Microprocessor_project

AutoPlug — 비전 기반 무인 전기차 자동 충전 시스템

차량이 들어오면, 알아서 충전합니다.

마이크로프로세서 프로젝트 · 2026년 1학기

---

프로젝트 소개

AutoPlug는 사용자가 직접 충전건을 결합하지 않아도, 차량 진입만으로 자동 충전이 시작되는 무인 EV 충전 시스템입니다. 카메라 기반 비전 인식과 4DOF 로봇팔로 충전 포트에 정밀 정렬하며, MQTT 통신으로 차량 · 충전소 · 사용자 앱을 실시간 연동합니다.

본 프로젝트는 실차량 대신 종이상자 차량 모형 + 4DOF 로봇팔 + TOPST D3 메인 컨트롤러 환경에서 동일한 동작 시나리오를 재현하는 것을 목표로 합니다.

핵심 기능

1. 충전건 자동 삽입 · 분리

• USB 카메라로 차량의 ArUco 마커를 인식하여 충전구 좌표 (x, y, z) 실시간 계산
• 4DOF 로봇팔 역기구학(IK) 계산 → 서보 각도 4개 변환
• 비전 피드백 폐쇄루프 제어로 ±5mm 이내 정렬 정밀도 보장

2. 차량 충전구 자동 개폐

• 차량 진입 후 MQTT로 충전 요청 송신
• 충전소가 "OPEN" 명령을 차량에 publish → 라즈베리파이 GPIO가 도어 서보(SG90) 구동
• 충전 종료 시 자동 "CLOSE"

3. 실시간 충전률 시각화

• 충전 진행률을 1Hz 주기로 MQTT publish
• Arduino가 UART로 받은 진행률 값에 따라 WS2812 LED 스트립을 게이지로 점진 점등
• 사용자 웹 대시보드에 실시간 표시

시스템 구조

graph TB
    User[사용자 앱<br/>스마트폰 · 웹 대시보드]
    Vehicle[차량 시뮬레이터<br/>Raspberry Pi 4 + ArUco]
    Camera[USB 카메라<br/>1080p]
    TOPST[<b>TOPST D3</b><br/>Ubuntu · OpenCV · MQTT Broker<br/>State Machine · IK Solver]
    Arduino[Arduino Uno R3<br/>액추에이터 컨트롤러]
    Servo[4축 로봇팔<br/>서보 모터]
    LED[WS2812 LED 스트립<br/>충전률 게이지]
    Sensor[리밋스위치 · 전류센서<br/>접촉 · 충전 모니터]
    Door[차량 도어 서보<br/>SG90]

    User -. WiFi · MQTT .-> TOPST
    Vehicle -. WiFi · MQTT .-> TOPST
    TOPST -. WiFi · MQTT .-> Vehicle
    Camera -- USB --> TOPST
    TOPST -- UART --> Arduino
    Arduino -- PWM --> Servo
    Arduino -- Signal --> LED
    Sensor -- GPIO --> Arduino
    Vehicle -- GPIO --> Door

Loading

통신 채널 요약

구간	프로토콜	용도
사용자 앱 ↔ TOPST D3	WiFi · MQTT	충전 요청, 진행률 모니터링
차량 (Pi) ↔ TOPST D3	WiFi · MQTT	충전 요청, 도어 제어, 차량 상태
USB 카메라 → TOPST D3	USB	영상 입력 (ArUco 인식)
TOPST D3 ↔ Arduino	UART (시리얼)	서보 각도 명령, LED 게이지, 접촉 감지
Arduino → 액추에이터	PWM · GPIO	서보 4축, LED 스트립, 센서

기술 스택

TOPST D3 (메인 컨트롤러)

• Ubuntu 22.04
• Python 3.10
• OpenCV (ArUco 인식 · 캘리브레이션)
• paho-mqtt (MQTT 클라이언트)
• pyserial (UART 통신)
• Mosquitto (MQTT 브로커)
• Flask + WebSocket (사용자 대시보드)

Arduino Uno R3

• C++ (Arduino IDE)
• Servo 라이브러리 (4축 PWM)
• FastLED (WS2812 제어)

Raspberry Pi 4 (차량 시뮬레이터)

• Raspberry Pi OS
• Python 3
• paho-mqtt
• RPi.GPIO

하드웨어 구성

구분	부품	수량	용도
보드	TOPST D3 (TCC8053)	1	메인 컨트롤러
보드	Raspberry Pi 4 (4GB)	1	차량 시뮬레이터
보드	Arduino Uno R3	1	액추에이터 컨트롤
기구	4DOF 로봇팔 키트 (G56)	1	충전건 정렬
모터	MG996R 고출력 서보	2	Base · Shoulder 보강
모터	SG90 마이크로 서보	1	차량 도어
센서	USB 카메라 (1080p)	1	ArUco 마커 인식
센서	ACS712 전류 센서 + 리밋 스위치	1세트	충전 모니터 · 접촉 감지
출력	WS2812 LED 스트립	1	충전률 게이지
기타	5V 5A DC 어댑터 · 점퍼 · 종이상자	-	전원 · 차량 모형

프로젝트 구조

autoplug/
├── topst/                       # TOPST D3 메인 컨트롤러 (팀원 A)
│   ├── vision/
│   │   ├── aruco_detector.py    # ArUco 마커 인식
│   │   └── calibration.py       # 카메라 캘리브레이션
│   ├── control/
│   │   ├── inverse_kinematics.py
│   │   └── state_machine.py     # 충전 상태 머신
│   ├── comm/
│   │   ├── mqtt_client.py
│   │   └── uart_client.py
│   ├── dashboard/
│   │   ├── app.py               # Flask 웹 대시보드
│   │   └── templates/
│   └── main.py
│
├── arduino/                     # Arduino 펌웨어 (팀원 B)
│   └── autoplug_firmware/
│       └── autoplug_firmware.ino
│
├── vehicle_pi/                  # 라즈베리파이 차량 (팀원 B)
│   ├── mqtt_client.py
│   ├── door_controller.py
│   └── main.py
│
├── docs/                        # 인터페이스 합의 문서
│   ├── mqtt_topics.md           # MQTT 토픽 명세 (A)
│   ├── uart_protocol.md         # UART 명령 명세 (B)
│   └── architecture.md
│
└── README.md

팀 구성 및 역할 분담

팀원 A — 메인 컨트롤러 · 통신 허브 (소프트웨어)

• TOPST D3 Ubuntu 환경 구축 및 Python 기반 SW 전반
• OpenCV ArUco 마커 인식 및 좌표 캘리브레이션
• 4DOF 역기구학(IK) 계산 및 비전 피드백 폐쇄루프 정렬
• Mosquitto MQTT 브로커 운영 및 토픽 설계
• 충전 상태 머신 및 가상 충전률 시뮬레이션
• 사용자 웹 대시보드 (Flask + WebSocket)
• 산출물: TOPST Python 코드 일체, MQTT 토픽 명세 문서, 인식 정확도 측정 데이터

팀원 B — 엣지 디바이스 펌웨어 (임베디드)

• Arduino C++ 펌웨어 (서보 4축, LED 게이지, 리밋스위치 인터럽트)
• WS2812 LED 점진 점등 알고리즘
• Raspberry Pi 차량 시뮬레이터 (MQTT 클라이언트, GPIO 도어 제어)
• UART 명령 프로토콜 설계 및 구현
• 디바이스 간 동기화 및 인터럽트 처리
• 산출물: Arduino C++ 펌웨어, Pi Python 클라이언트, UART 프로토콜 명세 문서

공동 작업

• 로봇팔 키트 조립 · 종이상자 차량 제작 · 회로 배선
• ArUco 마커 부착 위치 결정 및 카메라 거치 캘리브레이션
• 통합 디버깅 · 시연 리허설 · 보고서 작성

4주 일정

주차	주요 마일스톤	팀원 A	팀원 B
Week 1	부품 발주 · 환경 구성	TOPST + OpenCV ArUco 단독 인식	Arduino + 서보 4축 단독 동작
Week 2	모듈 통합 (중간발표)	MQTT 브로커 · 토픽 설계 완료	Pi 도어 제어 · LED 게이지 동작
Week 3	통신 · 정렬 통합	비전 폐쇄루프 · 대시보드	UART 통신 통합 · 인터럽트 처리
Week 4	시연 리허설 (최종발표)	시연 리허설 · 보고서 작성	시연 리허설 · 보고서 작성

성능 목표 (KPI)

지표	목표값
충전 요청 → 충전 시작	10초 이내
마커 인식 좌표 정확도	±5mm 이내
충전건 정렬 성공률	8 / 10 이상
MQTT 메시지 왕복 지연	200ms 이하
진행률 업데이트 주기	1Hz

Getting Started

TOPST D3 (메인 컨트롤러)

git clone https://github.com/[your-team]/autoplug.git
cd autoplug/topst

# 의존성 설치
pip install -r requirements.txt

# MQTT 브로커 실행
sudo systemctl start mosquitto

# 메인 컨트롤러 실행
python main.py

Arduino Uno

1. Arduino IDE로 arduino/autoplug_firmware/autoplug_firmware.ino 열기
2. 라이브러리 매니저에서 Servo, FastLED 설치
3. 보드: Arduino Uno 선택
4. 시리얼 포트 확인 후 업로드 (기본 115200 bps)

Raspberry Pi (차량 시뮬레이터)

cd vehicle_pi
pip install -r requirements.txt

# 충전소 IP를 명시하여 실행
python main.py --broker [TOPST_IP] --vehicle-id EV-001

인터페이스 명세 (요약)

MQTT 토픽 예시

• station/{station_id}/request — 차량의 충전 요청
• station/{station_id}/status — 충전소 상태 broadcast
• vehicle/{vehicle_id}/door — 차량 도어 OPEN/CLOSE 명령
• vehicle/{vehicle_id}/progress — 충전 진행률 (1Hz)

자세한 내용은 docs/mqtt_topics.md 참조.

UART 명령 예시

• M <s1> <s2> <s3> <s4>\n — 서보 4축 각도 명령 (0~180)
• L <percent>\n — LED 게이지 점등 (0~100)
• H\n — 홈 위치 복귀
• S\n — 상태 조회 (Arduino → TOPST)

자세한 내용은 docs/uart_protocol.md 참조.

기대 효과

• 기술적: 비전 기반 폐쇄루프 제어, 이종 보드 시리얼 프로토콜, MQTT IoT 게이트웨이 노하우 확보
• 산업적: 무인 충전소 운영 인건비 절감, 24시간 무인 운영, 야간 · 악천후 환경 안정성 향상
• 사회적: 장애인 · 고령자 등 충전 약자의 접근성 개선

라이선스 및 정보

본 프로젝트는 [충북대학교] 마이크로프로세서 (2026-1) 교과목 프로젝트로 진행됩니다.

Team Members: [구인우], [이찬송] Last Updated: 2026.05.13