Roboter-Autos mit dem Raspberry Pi

Der Raspberry Pi ist ein wahres Multitalent! Wie Sie ihm sogar das Fahren beibringen, zeigt Ihnen diese detaillierte Anleitung. Schritt für Schritt bauen Sie Ihr eigenes, individuelles Roboter-Auto. Entweder programmieren Sie die Steuerung und entscheiden genau, wo's lang geht, oder Sie lassen Ihren Wagen selbstständig fahren. Alle Grundlagen und eine Auflistung der benötigten Hardware finden Sie hier.

Aus dem Inhalt:

• Die elektronischen Komponenten kennenlernen: Raspberry Pi, Kamera- und W-LAN-Modul, Motoren, Step-Down-Converter, Ultraschall-Sensor, GPS-Empfänger u. v. m.
• Die benötigten Werkzeuge kennenlernen: Lötkolben, Dritte Hand und Co.
• Grundlagen zum Elektromotor
• So fügt sich alles zusammen: Chassis basteln, Fahrgestell montieren, Elektronik verbauen
• Grundlagen der Elektrizitätslehre
• Verkabelung der elektronischen Komponenten
• Den Raspberry Pi in Betrieb nehmen
• Wichtige Linux-Grundlagen
• Einführung in die Programmierung mit Scratch und Python
• Das Google-Auto hat eine und Ihres auch: Die Kamera nutzen
• Auto-Steuerung: via W-LAN fernsteuern oder vollständig autonom
• Liste der benötigten Elektronik-Komponenten sowie alle Steuerungsprogramme zum Download

Materialien zum Buch . . . 14

Geleitwort . . . 15

Vorwort . . . 19

1. Einleitung: Was dieses Buch leistet, und was Sie erwartet . . . 23


Teil I Bauen Sie Ihr eigenes ferngesteuertes Roboter-Auto mit dem Raspberry Pi! . . . 25

2. Das etwas andere Kfz-Praktikum: Einführung in die elektronischen Komponenten . . . 27
2. 1 . . . Komponenten für ein ferngesteuertes Roboter-Auto . . . 27
2. 2 . . . Raspberry Pi: Der Single-Board-Computer . . . 29
2. 3 . . . Das Raspberry-Pi-Kameramodul . . . 34
2. 4 . . . Motortreiber . . . 36
2. 5 . . . Getriebemotoren . . . 37
2. 6 . . . Step-down-Converter . . . 38
2. 7 . . . Batteriehalter und Akkus . . . 39
2. 8 . . . Kabel . . . 40
2. 9 . . . Die richtige microSD-Karte . . . 42
2. 10 . . . Optional, aber unabhängiger trotz Kabel: Ein Netzteil . . . 42
2. 11 . . . Optional, aber gut für weite Strecken: Ein WLAN-USB-Modul . . . 43
2. 12 . . . Optional, aber ideal für die Montage: Raspberry-Pi-Abstandshalter . . . 44

3. Schrauber aufgepasst: Eine Übersicht über die benötigten Werkzeuge . . . 45
3. 1 . . . Lötstation . . . 46
3. 2 . . . Löten . . . 47

4. Besseres Drehmoment? Der richtige Antrieb für das Roboter-Auto . . . 51
4. 1 . . . Grundlagen zum Elektromotor . . . 51
4. 2 . . . Gar nicht so banal: Räder . . . 57

5. Damit es mit dem Blick unter die Haube klappt: Das Chassis . . . 61
5. 1 . . . Ein Chassis aus Pappe . . . 61
5. 2 . . . Ein Chassis aus LEGO®-Bausteinen . . . 68
5. 3 . . . Ein Chassis mithilfe eines Acrylglas-Bausatzes . . . 74

6. Benzin war gestern: Grundlagen der Elektrizitätslehre . . . 79
6. 1 . . . Elektrische Gesetze und Formeln . . . 79
6. 2 . . . Beispielrechnung zu den Grundlagen der Elektrizitätslehre . . . 81

7. Lange Leitung? Manchmal besser! Verkabelung der elektronischen Komponenten . . . 85
7. 1 . . . Stromversorgung der elektronischen Komponenten . . . 86
7. 2 . . . Motortreiber und Raspberry Pi logisch verbinden . . . 88
7. 3 . . . Verkabelung der Getriebemotoren . . . 94
7. 4 . . . Getriebemotoren mit dem Motortreiber verbinden . . . 96

8. Das richtige Betriebssystem macht's! -- Das Raspberry-Pi-Betriebssystem installieren . . . 99
8. 1 . . . Das Betriebssystem auf microSD-Karte vorbereiten . . . 100
8. 2 . . . Raspberry Pi booten . . . 102
8. 3 . . . Raspbian-Spracheinstellungen . . . 104
8. 4 . . . WLAN einrichten . . . 105

9. Nerds aufgepasst! Befehle und Programme im Terminal-Fenster . . . 109
9. 1 . . . Das Terminal-Fenster . . . 109
9. 2 . . . Temporäre Administratorrechte . . . 110
9. 3 . . . Im Filesystem navigieren . . . 111
9. 4 . . . Den Texteditor Nano kennenlernen . . . 112
9. 5 . . . Zugriffsrechte ändern . . . 114
9. 6 . . . Neustarten und Herunterfahren des Raspberry Pi . . . 115
9. 7 . . . Die IP-Adresse des Raspberry Pi anzeigen . . . 116
9. 8 . . . Dateiverknüpfung setzen . . . 117
9. 9 . . . Die Programmausgabe in eine ». log«-Datei umleiten . . . 117
9. 10 . . . Wget -- Dateien aus dem Internet herunterladen . . . 117

10. Nur so kommt das Ding ans Laufen: Softwareinstallation und -konfiguration . . . 119
10. 1 . . . Das Betriebssystem und die Raspberry-Pi-Firmware aktualisieren . . . 121
10. 2 . . . Den Midnight Commander installieren . . . 123
10. 3 . . . Real VNC Server konfigurieren und Viewer installieren . . . 125
10. 4 . . . PuTTY installieren . . . 128
10. 5 . . . Notepad++ installieren . . . 130
10. 6 . . . Samba Server installieren . . . 131
10. 7 . . . Python-Erweiterungen installieren . . . 133
10. 8 . . . Flask-Web-Framework . . . 134
10. 9 . . . Video-Streaming-Server installieren . . . 134
10. 10 . . . NTP-Zeit-Dienst einrichten . . . 135

11. Einfacher geht's nicht: Programmieren mit Scratch . . . 137
11. 1 . . . Die Scratch-Grundlagen . . . 138
11. 2 . . . Ein Scratch-Programmbeispiel für Ihr Roboter-Auto . . . 140
11. 3 . . . Steuerungsprogramm für das Roboter-Auto in Scratch . . . 142

12. Fahren ohne Schlangenlinien: Programmieren mit Python . . . 145
12. 1 . . . Kurze Einführung in Python . . . 145
12. 2 . . . Das Steuerungsprogramm in Python . . . 146
12. 3 . . . Die Roboter-Auto-Steuerung starten . . . 158

13. Geisterfahrer aufgepasst! Wir sorgen für Durchblick . . . 159
13. 1 . . . Das Google-Auto hat's -- und unseres auch: Die Raspberry-Pi-Kamera installieren . . . 159
13. 2 . . . Mehr als eine bloße Dash-Cam: Live-Video-Stream . . . 161

14. Kommuniziere, kommuniziere: Webinterface-Steuerung über WLAN . . . 167
14. 1 . . . Das Web-Framework Flask . . . 168
14. 2 . . . Die Webinterface-Steuerung programmieren . . . 168
14. 3 . . . Das Webinterface starten . . . 185

15. Start-Automatik: Den Autostart der Programme konfigurieren . . . 187
15. 1 . . . Ein Start-Skript für den mjpg-streamer anlegen . . . 188
15. 2 . . . Den mjpg-streamer-Dienst einrichten . . . 190
15. 3 . . . Den RobotControlWeb-Dienst einrichten . . . 191
15. 4 . . . Was Sie im ersten Teil des Buches erreicht haben . . . 195


Teil II Hände weg vom Steuer: Lassen Sie Ihr Roboter-Auto autonom fahren . . . 197

16. Pfadfinder elektronisch: Mit diesen Komponenten fahren Sie autonom . . . 199
16. 1 . . . Komponenten für das autonome Fahren . . . 199
16. 2 . . . Übersicht über die Werkzeuge für Teil 2 des Buches . . . 201
16. 3 . . . Raspberry Pi Sense HAT . . . 201
16. 4 . . . Einführung in den I2C-Datenbus . . . 204
16. 5 . . . Time-of-Flight-Abstandssensor . . . 208
16. 6 . . . GPS-Empfänger . . . 210
16. 7 . . . Servocontroller PCA9685 . . . 211
16. 8 . . . Port Doubler . . . 212

17. Achtung, Kabelsalat: Anbau und Verkabelung der elektronischen Komponenten . . . 213
17. 1 . . . Befestigung der elektronischen Komponenten am Roboter-Auto . . . 213
17. 2 . . . Die elektronischen I2C-Komponenten im Roboter-Auto verkabeln . . . 220
17. 3 . . . Die weiteren elektronischen Komponenten im Roboter-Auto verkabeln . . . 225

18. Upgrade für Ihr Roboter-Auto: Neue Software für das autonome Fahren . . . 231
18. 1 . . . I2C-Bus-Software installieren . . . 231
18. 2 . . . Octave installieren . . . 234
18. 3 . . . GPS-Software installieren und testen . . . 234
18. 4 . . . NTP-Zeit-Dienst mit GPS-Unterstützung . . . 237
18. 5 . . . Servocontroller-Software installieren . . . 238
18. 6 . . . Installation der VL53L1X-Python-Software . . . 239

19. Auslesen, verstehen und programmieren: Bringen Sie die Sensoren und Aktoren zum Laufen . . . 241
19. 1 . . . Raspberry Pi Sense HAT auswerten und programmieren . . . 241
19. 2 . . . Python-Programm zur Verarbeitung der GPS-Koordinaten . . . 259
19. 3 . . . Python-Programme für den Time-of-Flight-Sensor . . . 262
19. 4 . . . Python-Programme für den Servocontroller . . . 266

20. Auf die Überholspur: Einführung in die parallele Programmierung mit Python . . . 277
20. 1 . . . Grundlagen der parallelen Programmierung mit Python . . . 277
20. 2 . . . Drehen mit dem Gyroskop . . . 288
20. 3 . . . Orientieren mit dem Kompass . . . 294
20. 4 . . . Annährung zwischen zwei Hindernissen . . . 303

21. Machen Sie es sich einfach auf der Rückbank bequem: Programme für autonomes Fahren . . . 311
21. 1 . . . Hindernissen autonom ausweichen . . . 311
21. 2 . . . GPS-Wegpunkte abfahren . . . 320

22. Pimpen Sie Ihr Roboter-Auto . . . 345
22. 1 . . . Die Kühlung des Raspberry Pi . . . 345
22. 2 . . . Steuerung mit einem Gamepad . . . 346
22. 3 . . . Anzeige mit einem OLED-Display . . . 354

23. Immer noch nicht genug? Weitere Ideen aus der Welt der Modell-Roboter-Autos . . . 359

Index . . . 361