아두이노 나노 & OpenCV로 만드는 자율 주행 안면 추적 로봇 카

부품 및 소모품

부품	수량
Creator Ci20 보드	1
SparkFun 듀얼 H-브리지 모터 드라이버 L298	1
리튬이온 배터리 1000mAh	1
서보 모터 (Tower Pro MG996R)	2
카메라 (범용, 구형 노트북 카메라 재활용)	1
Dexter Industries GoPiGo 로봇 베이스 키트	1
Arduino Nano R3	1
초음파 거리 센서 HC-SR04	1

앱 및 온라인 서비스

• Arduino IDE
• OpenCV (Python용)

프로젝트 개요

내 얼굴을 추적하는 자동차입니다. 내가 멀어지면 따라옵니다!

Ci20(임베디드 리눅스 보드) 필수 설치 사항

• OpenCV
• Python
• 시리얼 포트 권한 수정

데비안 8 배포판 사용. 설치 명령어:

시스템 업데이트

sudo apt-get update
sudo apt-get upgrade
sudo apt-get dist-upgrade

OpenCV 설치 (버전 2.4.9.1, 구버전이지만 잘 작동)

sudo apt-get install libopencv-dev python-opencv

소스에서 컴파일하려면 이 튜토리얼 참조.

PySerial 설치

sudo apt-get install python python-serial

시리얼 포트 권한 변경 (USB 또는 내장)

sudo chown ci20:ci20 /dev/ttyUSB0  # 아두이노 USB 시리얼
sudo chown ci20:ci20 /dev/ttyS1    # Ci20 내장 시리얼

파이썬 스크립트 실행 (비디오 소스 인덱스 0부터 시작)

sudo python facetrackingcar.py 0

성능 향상 팁

캡처 이미지 미표시로 약간의 성능 향상. 보려면 코드에서 다음 라인 주석 해제:

#cv.ShowImage("result", img)
#cv.NamedWindow("result", 1)
#cv.DestroyWindow("result")

haarcascade_frontalface_alt.xml 파일을 스크립트와 같은 디렉토리에 둬야 합니다.

코드

faceser.py (Python - OpenCV 안면 추적 및 시리얼 전송)

#!/usr/bin/python
""" haar-like 특징으로 안면/객체 검출 데모.
카메라 이미지/비디오 스트림에서 얼굴 찾아 빨간 박스 표시,
두 서보로 웹캠 중앙에 얼굴 오도록 제어.
OpenCV 샘플 facedetect.py 기반 """
import sys
from optparse import OptionParser
import serial
import cv2.cv as cv
import time

# haar 검출 파라미터
min_size = (20, 20)
image_scale = 2
haar_scale = 1.2
min_neighbors = 2
haar_flags = cv.CV_HAAR_DO_CANNY_PRUNING

max_pwm = 180
min_pwm = 1
midScreenWindow = 20      # 화면 중심 허용 오차
panStepSize = 1           # 팬 스텝 (도)
tiltStepSize = 1          # 틸트 스텝 (도)
servoPanPosition = 90     # 초기 팬 위치 (x)
servoTiltPosition = 45    # 초기 틸트 위치 (y)
panGpioPin = 2            # 아두이노 팬 서보 ID (핀 번호 아님)
tiltGpioPin = 1           # 아두이노 틸트 서보 ID
var = 0

def detect_and_draw(img, cascade):
    gray = cv.CreateImage((img.width, img.height), 8, 1)
    small_img = cv.CreateImage((cv.Round(img.width / image_scale),
                                 cv.Round(img.height / image_scale)), 8, 1)
    cv.CvtColor(img, gray, cv.CV_BGR2GRAY)
    cv.Resize(gray, small_img, cv.CV_INTER_LINEAR)
    cv.EqualizeHist(small_img, small_img)
    
    midFace = None
    if cascade:
        t = cv.GetTickCount()
        faces = cv.HaarDetectObjects(small_img, cascade, cv.CreateMemStorage(0),
                                     haar_scale, min_neighbors, haar_flags, min_size)
        t = cv.GetTickCount() - t
        
        if faces:
            for ((x, y, w, h), n) in faces:
                pt1 = (int(x * image_scale), int(y * image_scale))
                pt2 = (int((x + w) * image_scale), int((y + h) * image_scale))
                cv.Rectangle(img, pt1, pt2, cv.RGB(255, 0, 0), 3, 8, 0)
                
                # 얼굴 중심 좌표 계산
                x1, x2 = pt1[0], pt2[0]
                y1, y2 = pt1[1], pt2[1]
                midFaceX = x1 + ((x2 - x1) / 2)
                midFaceY = y1 + ((y2 - y1) / 2)
                midFace = (midFaceX, midFaceY)
    return midFace

def move(servo, angle):
    """지정된 서보를 각도로 이동. servo: 1-4, angle: 0-180"""
    if min_pwm <= angle <= max_pwm:
        ser.write(chr(255))
        ser.write(chr(servo))
        ser.write(chr(angle))
    else:
        print "Servo angle must be an integer between 0 and 180.\n"

if __name__ == '__main__':
    ser = serial.Serial(port='/dev/ttyUSB0', baudrate=115200, timeout=1)
    # ser = serial.Serial(port='/dev/ttyS0', baudrate=115200, timeout=1)  # 내장 시리얼
    # ser = serial.Serial(port='COM14', baudrate=115200, timeout=1)       # 윈도우
    
    parser = OptionParser(usage="usage: %prog [options] [camera_index]")
    parser.add_option("-c", "--cascade", action="store", dest="cascade",
                      type="str", help="Haar cascade file, default %default",
                      default="./haarcascade_frontalface_alt.xml")
    (options, args) = parser.parse_args()
    
    cascade = cv.Load(options.cascade)
    if len(args) != 1:
        parser.print_help()
        sys.exit(1)
    
    input_name = args[0]
    if input_name.isdigit():
        capture = cv.CreateCameraCapture(int(input_name))
        cv.SetCaptureProperty(capture, cv.CV_CAP_PROP_FRAME_WIDTH, 320)
        cv.SetCaptureProperty(capture, cv.CV_CAP_PROP_FRAME_HEIGHT, 240)
    else:
        print "We need a camera input! Specify camera index e.g. 0"
        sys.exit(0)
    
    # cv.NamedWindow("result", 1)
    if capture:
        frame_copy = None
        move(panGpioPin, servoPanPosition)
        move(tiltGpioPin, servoTiltPosition)
        
        while True:
            start = time.time()
            frame = cv.QueryFrame(capture)
            if not frame:
                cv.WaitKey(0)
                break
            
            if not frame_copy:
                frame_copy = cv.CreateImage((frame.width, frame.height),
                                            cv.IPL_DEPTH_8U, frame.nChannels)
            
            if frame.origin == cv.IPL_ORIGIN_TL:
                cv.Copy(frame, frame_copy)
            else:
                cv.Flip(frame, frame_copy, 0)
            
            midScreenX = frame.width / 2
            midScreenY = frame.height / 2
            midFace = detect_and_draw(frame_copy, cascade)
            
            if midFace is not None:
                midFaceX, midFaceY = midFace[0], midFace[1]
                
                # 팬 제어 (좌우)
                if midFaceX < (midScreenX - midScreenWindow):
                    servoPanPosition += panStepSize
                    print str(midFaceX) + " > " + str(midScreenX) + " : Pan Right : " + str(servoPanPosition)
                elif midFaceX > (midScreenX + midScreenWindow):
                    servoPanPosition -= panStepSize
                    print str(midFaceX) + " < " + str(midScreenX) + " : Pan Left : " + str(servoPanPosition)
                else:
                    print str(midFaceX) + " ~ " + str(midScreenX) + " : " + str(servoPanPosition)
                
                servoPanPosition = min(max(servoPanPosition, min_pwm), max_pwm)
                move(panGpioPin, servoPanPosition)
                
                # 틸트 제어 (상하)
                if midFaceY < (midScreenY - midScreenWindow):
                    if servoTiltPosition <= 90:
                        servoTiltPosition -= tiltStepSize
                        print str(midFaceY) + " > " + str(midScreenY) + " : Tilt Down : " + str(servoTiltPosition)
                elif midFaceY > (midScreenY + midScreenWindow):
                    if servoTiltPosition >= 1:
                        servoTiltPosition += tiltStepSize
                        print str(midFaceY) + " < " + str(midScreenY) + " : Tilt Up : " + str(servoTiltPosition)
                else:
                    print str(midFaceY) + " ~ " + str(midScreenY) + " : " + str(servoTiltPosition)
                
                servoTiltPosition = min(max(servoTiltPosition, min_pwm), max_pwm)
                move(tiltGpioPin, servoTiltPosition)
            else:
                end = time.time() + 0.1
                var += 0.1
                time_elapsed = int(end - start + var)
                print 'time elapsed:\t{}'.format(time_elapsed)
                print 'var:\t{}'.format(var)
                
                if time_elapsed == 20:
                    move(3, servoTiltPosition)
                    servoPanPosition = 90
                    servoTiltPosition = 45
                    var = 0
            
            if cv.WaitKey(1) >= 0:
                break
        # cv.DestroyWindow("result")

Car.ino (아두이노 나노 - 모터/서보 제어)

#include 

#define MA_1 2
#define MA_2 3
#define MB_1 4
#define MB_2 5
#define MC_1 6
#define MC_2 7
#define MD_1 8
#define MD_2 9
#define SERVOX_PIN 11
#define SERVOY_PIN 10
#define trigPin 13
#define echoPin 12

Servo servoy;
Servo servox;
int x = 90, prevX;
int y = 45, prevY;
int userInput[3];
int startbyte, servo, pos, i;
int State = LOW;
unsigned long previousMillis = 0, val = 100;
const long interval = 100;
bool scana = false;
unsigned long currentMillis;

void setup() {
  inicializate();
  currentMillis = millis();
}

void loop() {
  if (Serial.available() > 2) {
    startbyte = Serial.read();
    if (startbyte == 255) {
      for (i = 0; i < 2; i++) {
        userInput[i] = Serial.read();
      }
      servo = userInput[0];
      pos = userInput[1];
      
      if (pos == 255) servo = 255; // 패킷 에러 복구
      
      switch (servo) {
        case 1: servoy.write(pos); break;           // 틸트 서보
        case 2: servox.write(pos); range(pos); break; // 팬 서보 + 거리 기반 주행
        case 3: scan(45); scan(65); break;          // 스캔 모드
        default: break;
      }
    }
  }
}

void scan(int val) {
  while (Serial.available() == 0) {
    servoy.write(val);
    currentMillis = millis();
    if (currentMillis - previousMillis >= interval) {
      previousMillis = currentMillis;
      servox.write(pos);
      if (State == LOW) {
        pos += 1;
        if (pos == 130) State = HIGH;
      } else {
        pos -= 1;
        if (pos == 40) { State = LOW; break; }
      }
    }
  }
}

long distancia() {
  long duration, distance;
  digitalWrite(trigPin, LOW);
  delayMicroseconds(2);
  digitalWrite(trigPin, HIGH);
  delayMicroseconds(10);
  digitalWrite(trigPin, LOW);
  duration = pulseIn(echoPin, HIGH);
  distance = (duration / 2) / 29.1;
  return distance;
}

void range(int pos) {
  if (pos >= 80 && pos <= 100) moves();           // 정면 → 전진/후진
  else if (pos >= 100 && pos <= 180) { left(); delay(10); Stop(); } // 우측 → 좌회전
  else if (pos >= 1 && pos <= 80) { right(); delay(10); Stop(); }  // 좌측 → 우회전
}

void moves() {
  long distance = distancia();
  if (val <= 80) { reverse(); delay(50); Stop(); }
  else if (val >= 140) { forward(); delay(50); Stop(); }
  
  static long previusdistance = 0;
  if (distance >= previusdistance) val = distance - previusdistance;
  else val = previusdistance - distance;
  previusdistance = distance;
}

void inicializate() {
  Serial.begin(115200);
  pinMode(MA_1, OUTPUT); pinMode(MA_2, OUTPUT);
  pinMode(MB_1, OUTPUT); pinMode(MB_2, OUTPUT);
  pinMode(MC_1, OUTPUT); pinMode(MC_2, OUTPUT);
  pinMode(MD_1, OUTPUT); pinMode(MD_2, OUTPUT);
  pinMode(trigPin, OUTPUT); pinMode(echoPin, INPUT);
  servox.attach(SERVOX_PIN);
  servoy.attach(SERVOY_PIN);
}

void forward() {
  digitalWrite(MA_1, HIGH); digitalWrite(MA_2, LOW);
  digitalWrite(MB_1, HIGH); digitalWrite(MB_2, LOW);
  digitalWrite(MC_1, HIGH); digitalWrite(MC_2, LOW);
  digitalWrite(MD_1, HIGH); digitalWrite(MD_2, LOW);
}

void reverse() {
  digitalWrite(MA_1, LOW); digitalWrite(MA_2, HIGH);
  digitalWrite(MB_1, LOW); digitalWrite(MB_2, HIGH);
  digitalWrite(MC_1, LOW); digitalWrite(MC_2, HIGH);
  digitalWrite(MD_1, LOW); digitalWrite(MD_2, HIGH);
}

void right() {
  digitalWrite(MA_1, LOW); digitalWrite(MA_2, HIGH);
  digitalWrite(MB_1, LOW); digitalWrite(MB_2, HIGH);
  digitalWrite(MC_1, HIGH); digitalWrite(MC_2, LOW);
  digitalWrite(MD_1, HIGH); digitalWrite(MD_2, LOW);
}

void left() {
  digitalWrite(MA_1, HIGH); digitalWrite(MA_2, LOW);
  digitalWrite(MB_1, HIGH); digitalWrite(MB_2, LOW);
  digitalWrite(MC_1, LOW); digitalWrite(MC_2, HIGH);
  digitalWrite(MD_1, LOW); digitalWrite(MD_2, HIGH);
}

void Stop() {
  digitalWrite(MA_1, LOW); digitalWrite(MA_2, LOW);
  digitalWrite(MB_1, LOW); digitalWrite(MB_2, LOW);
  digitalWrite(MC_1, LOW); digitalWrite(MC_2, LOW);
  digitalWrite(MD_1, LOW); digitalWrite(MD_2, LOW);
}

void StopH() {
  digitalWrite(MA_1, HIGH); digitalWrite(MA_2, HIGH);
  digitalWrite(MB_1, HIGH); digitalWrite(MB_2, HIGH);
  digitalWrite(MC_1, HIGH); digitalWrite(MC_2, HIGH);
  digitalWrite(MD_1, HIGH); digitalWrite(MD_2, HIGH);
}

scanlinux.py (리눅스 시리얼 포트 스캔 유틸리티)

#!/usr/bin/env python
""" 리눅스 시리얼 포트 스캔. USB/시리얼 어댑터 포함.
pySerial 일부 (https://pyserial.sf.net) """
import serial
import glob

def scan():
    return (glob.glob('/dev/ttyS*') + glob.glob('/dev/ttyUSB*') +
            glob.glob('/dev/ttyACM*') + glob.glob('/dev/serial/by-id/*'))

if __name__ == '__main__':
    print "Found ports:"
    for name in scan():
        print name

커스텀 파트 및 인클로저

파이썬 OpenCV 안면 추적 스크립트와 아두이노 코드 압축 파일: FaceTrakingCar.rar

회로도

아두이노로 모터와 서보 제어. 핀아웃은 하드웨어에 따라 다를 수 있음.