
Clock Speed(Max)	240MHz
Flash	4M Bytes
Size	57*25.4mm
Weight	6.1g

• 장점!
  • 와이파이, 블루투스 모두 내장
  • IO핀 22개에 모든 핀 PWM 가능
  • 속도 빠르고, 프로그램 저장 가능한 공간 많음
  • 싸다! (알리 기준 $2.5 전후 + 배송비 ($1.2))
  • Arduino IDE에서 다 잘 된다!
• 단점
  • 없다!

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기타

기존 설계한 소형 자동차용 회로는 WiFi를 통해 제어하는 것으로 설계됨

2021.09.12 - [아무거나 만들기 製作 Maker/모형 완성작] - [완성] 아두이노 기반 미니RC 지프 랭글러 - ver. BAND-HAMMERING (1/35)

[완성] 아두이노 기반 미니RC 지프 랭글러 - ver. BAND-HAMMERING (1/35)

ESP8266 기반 보드로 설계 소형 RC카용 회로

ESP32 Mini란 보드가 기존 보드와 핀호환이 되어서 블루투스 지원하게 업그레이드가 가능하다!

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ESP32 등장 이전에는 플스2 패드가 최선이라 생각했는데, 최근엔 대부분의 게임패드가 ESP32에 블루투스 연결이 가능하기에 다양하게 활용할 수 있을 것이다.

 

활용에 대해 궁금한 점이나, 논의할 내용은 댓글로 같이 얘기 나눠보아요.