전방향 옴니 휠 로봇: 안전한 사람 추적 및 인사하기

부품 및 소모품

부품	수량	비고
L298N 듀얼 스테퍼 모터 드라이버	2	모터 3개 제어용 (각 드라이버 2채널)
LM2596 DC-DC 강압 컨버터	1	12V 배터리 → 5V 레일 변환
리포 배터리 저전압 알람	1	배터리 과방전 방지
24RPM 12V 기어드 모터 (4mm 축)	3	옴니 휠 3개 구동
Arduino Nano R3	1	모터 제어 전담
Microsoft LifeCam HD-3000 웹캠	1	얼굴 검출용 (타 웹캠 가능)
점퍼 와이어	10+	전원/신호 배선용
Creator Ci20 보드	1	OpenCV 얼굴 검출 처리 (메인 브레인)
11.1V 3셀 리포 배터리	1	전체 시스템 전원

필요 도구

• 3D 프린터 (차체 및 휠 출력용)
• 납땜 인두

소프트웨어

• OpenCV (Ci20 리눅스 환경에서 빌드/실행)

프로젝트 소개

"Hackster Terminate the Competition" 대회 출품작으로, 터미네이터처럼 사람을 찾아다니지만 해코지가 아닌 칭찬을 하는 로봇입니다. 이 옴니-방향(전방향) 로봇은 사람을 찾아내고, 얼굴을 감지해 다가가며, 가까이 오면 칭찬 멘트를 재생합니다.

설계 원칙

• 직접 제작 전자회로 없음: 모든 전자 부품은 기성품 모듈 구매 후 튜토리얼 따라 조립
• 3D 프린팅 차체: 직접 출력하거나 3D Hubs 등 출력 대행 이용
• 모듈형 구조: 전원부 / Ci20(두뇌) / 아두이노(모터 제어) 명확히 분리

시스템 구조도

네 가지 주요 블록으로 구성:

1. 전원부: 리포 배터리 → 강압 컨버터(LM2596) → 5V 레일 / 12V 모터 직결 / 저전압 알람
2. Ci20 (두뇌): 웹캠으로 OpenCV 얼굴 검출 → 시리얼로 아두이노에 이동 명령 전송
3. 아두이노 나노: Ci20 명령 수신 → L298N 드라이버 2개로 3개 모터 제어 (전방향 이동)
4. 기계부: 3D 프린팅 옴니 휠 3개 + 기어드 모터 3개로 전방향 이동 구현

전원부 배선

배터리 → 저전압 알람 → LM2596 입력. LM2596 출력은 5V로 조정해 Ci20, 아두이노, 웹캠, 로직 회로에 공급. 모터 드라이버는 배터리 12V 직결.

아두이노 ↔ L298N 연결

인스트럭터블 튜토리얼 참조. 3개 모터 제어를 위해 L298N 2개 사용 (총 4채널 중 3채널 사용).

3D 프린팅 차체

• 상/하판, 옴니 휠 3개, 모터 마운트 등 모두 3D 프린팅
• Ci20이 잘 보이도록 상판 디자인 (대회 취지 반영)
• M4 볼트로 모터 고정
• STL 파일: 프로젝트 페이지 'Custom Parts' 섹션에서 다운로드

Ci20에서 OpenCV 얼굴 검출 실행

1. OpenCV 설치: 공식 리눅스 빌드 가이드 따라 빌드
2. 얼굴 검출 코드 컴파일/실행:

   g++ -I/usr/local/include/opencv -I/usr/local/include/opencv2 \
       -L/usr/local/lib/ -g -o FaceTracking main.cpp \
       -lopencv_core -lopencv_imgproc -lopencv_highgui -lopencv_ml \
       -lopencv_video -lopencv_features2d -lopencv_calib3d \
       -lopencv_objdetect -lopencv_contrib -lopencv_legacy -lopencv_stitching
   

3. 실행 시 웹캠 영상 창 뜨고, 얼굴 중앙에 오면 로봇 전진 명령 전송

Ci20 ↔ 아두이노 통신 프로토콜

• USB 시리얼 연결 (/dev/ttyUSB0, 9600 bps)
• 명령 형식: `F X Y` (전방향 이동 벡터), `R 시간` (제자리 회전)
• 얼굴이 화면 중앙 1/3 영역에 있으면 `F 50 50` 전송, 없으면 `0 0` 전송

아두이노 코드 (모터 제어)

메인 스케치

// 모터 3개 핀 정의 (각각 DIR1, DIR2, PWM)
int dir1PinA=3, dir2PinA=2, speedPinA=9;
int dir1PinB=4, dir2PinB=5, speedPinB=8;
int dir1PinC=6, dir2PinC=7, speedPinC=10;

String rpiString;
int x=0, y=0;
unsigned long startTime=0;

void setup() {
  Serial.begin(9600);
  // 모든 핀 OUTPUT 설정...
  startTime = millis();
}

void loop() {
  readDataFromRPi();
  // 수신 명령으로 모터 제어
  if (rpiString.length() > 0) {
    // 파싱: "F 50 50" 또는 "R 1000"
    // driveInDirection(x,y) 또는 rotate(ms) 호출
  }
  delay(30);
}

// 시리얼 수신 파싱 로직...

모터 제어 라이브러리 (전방향 이동 수학)

void driveInDirection(float newX, float newY) {
  // 옴니 휠 3개(120도 배치) 역기구학 계산
  float theta = atan2(newY, newX);
  float mag = sqrt(newX*newX + newY*newY);
  float vx = mag * cos(theta);
  float vy = mag * sin(theta);
  
  // 각 휠 속도 계산
  float w1 = -vx;
  float w2 = 0.5*vx - sqrt(3)/2*vy;
  float w3 = 0.5*vx + sqrt(3)/2*vy;
  
  // 최대값으로 정규화 (150 스케일 → 0~255 PWM 매핑)
  // 방향(CW/CCW) 결정 후 analogWrite/digitalWrite로 구동
}

void rotate(float ms) {
  // 3개 휠 동일 속도/방향으로 제자리 회전
  // ms 밀리초 후 정지
}

Ci20용 C++ 얼굴 검출 코드 (핵심)

#include "opencv2/objdetect.hpp"
#include "opencv2/highgui.hpp"
#include "opencv2/imgproc.hpp"
#include 
#include , ,   // 시리얼 통신용

CascadeClassifier face_cascade;
VideoCapture cap(0);

int sendSerial(char* msg) {
  int fd = open("/dev/ttyUSB0", O_RDWR);
  // termios 설정 (9600 8N1)
  write(fd, msg, strlen(msg));
  return 0;
}

void detectFaces(Mat frame) {
  vector faces;
  cvtColor(frame, frame_gray, COLOR_BGR2GRAY);
  equalizeHist(frame_gray, frame_gray);
  face_cascade.detectMultiScale(frame_gray, faces, 1.1, 3, 0|CASCADE_SCALE_IMAGE, Size(30,30));
  
  for (each face) {
    Point center(face.x+face.width/2, face.y+face.height/2);
    ellipse(frame, center, Size(face.width/2, face.height/2), 0, 0, 360, Scalar(255,0,255), 4);
    
    // 얼굴이 화면 중앙 1/3 영역에 있으면 전진 명령
    if (center.x > frame.cols/3 && center.x < frame.cols*2/3) {
      sendSerial("F 50 50");
    } else {
      sendSerial("0 0");
    }
  }
  imshow("Face Detection", frame);
}

int main() {
  sendSerial("0 0");
  cap.set(CAP_PROP_FRAME_WIDTH, 480);
  cap.set(CAP_PROP_FRAME_HEIGHT, 240);
  face_cascade.load("haarcascade_frontalface_default.xml");
  
  Mat frame;
  while (cap.read(frame)) {
    detectFaces(frame);
    if (waitKey(30) >= 0) break;
  }
  return 0;
}

향후 개선 과제 (챌린지)

• 스피커 + 사운드 파일 추가: 얼굴 충분히 가까우면 칭찬 멘트 재생
• 얼굴 미검출 시 1~2분 후 제자리 회전(`R XX` 명령)으로 탐색 모드 진입
• 배터리 잔량 모니터링 및 자동 충전 스테이션 귀환

커스텀 파츠 (3D 프린팅)

• 로봇 베이스 (하판/상판)
• 옴니 휠 (Thingiverse 리믹스 버전, 모터 축 결합부 포함)
• 모터 마운트 및 커넥터

회로도

프로젝트 페이지 'Schematics' 섹션에서 시스템 전체 배선도 확인.