全向轮跟随机器人：OpenCV 人脸检测与安全陪伴

零部件与物料

所需工具

• 3D 打印机（打印底盘、轮子、盖板）
• 电烙铁

软件与在线服务

• OpenCV (Ci20 上编译运行)

项目简介

这是一个「反向终结者」机器人：不伤害人类，而是主动寻找人脸、靠近并赞美你！项目名为 Hunter Flatterer Robot，采用三轮全向驱动（麦克纳姆轮），可平移、旋转、斜向移动，配合 Ci20 开发板运行 OpenCV 人脸检测，通过串口指挥 Arduino Nano 控制三电机矢量合成，实现平滑跟随。

四大子系统

1. 电源管理：11.1V 3S LiPo → LM2596 降压 5V 供 Ci20、Arduino、逻辑电路；电机直供 12V；低压报警器监控电池
2. Ci20 视觉大脑：运行 Linux，OpenCV 加载 Haar 级联分类器 (haarcascade_frontalface_default.xml) 实时检测人脸，计算人脸中心偏移量，发送 X Y 或旋转指令 R ms 给 Arduino
3. Arduino 运动控制：接收串口指令，将 (X,Y) 映射为三电机速度矢量 (w1,w2,w3)，通过 L298N PWM 驱动
4. 3D 打印机械结构：底盘容纳电池、Ci20、Arduino；盖板展示 Ci20；三麦克纳姆轮直接连接电机轴

Ci20 OpenCV 部署

1. 安装 OpenCV：参考官方教程编译安装 opencv4 至 /usr/local
2. 编译人脸跟踪程序：

   g++ -I/usr/local/include/opencv -I/usr/local/include/opencv2 \
       -L/usr/local/lib/ -g -o FaceTracker 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. 运行 ./FaceTracker，弹出摄像头窗口，人脸居中时发送 F 50 50 前进，偏左/偏右发送相应矢量，无人脸发送 0 0 停止

Arduino 运动学解算

三轮全向模型（120° 间隔）：

// 目标速度矢量 (vx, vy)
float theta = atan2(y, x);
float mag = sqrt(x*x + y*y);
float vx = mag * cos(theta);
float vy = mag * sin(theta);

// 三电机速度分解
float w1 = -vx;
float w2 = 0.5*vx - sqrt(3)/2*vy;
float w3 = 0.5*vx + sqrt(3)/2*vy;

// 归一化到 PWM 0-255
float maxW = max(abs(w1), max(abs(w2), abs(w3)));
float scale = 147.0 / maxW;  // 经验系数
w1 *= scale; w2 *= scale; w3 *= scale;
w1 = constrain(w1, -150, 150); // 同 w2, w3
// 方向位 + PWM 速度输出到 L298N

3D 打印件

• 底盘：容纳所有电子件，预留 Ci20 散热口
• 盖板：透明亚克力或镂空设计，展示 Ci20「大脑」
• 麦克纳姆轮：基于 Thingiverse 改进，半轮+轮辋一体化打印，适配 4mm 电机轴

未完成的挑战（留给读者）

• 加装扬声器 + 语音合成：人脸面积足大时播放赞美语音
• 失踪重搜：连续 1-2 分钟未检测到人脸，发送 R 2000 原地旋转搜索
• 电池电量监测 + 自动回充桩
• ROS 移植：将 Ci20 替换为 Jetson Nano / Raspberry Pi 4 + ROS2

代码

Arduino 主程序 (接收串口指令、驱动电机)

// 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;

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

void setup() {
  Serial.begin(9600);
  // 所有引脚设为 OUTPUT
  for (int p : {dir1PinA,dir2PinA,speedPinA,dir1PinB,dir2PinB,speedPinB,dir1PinC,dir2PinC,speedPinC})
    pinMode(p, OUTPUT);
  lastCmd = millis();
}

void loop() {
  readSerial();
  // 超时保护：1 秒无指令自动停车
  if (millis() - lastCmd > 1000) { x = 0; y = 0; }
  if (x != 0 || y != 0) driveInDirection(x, y);
  else stopAll();
  delay(30);
}

void readSerial() {
  while (Serial.available()) {
    char c = Serial.read();
    if (c == 'n') break; // 指令以 'n' 结尾
    rpiString += c;
  }
  if (rpiString.length() > 0) {
    String cmd = getValue(rpiString, ' ', 0);
    x = getValue(rpiString, ' ', 1).toInt();
    y = getValue(rpiString, ' ', 2).toInt();
    lastCmd = millis();
    if (cmd == "r") rotate(x); else driveInDirection(x, y);
    rpiString = "";
  }
}

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

Arduino 运动控制库 (需放同一文件夹)

void driveInDirection(float x, float y) {
  delay(20);
  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[3] = {w1, w2, w3};
  float maxW = 0;
  for (int i=0;i<3;i++) if (abs(wSet[i]) > maxW) maxW = abs(wSet[i]);
  float scale = 147.0 / maxW;
  for (int i=0;i<3;i++) wSet[i] *= scale;
  if (x==0 && y==0) { w1=w2=w3=0; }
  // 限幅、映射 PWM、设置方向位、analogWrite...
  // 详见完整代码附件
}

void rotate(float ms) {
  // 三轮同向全速旋转 ms 毫秒
  // 详见完整代码附件
}

Ci20 OpenCV 人脸跟踪 (C++)

#include "opencv2/objdetect.hpp"
#include "opencv2/highgui.hpp"
#include "opencv2/imgproc.hpp"
#include 
#include 
#include 
#include 

using namespace std; using namespace cv;

CascadeClassifier face_cascade;
string win_name = "Face Detection";

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

void detectFaces(Mat frame) {
  vector faces; Mat gray;
  cvtColor(frame, gray, COLOR_BGR2GRAY);
  equalizeHist(gray, gray);
  face_cascade.detectMultiScale(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*2/3)
      sendSerial("F 50 50"); // 前进
    else
      sendSerial("0 0");     // 停止/微调
  }
  imshow(win_name, frame);
}

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

自定义零件与外壳

• 底盘 STL：容纳电池、Ci20、Arduino、电机驱动板
• 盖板 STL：展示 Ci20，预留摄像头窗口
• 麦克纳姆轮 STL：改进自 Thingiverse #XXXXX，半轮+轮辋一体化

原理图