Roboter-Autos mit dem Raspberry Pi (eBook)

2.2    Raspberry Pi: Der Single-Board-Computer

Auf Messen und über meine Website erreicht mich immer wieder die Frage, warum ich den Raspberry Pi und nicht den Arduino für das Roboter-Auto verwende. Daher möchte ich Ihnen sowohl den Raspberry Pi als auch den Arduino kurz vorstellen, auf die Unterschiede eingehen und meine Beweggründe für die Wahl des Raspberry Pi darstellen.

2.2.1    Das Gehirn des Roboter-Autos: Warum der Raspberry Pi zum Einsatz kommt

Der Raspberry Pi ist einer der populärsten Single-Board-Computer (oder kurz: SBC). Er wird von der britischen Raspberry Pi Foundation entwickelt. Die Idee und das Ziel ist es, Schulen, Studenten, Makern und Industrieunternehmen einen Computer zu einem günstigen und erschwinglichen Preis anzubieten. Mit diesem Konzept sollen auch Menschen erreicht werden, die sonst keinen Zugang zu einem Computer hätten, mit dem sie z. B. das Programmieren erlernen können.

Der Raspberry Pi ist ein kleiner, scheckkartengroßer Single-Board-Computer (SBC), der meist ein auf Linux basierendes Betriebssystem nutzt. Die Leistung der SBCs ist in den letzten Jahren sehr stark gestiegen, sodass sie als vollwertige Computer eingesetzt werden können. Der Raspberry Pi 4 Modell B ist spätestens jetzt mit seinen 4 GB RAM zu einem vollwertiger Desktop-Computer herangewachsen. Die Single-Board-Computer verfügen in der Regel über sehr viele Ein- und Ausgänge, die über eine entsprechende Software geschaltet werden können. Ein großer Vorteil der SBCs ist, dass sie aus energiesparenden Komponenten aufgebaut sind und mit einer kleinen Batterie oder einem Akku betrieben werden können.

Auf dem Raspberry Pi sind der Prozessor (englisch Central Processing Unit, CPU) sowie die Grafikkarte in einem hochintegrierten Chip, dem sogenannten System-on-a-Chip (SoC), vereinigt. Durch diese Integration wird für den Betrieb des SBC wenig Strom benötigt. Des Weiteren verfügt der neueste Raspberry Pi 4 Modell B über zwei HDMI-Schnittstellen zum parallelen Anschluss von zwei Monitoren sowie über USB-Schnittstellen für den Anschluss weiterer Peripheriegeräte, beispielsweise einer Maus und einer Tastatur. Als Festplatte wird im Raspberry Pi eine microSD-Karte verwendet, die in den dafür vorgesehenen Steckplatz eingesetzt wird.

Über die 40-Pin-Stiftleiste werden diverse Schnittstellen des SoC nach außen geführt, um z. B. Sensoren anschließen zu können. Für die Konnektivität verfügt der Raspberry Pi 4 Modell B über eine WLAN-, LAN- und Bluetooth-Schnittstelle. In Abbildung 2.2 sind die wichtigsten Komponenten und Anschlüsse des Raspberry Pi 4 Modell B dargestellt.

Abbildung 2.2    Komponenten und Anschlüsse des Raspberry Pi 4 Modell B

Der Arduino ist ein sogenannter Mikrocontroller, der im Wesentlichen aus einem einzigen Chip besteht, einem Integrated Circuit (IC). Als in der Maker-Szene sehr beliebter und weitverbreiteter Vertreter der Mikrocontroller eignet sich der Arduino ebenfalls für verschiedenste Bastelprojekte. Er ist seit 2005 auf dem Markt, und dank seiner großen Anhängerschaft gibt es für den Arduino viele Zusatzplatinen, die ihn um weitere Funktionen wie ein Display, Motortreiber oder WLAN/LAN-Anschlüsse erweitern. Diese Zusatzplatinen werden Shields genannt und können übereinander direkt auf die Anschlüsse des Arduino aufgesteckt werden. Abbildung 2.3 zeigt einen Arduino UNO R3 mit einem ATMEGA-328PU-IC.

Mikrocontroller wie der Arduino verfügen im Gegensatz zu einem SBC wie dem Raspberry Pi über ein paar Einschränkungen. Allerdings wollte ich bei meinen Projekten auf die Funktionen, die der Raspberry Pi dem Arduino voraushat, nicht verzichten:

• Zum einen kann auf dem IC des Arduino kein Betriebssystem ausgeführt werden. Der Raspberry Pi hingegen verfügt über ein vollwertiges Betriebssystem mit einer grafischen Oberfläche, die eine einfache Bedienung ermöglicht. Für die Programmierung des Arduino wird ein weiterer Computer benötigt, auf dem die Entwicklung stattfindet und von dem aus der Programmcode in den Arduino geladen wird.

• Zum anderen verfügt der Raspberry Pi über eine Vielzahl von Schnittstellen, wie beispielsweise zwei HDMI-Grafikausgänge, WLAN, LAN und Bluetooth, USB-3.0/2.0-Schnittstellen, die bei einem Arduino UNO R3 bei Bedarf über zusätzliche Shields nachgerüstet werden müssen. Diese zusätzlichen Shields würden den Arduino in der Höhe deutlich vergrößern und damit unhandlicher machen. Von der Kostenseite betrachtet, würden die einzelnen Shields deutlich teurer werden als ein Raspberry Pi 4 Modell B.

• Der Raspberry Pi verfügt über wesentlich mehr Rechenleistung, ein eigenes Betriebssystem und die bereits erwähnten vielfältigen Anschlussmöglichkeiten. Deshalb habe ich ihn für das Roboter-Auto-Projekt ausgewählt. Außer im Roboter-Auto können Sie den Raspberry Pi auch als Mediacenter, Arcade-Spielautomat und für viele weitere Projekte verwenden. Hier sind dem Arduino Grenzen gesetzt: Seine Einsatzgebiete sind nicht derart flexibel.

Abbildung 2.3    Komponenten des Arduino UNO R3

Auch Single-Board-Computer-Modelle von anderen Herstellern, wie der Odroid C2 von Hardkernel, das ASUS Tinker Board und der NVIDIA Jetson Nano eignen sich generell für den Bau des Roboter-Autos. Schlussendlich habe ich mich aber für den Raspberry Pi entschieden, da die große und weltweit aktive Raspberry Pi Community bei vielen Fragestellungen aktiv weiterhilft und die Softwareunterstützung des Raspberry Pi keine Wünsche offenlässt.

2.2.2    Der Raspberry Pi 4 Modell B und seine Familienmitglieder

Für das Roboter-Auto empfehle ich Ihnen, den Raspberry Pi 4 Modell B mit 4 GB RAM zu verwenden. Es handelt sich dabei um das aktuellste und leistungsstärkste Modell der Raspberry-Pi-Familie. Der Raspberry Pi 4 Modell B wird in drei Varianten angeboten die sich lediglich in der Größe des Arbeitsspeichers von 1 GB, 2 GB oder 4 GB unterscheiden.

Damit Sie einen Überblick über die gesamte Raspberry-Pi-Familie bekommen, sehen Sie hier die unterschiedlichen Modelle, die von 2012 bis Juli 2019 von der Raspberry Pi Foundation veröffentlicht wurden:

• Raspberry Pi Modell A (Erscheinungsdatum: 2012)

• Raspberry Pi Modell B (2012)

• Raspberry Pi Modell A+ (2013)

• Raspberry Pi Modell B+ (2013)

• Raspberry Pi Compute Module (2014)

• Raspberry Pi 2 Modell B (2015)

• Raspberry Pi ZERO (2015)

• Raspberry Pi 3 Modell B (2016)

• Raspberry Pi ZERO 1.3 (2016)

• Raspberry Pi ZERO W/WH (2017/2018)

• Raspberry Pi 3 Modell B+ (2018)

• Raspberry Pi 4 Modell B mit 1/2/4 GB RAM (2019)

Im Wesentlichen unterscheiden sich die Modelle in der Anzahl der Schnittstellen, in der Größe des Arbeitsspeichers und in der CPU-Geschwindigkeit.

Auf der Website der Raspberry Pi Foundation stehen weitere Informationen über die Raspberry-Pi-Familie zur Verfügung:

http://www.raspberrypi.org/

2.2.3    Das kleinste Familienmitglied: Die Raspberry-Pi-ZERO-Familie

Die Raspberry-Pi-ZERO-Familie nimmt eine besondere Rolle unter den Single-Board-Computern ein. Daher möchte ich auf diese Modelle etwas näher eingehen. Mit einem Preis von ca. 5 € und einer CPU-Taktrate von 1 GHz ist der ZERO extrem kostengünstig. Der Raspberry Pi ZERO W wurde 2017 vorgestellt und verfügt über ein WLAN-Modul. Der Raspberry Pi ZERO WH wird mit WLAN und aufgelöteter 40-Pin-Headerleiste geliefert. Dennoch verfügen alle Raspberry-Pi-ZERO-Modelle nur über eine geringe Anzahl von Anschlüssen. Dazu gehören ein Mikro-USB-Anschluss, ein Mini-HDMI-Anschluss und eine Mikro-CSI-Schnittstelle für die Raspberry-Pi-Kamera. Dieser Mikro-CSI-Anschluss ist ab der ZERO-Version 1.3 verbaut und ist schmaler als der herkömmliche CSI-Anschluss, der bei den anderen Raspberry-Pi-Modellen verwendet wird.

Daher wird für alle Modelle des Raspberry Pi ZERO ein spezielles CSI-Kabel für den Anschluss der Kamera benötigt, das Sie in...