Omnidirektionaler Roboter für sicheres Personentracking

Bauteile und Zubehör

L298N Dual-Schrittmotortreiber (bis 2 A)	2
LM2596 DC-DC Step-Down-Regler (12 V → 5 V)	1
LiPo-Akku-Alarm (Unterspannungswarner)	1
24 U/min DC 12 V Getriebemotor (4 mm Welle)	3
Arduino Nano R3 (Motorsteuerung)	1
Microsoft LifeCam HD-3000 (Gesichtserkennung)	1
Jumper-Kabel (diverse)	10
Creator Ci20 (Hauptprozessor, OpenCV)	1
11,1 V 3S LiPo-Akku	1

Benötigte Werkzeuge

• 3D-Drucker
• Lötkolben

Apps und Online-Dienste

• OpenCV (Gesichtserkennung)

Über das Projekt

Ursprüngliche Idee

Für den „Hackster Terminate the Competition“-Wettbewerb: Ein Roboter, der Menschen sucht – aber nicht wie im Terminator tötet, sondern Gutes tut. Dieser omnidirektionale Roboter findet Sie, erkennt Ihr Gesicht, fährt auf Sie zu und komplimentiert Sie!

Ziel: Alles aus kaufbaren Modulen (eBay) zusammensteckbar, Gehäuse 3D-druckbar (selbst oder via 3D Hubs).

Funktionsweise

Vier Hauptbereiche:

1. Stromversorgung: LiPo → LM2596 → 5 V Rail, LiPo-Alarm.
2. Ci20: Gesichtserkennung per OpenCV, sendet Steuerbefehle seriell an Arduino.
3. Arduino Nano: setzt Befehle in Motortreiber-Signale um (3× L298N für 3 Omni-Räder).
4. Mechanik: 3D-gedrucktes Chassis, Omni-Räder.

Stromversorgung

Dem Schaltplan folgen – keine blauen Rauchzeichen!

Arduino an L298N anschließen

Anleitung: Instructables L298N Tutorial.

3D-Druck des Gehäuses

Designziele: cool aussehen, Ci20 präsentieren. Alle Teile (Deckel, Boden, Räder) druckbar. STL-Dateien unten. M4-Schrauben für Motorbefestigung.

Ci20: OpenCV Gesichtserkennung

1. OpenCV installieren: Schritt-für-Schritt-Tutorial (Link im Original).
2. Code kompilieren & ausführen:

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

   Binärdatei: FaceTracking (Quelle: main.cpp / FaceTracking.cpp).

Ci20 & Arduino zusammenführen

Arduino mit untenstehendem Sketch flashen, per USB an Ci20 anschließen, FaceTracker starten, Webcam einstecken. Erkennt das Gesicht in der Bildmitte, fährt der Roboter vorwärts.

Fertig? Herausforderungen

• Lautsprecher & Sounddateien hinzufügen: Bei großem Gesicht im Bild Kompliment abspielen.
• Suchmodus: Kein Gesicht 1–2 Min → Roboter dreht sich auf der Stelle (Befehl R XX an Arduino, XX = Drehzeit ms).

Code

Arduino Sketch – Main

Empfängt Fahrbefehle (X, Y, Rotation) von Ci20 per Serial, steuert 3 Motoren omnidirektional.

// Motor 1
int dir1PinA = 3, dir2PinA = 2, speedPinA = 9;
// Motor 2
int dir1PinB = 4, dir2PinB = 5, speedPinB = 8;
// Motor 3
int dir1PinC = 6, dir2PinC = 7, speedPinC = 10;

int x = 0, y = 0, dominantUltrasonic = 0;
bool moveMotor = false; int startTime = 0;

void setup() {
  Serial.begin(9600);
  pinMode(dir1PinA, OUTPUT); pinMode(dir2PinA, OUTPUT); pinMode(speedPinA, OUTPUT);
  pinMode(dir1PinB, OUTPUT); pinMode(dir2PinB, OUTPUT); pinMode(speedPinB, OUTPUT);
  pinMode(dir1PinC, OUTPUT); pinMode(dir2PinC, OUTPUT); pinMode(speedPinC, OUTPUT);
  startTime = millis();
}

String rpiString;
void loop() {
  readDataFromRPi();
  delay(30);
}

void readDataFromRPi() {
  while (Serial.available()) {
    delay(3);
    if (Serial.available() > 0) {
      char c = Serial.read();
      rpiString += c;
      if (c == 'n') break;
    }
  }
  if (rpiString.length() > 0) {
    Serial.println(rpiString);
    String isRotate = getValue(rpiString, ' ', 0);
    String xval = getValue(rpiString, ' ', 1);
    String yval = getValue(rpiString, ' ', 2);
    x = xval.toInt(); y = yval.toInt();
    startTime = millis();
    if (isRotate == "r") rotate(x);
    else driveInDirection(x, y);
    rpiString = "";
  }
}

String getValue(String data, char separator, int index) {
  int found = 0; int strIndex[] = {0, -1}; int maxIndex = data.length() - 1;
  for (int i = 0; i <= maxIndex && found <= index; i++) {
    if (data.charAt(i) == separator || i == maxIndex) {
      found++; strIndex[0] = strIndex[1] + 1;
      strIndex[1] = (i == maxIndex) ? i + 1 : i;
    }
  }
  return found > index ? data.substring(strIndex[0], strIndex[1]) : "";
}

Arduino Sketch – MotorControl

Berechnet Radgeschwindigkeiten für omnidirektionale Fahrt (3 Räder, 120° versetzt).

void driveInDirection(float newX, float newY) {
  delay(20);
  float x = newX, y = newY;
  float theta = atan2(y, x);
  float mag = sqrt(x*x + y*y);
  float vx = mag * cos(theta), vy = mag * sin(theta);
  float w1 = -vx;
  float w2 = 0.5 * vx - sqrt(3)/2 * vy;
  float w3 = 0.5 * vx + sqrt(3)/2 * vy;
  float wSet[] = {w1, w2, w3};
  float largest = 0;
  for (int i=0;i<3;i++) if (abs(wSet[i]) > largest) largest = abs(wSet[i]);
  float speedCoef = 147.0 / largest;
  w1 *= speedCoef; w2 *= speedCoef; w3 *= speedCoef;
  if (x==0 && y==0) { w1=w2=w3=0; }
  w1 = constrain(w1, -150, 150);
  w2 = constrain(w2, -150, 150);
  w3 = constrain(w3, -150, 150);
  bool w1_ccw = w1 < 0, w2_ccw = w2 < 0, w3_ccw = w3 < 0;
  byte w1_speed = map(abs(w1), 0, 150, 0, 255);
  byte w2_speed = map(abs(w2), 0, 150, 0, 255);
  byte w3_speed = map(abs(w3), 0, 150, 0, 255);
  analogWrite(speedPinA, w1_speed); analogWrite(speedPinB, w2_speed); analogWrite(speedPinC, w3_speed);
  digitalWrite(dir1PinA, !w1_ccw); digitalWrite(dir2PinA, w1_ccw);
  digitalWrite(dir1PinB, !w2_ccw); digitalWrite(dir2PinB, w2_ccw);
  digitalWrite(dir1PinC, w3_ccw); digitalWrite(dir2PinC, !w3_ccw);
}

void rotate(float ms) {
  float w1=255, w2=255, w3=255;
  bool w1_ccw = w1<0, w2_ccw = w2<0, w3_ccw = w3<0;
  byte w1_speed = map(abs(w1),0,150,0,255);
  byte w2_speed = map(abs(w2),0,150,0,255);
  byte w3_speed = map(abs(w3),0,150,0,255);
  analogWrite(speedPinA, w1_speed); analogWrite(speedPinB, w2_speed); analogWrite(speedPinC, w3_speed);
  digitalWrite(dir1PinA, !w1_ccw); digitalWrite(dir2PinA, w1_ccw);
  digitalWrite(dir1PinB, !w2_ccw); digitalWrite(dir2PinB, w2_ccw);
  digitalWrite(dir1PinC, w3_ccw); digitalWrite(dir2PinC, !w3_ccw);
  delay(ms);
  analogWrite(speedPinA,0); analogWrite(speedPinB,0); analogWrite(speedPinC,0);
}

FaceTracking C++ für Ci20

Nutzt OpenCV Haar-Cascade für Gesichtserkennung, sendet Steuerbefehle per Serial (/dev/ttyUSB0, 9600 Baud) an Arduino.

#include "opencv2/objdetect/objdetect.hpp"
#include "opencv2/highgui/highgui.hpp"
#include "opencv2/imgproc/imgproc.hpp"
#include 
#include 
#include 
#include 
#include 
using namespace std; using namespace cv;

CascadeClassifier face_cascade;
String window_name = "Face Detection";

int sendSerial(char* message) {
  int fd = open("/dev/ttyUSB0", O_RDWR);
  if (fd == -1) { perror("dev/ttyUSB0"); return 1; }
  struct termios tios; tcgetattr(fd, &tios);
  tios.c_iflag = IGNBRK | IGNPAR; tios.c_oflag = 0; tios.c_lflag = 0;
  cfsetspeed(&tios, B9600); tcsetattr(fd, TCSAFLUSH, &tios);
  usleep(1000); write(fd, message, strlen(message)); return 0;
}

void detectFaces(Mat frame) {
  vector faces; Mat frame_gray;
  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 (size_t i=0; i frame.cols/3 && center.x < frame.cols/3*2) sendSerial("F 50 50");
    else sendSerial("0 0 ");
  }
  imshow(window_name, frame);
}

int main() {
  sendSerial("0 0 ");
  VideoCapture cap(0);
  cap.set(CV_CAP_PROP_FRAME_WIDTH, 480);
  cap.set(CV_CAP_PROP_FRAME_HEIGHT, 240);
  Mat frame;
  if (!face_cascade.load("haarcascade_frontalface_default.xml")) { cout << "classifier"; return -1; }
  while (cap.read(frame)) {
    detectFaces(frame);
    if (waitKey(30) >= 0) break;
  }
  return 0;
}

Benutzerdefinierte Teile & Gehäuse

• Bodenplatte: Fasst alle Bauteile, Deckel montierbar.
• Deckel: Präsentiert den Ci20.
• Omni-Räder: Eigenes Design (Thingiverse-Remix), Halbrad mit Motorwellenaufnahme.

Schaltplan

Details siehe Story-Abschnitt.