단계 1 — 프로젝트 이해와 부품 도감

차시 2차시 · 선수 학습 안전_가이드.md

이번 단계 목표 자율주행이 어떻게 동작하는지 큰 그림을 그리고, 사용할 부품을 손으로 만져 본다.

1. 학습 목표

자율주행 시스템의 3대 요소(인지 → 판단 → 제어)를 설명할 수 있다.
본 프로젝트의 시스템 구성도를 그릴 수 있다.
사용할 부품 9종을 식별하고 각 역할을 설명할 수 있다.

2. 이론 — 자율주행이란?

2-1. 자율주행의 3단계

┌──────────┐    ┌──────────┐    ┌──────────┐
│   인지   │ →  │   판단   │ →  │   제어   │
│ (Sense)  │    │  (Plan)  │    │  (Act)   │
└──────────┘    └──────────┘    └──────────┘
   카메라         차선 인식        모터 회전
   라이다         경로 계산        조향각 변경
   레이더         신호 인식        가/감속

단계	사람 운전자 비교	우리 차량 구현
인지	눈으로 도로·신호 본다	ESP32-CAM으로 영상 촬영
판단	"차선 안쪽으로 가야겠다"	Python OpenCV로 차선 위치 계산
제어	핸들·페달 조작	서보(조향) + DC 모터(속도)

2-2. 본 프로젝트 시스템 구성

┌─────────────────┐                          ┌──────────────────┐
│  ESP32-CAM      │ ─── MJPEG/Wi-Fi ─────→  │   노트북          │
│  (차량 두뇌)    │                          │   (Python)        │
│                 │ ←── UDP/Wi-Fi ────────  │                  │
│  · 카메라       │                          │  · 차선 인식      │
│  · 모터 제어    │                          │  · 제어 계산      │
│  · 서보 제어    │                          │  · UDP 송신       │
└─────────────────┘                          └──────────────────┘
       ↓                                              ↑
   ┌────────┐                                    [학생 키보드]
   │ L298N  │                                    s/q/SPACE 등
   └───┬────┘
       ↓
   ┌───┴────────┐
   │ DC 모터    │ (뒷바퀴 추진)
   │ 서보모터   │ (앞바퀴 조향)
   └────────────┘

핵심 아이디어: 무거운 계산은 노트북이, 빠른 모터 제어는 ESP32가 담당.

2-3. 왜 이런 분리 구조인가?

ESP32-CAM은 메모리(약 4MB)와 CPU가 작아 영상처리 직접 수행이 버겁다
노트북은 빠르지만 모터에 직접 연결할 GPIO가 없다
Wi-Fi로 영상·명령을 주고받으면 두 장점을 결합 가능
단점: Wi-Fi 지연(20~100ms) → 우리는 그 정도 지연을 허용하는 저속 차량에서 동작

3. 부품 도감 (9종)

1 ESP32-CAM (AI-Thinker)

역할: 차량의 두뇌 + 눈
특징: Wi-Fi/Bluetooth 내장, 카메라(OV2640) 탑재
전압: 5V (USB 또는 외부)
유의: GPIO 핀이 적음(~10개), 부팅 시 GPIO 0이 GND면 다운로드 모드

2 FTDI USB-시리얼 변환기

역할: 노트북 ↔ ESP32 시리얼 통신 (펌웨어 업로드용)
특징: USB Type-A ↔ TX/RX/GND/VCC 핀
유의: 칩셋 종류(CP2102, CH340 등)에 맞는 드라이버 설치 필요

3 L298N 모터 드라이버

역할: ESP32의 작은 신호(3.3V/수십 mA)를 모터의 큰 전류(수백 mA~A)로 증폭
입력: ENA, IN1, IN2 (A 채널) / ENB, IN3, IN4 (B 채널)
출력: OUT1, OUT2 → 모터 양 끝
전원: 모터용 7~12V 별도 입력 가능

4 DC 기어모터 (N20 / TT)

역할: 뒷바퀴 추진
전압: 6V
회전 방향: 전원 극성 반대로 → 반대 방향
유의: 직접 ESP32에 연결 ❌ (전류 부족·역기전력 위험)

5 서보모터 (SG90 / MG90S)

역할: 앞바퀴 좌·우 조향
회전 범위: 0°~180°
신호: PWM (50Hz, 펄스폭 0.5~2.5ms)
전원: 5~6V
유의: 전원 노이즈에 민감 → 큰 콘덴서(470µF) 권장

6 18650 리튬이온 배터리팩

역할: 차량 동작 전원 (2셀 + BMS)
전압: 7.4V (3.7V × 2)
용량: 2000~3000mAh (약 30분~1시간 주행)
안전: ⚠️ 안전_가이드.md 2장 필수 숙지

7 점퍼선 (M-M, M-F)

역할: 부품 간 전기 연결 (각 한 다발)
색 코드 권장: 빨강 = +V(전원) · 검정 = GND · 노랑/초록 = 신호선

8 브레드보드 (선택)

역할: 납땜 없이 배선 시험
유의: 본 프로젝트는 점퍼선 직결로도 가능

9 차체 (아크릴 / 3D 프린트)

역할: 부품 고정 + 바퀴 부착
권장 크기: 약 15cm × 10cm
유의: 너무 무거우면 모터 토크 부족 → 회전 안 됨

4. 활동

활동 1-A: 시스템 다이어그램 그리기 (개인)⭐ Easy

다음 지문을 읽고, A4 한 장에 시스템 구성도를 그려 봅시다.

"차량은 카메라로 도로를 봅니다. 카메라 영상은 Wi-Fi로 노트북에 보냅니다. 노트북은 영상 속에서 차선을 찾고, '얼마나 좌/우로 꺾어야 할지' 계산합니다. 계산 결과는 Wi-Fi로 차량에 다시 보냅니다. 차량은 그 명령에 따라 앞바퀴 서보를 돌리고 뒷바퀴 모터의 속도를 조절합니다."

평가 항목

5개 이상 부품 표현
화살표로 데이터 흐름 표시
인지·판단·제어 위치 표시

활동 1-B: 부품 식별 미션 (팀)⭐⭐ Standard

교사가 제공한 부품 카드 9장을 다음 표에 매칭하시오.

이름	용도 한 줄 요약	카드 번호
ESP32-CAM
FTDI 변환기
L298N
DC 모터
서보모터
18650 배터리팩
점퍼선
브레드보드
차체

활동 1-C: 가격조사와 예산 계획 (팀)⭐⭐⭐ Challenge

온라인 쇼핑몰에서 부품 가격을 조사하고, 1팀당 예산을 산출하시오.

부품	단가	수량	소계	출처
ESP32-CAM		1
...
합계

도전 과제

동일 기능, 더 저렴한 대안 부품을 1개 이상 제시할 것
그 대안의 장·단점을 1줄로 비교할 것

5. 미니 토론 (학급 전체) — T 역량 활동

자율주행이 운전자 없는 세상을 만들면 어떤 일이 생길까요?

직업의 변화 (택시·트럭 운전사)
사고 책임 (제조사? 소유자? AI?)
사회적 약자 (시각장애인, 노인)의 이동권

각자 1분씩 의견 발표 후 모둠별 입장 정리.

6. 자기평가

항목	1	2	3	4	5
시스템 다이어그램을 스스로 그릴 수 있다
9가지 부품의 이름과 역할을 말할 수 있다
안전 가이드를 숙지했다
팀원과 적극적으로 의견을 나누었다

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