Stapel Roboter-Autos mit dem ESP32

Bauen, programmieren, steuern
1. Auflage 2025
ISBN: 978-3-367-11286-9
Verlag: Rheinwerk
Format: EPUB
Kopierschutz: 0 - No protection

E-Book, Deutsch, 368 Seiten

Reihe: Rheinwerk Computing

Wer braucht schon einen Telsa, wenn man sein eigenes E-Auto bauen kann?
Dein Flitzer wird zwar ein bisschen kleiner als ein richtiges Auto werden, dafür kannst du ihn selbst bauen, programmieren und steuern. Ingmar Stapel zeigt dir in diesem Buch, welche Werkzeuge und Teile du brauchst und wie sie zusammenpassen. Für die Programmierung gibt es ausführliche Codebeispiele und die Unterstützung eines KI-Helfers. Und zum krönenden Abschluss bringst du deinem Auto bei, selbstständig durch die Wohnung zu fahren.

Aus dem Inhalt:

• Werkzeuge und Teile
• Das Chassis aus dem 3D-Druck
• Antrieb, Akku und Verkablung: die Energie für dein Auto
• Das Gehirn: das ESP32 Dev Kit
• Schritt für Schritt: die Montage des Autos
• Programmierung mit KI: richtiges Prompting, ohne den Überblick zu verlieren
• Steuerung programmieren: umfassende Codebeispiele, die zeigen, wie's geht
• Sensoren auslesen, Spuren folgen und immer im Gleichgewicht bleiben
• Autonom fahren mit Ultraschallsensor und GPS-Modul
• Dein Auto wird smart: das OpenBot-Framework
• Daten sammeln und KI trainieren

Ingmar Stapel studierte technische Informatik und ist aktuell im internationalen Bankenumfeld als IT-Projektleiter tätig; daneben beschäftigt er sich seit Jahren intensiv mit dem Raspberry Pi und der Robotik. Dieses Wissen teilt er gerne auf Vorträgen zum Thema Robotik mit Interessierten aus der Bastler-Szene. Auf seinen privaten Blogs schreibt er außerdem zu vielen aktuellen Techniktrends und berichtet von seinen Reisen.

Autoren/Hrsg.

Stapel, Ingmar

Inhaltsverzeichnis

Materialien zum Buch ... 18  Vorwort ... 19

TEIL I.  Baue dein eigenes Roboter-Auto ... 23

Kapitel 1.  Dein Roboter-Auto zum Selberbau ... 25  1.1 ... Warum überhaupt ein Roboter-Auto bauen? ... 25  1.2 ... Für wen ist dieses Projekt geeignet? ... 27  1.3 ... Mehr als nur Likes: dein Projekt, deine Zukunft ... 27

Kapitel 2.  Die richtige Ausrüstung: Werkzeuge für das Roboter-Auto-Projekt ... 29  2.1 ... Warum die richtigen Werkzeuge wichtig sind ... 29  2.2 ... Die wichtigsten Werkzeuge für dein Roboter-Auto-Projekt ... 30  2.3 ... Gut verlötet ist halb gewonnen -- Grundlagen des Lötens ... 31  2.4 ... Vorbereitung ist alles ... 36

Kapitel 3.  Das Chassis: die Basis deines Roboter-Autos ... 37  3.1 ... Präzision aus dem Drucker: das 3D-gedruckte Chassis ... 38  3.2 ... Flexibel und kreativ: das Chassis aus LEGO®-Bausteinen ... 43  3.3 ... Günstig und individuell: das Chassis aus Pappe ... 47  3.4 ... Deine Wahl, dein Roboter! ... 52

Kapitel 4.  3D-Druck-Chassis: So erhältst du das Chassis und andere Teile ... 53  4.1 ... 3D-Druck verstehen: Schicht für Schicht zum Objekt ... 53  4.2 ... Die Baupläne: Was ist eine STL-Datei? ... 54  4.3 ... Dein Druckmaterial: Filament-Arten für dein Roboter-Auto ... 54  4.4 ... Kein 3D-Drucker zuhause? Kein Problem! ... 56  4.5 ... Dein erster 3D-Druck: wichtige Einstellungen und Tipps ... 56

Kapitel 5.  Strom ist die Roboter-Energie -- Grundlagen der Elektrizität für dein Roboter-Auto ... 59  5.1 ... Elektrische Gesetze und Formeln -- das kleine Einmaleins der Elektronik ... 59  5.2 ... Die elektrische Leistung -- wie viel Power steckt drin? ... 63  5.3 ... Leistungsaufnahme des gesamten Roboter-Autos in einem Beispiel ... 65  5.4 ... Beispielrechnung für einen LED-Vorwiderstand ... 66

Kapitel 6.  Datenübertragung im Detail: der I2C-Bus und der ESP32 ... 69  6.1 ... Was ist der I2C-Bus? ... 69  6.2 ... Wie funktioniert I2C? ... 71  6.3 ... Der I2C-Bus des ESP32 ... 73  6.4 ... I2C-Hubs: mehr Anschlüsse für Sensoren ... 73  6.5 ... DIY-I2C-Hub -- meine persönliche Empfehlung ... 74  6.6 ... Die genaue Verwendung des I2C-Busses im Roboter-Auto ... 75  6.7 ... Level-Shifter (Pegelwandler) -- die Spannungsanpassung im I2C-System ... 76

Kapitel 7.  Diese Hardware brauchst du für dein Roboter-Auto ... 77  7.1 ... Das Gehirn: der ESP32-Mikrocontroller ... 77  7.2 ... Fortbewegung: die TT-Getriebemotoren mit Rädern ... 78  7.3 ... Motorsteuerung: L298N-Motortreiber-Modul ... 79  7.4 ... OLED-Display SSD1306 -- das Info-Display ... 81  7.5 ... Die 18650-Li-Ion-Akkus ... 82  7.6 ... Batteriehalter mit Feinsicherung und Sicherungshalter ... 86  7.7 ... Die richtige Spannung: der Spannungswandler ... 88  7.8 ... Beleuchtung: NeoPixel-LEDs ... 89  7.9 ... Fernsteuerung: Sony PS4/PS5 Gamecontroller ... 91  7.10 ... Spannung im Blick: die digitale Spannungsanzeige ... 92  7.11 ... Kleinmaterial: Kabel, Verbinder und mehr ... 94  7.12 ... Übersicht der benötigten Komponenten ... 96  7.13 ... Was kommt als Nächstes? ... 98

Kapitel 8.  Die Spannungsversorgung des Roboter-Autos ... 99  8.1 ... Warum drei 18650-Akkus als Spannungsquelle? ... 99  8.2 ... Benötigte Komponenten für die Spannungsversorgung ... 100  8.3 ... Aufbau der Spannungsversorgung ... 100  8.4 ... Was kommt als Nächstes? ... 106

Kapitel 9.  Das 3D-Druck-Chassis -- dein Roboter nimmt Gestalt an ... 107  9.1 ... Aufbau des Beispiel-Chassis ... 109  9.2 ... Vorbereitung der 3D-Druckteile ... 110  9.3 ... Dein 3D-Druck-Roboter-Chassis: die Bauteile im Detail ... 110  9.4 ... Was kommt als Nächstes? ... 120

Kapitel 10.  Schritt-für-Schritt-Montage des 3D-gedruckten Roboter-Autos ... 121  10.1 ... Fokus auf das 3D-Druck-Beispiel ... 121  10.2 ... Start der Roboter-Auto-Verkabelung und -Montage ... 122  10.3 ... ESP32 -- logische Verkabelung vorbereiten ... 124  10.4 ... LED-Daten-Pin vorbereiten ... 126  10.5 ... Anschlusskabel der Motoren vorbereiten und anschließen ... 127  10.6 ... TT-Getriebemotoren montieren und anschließen ... 128  10.7 ... Spannungswandler befestigen ... 133  10.8 ... Anschluss des Motortreibers an den ESP32 ... 134  10.9 ... Verkabelung des Fahrerhauses ... 136  10.10 ... LED-Verkabelung vorbereiten und einbauen ... 144  10.11 ... Erster Test der Spannungsversorgung ... 147  10.12 ... Was kommt als Nächstes? ... 148

Kapitel 11.  Erste Schritte mit der Arduino-Entwicklungsumgebung ... 149  11.1 ... Arduino IDE herunterladen und installieren ... 149  11.2 ... ESP32-Boards für Arduino IDE einrichten ... 150  11.3 ... Benötigte Bibliotheken installieren ... 152  11.4 ... ESP32 mit dem Computer verbinden ... 152  11.5 ... Test-Sketch hochladen ... 152

Kapitel 12.  Die komplette Software für dein Roboter-Auto ... 155  12.1 ... Voraussetzungen prüfen ... 155  12.2 ... Roboter-Auto-Programm herunterladen und aufspielen ... 156  12.3 ... ESP32-Roboter-Auto-Programm testen ... 156  12.4 ... Ausblick und Erweiterungen ... 158

TEIL II.  Prompte deine Roboter-Auto-Programme ... 165

Kapitel 14.  Programmieren mit KI-Unterstützung: deine Prompt-Schule ... 167  14.1 ... Die Kunst des Befehls: Was ist ein Prompt und warum ist »Prompt Engineering« wichtig? ... 167  14.2 ... Werkzeuge des Dialogs: wichtige Prompting-Techniken ... 168  14.3 ... Dein perfekter Befehl: einen effektiven Prompt für das ESP32-Roboter-Auto erstellen ... 175  14.4 ... Der iterative Prozess: vom ersten Entwurf zum fertigen Code ... 178  14.5 ... Dokumentation deiner Prompts -- behalte den Überblick ... 179  14.6 ... Realistische Erwartungen und deine Rolle als Entwickler ... 179

Kapitel 15.  Sensoren im Überblick ... 181  15.1 ... Was sind Sensoren und wozu brauchen wir sie? ... 181  15.2 ... Der Ultraschallsensor (HC-SR04) -- sehen mit Schallwellen ... 183  15.3 ... Digitaler Lichtsensor (GY-302/BH1750) -- präzise Helligkeit messen ... 186  15.4 ... Infrarotsensoren/Liniensensoren -- dem Weg folgen ... 189  15.5 ... Das Gyroskop (GY-521/MPU-6050) -- Drehbewegungen und Lage erfassen ... 193  15.6 ... Das Kompassmodul -- dein Roboter findet die Nordrichtung ... 196  15.7 ... Weitere interessante Sensoren für Roboter-Projekte ... 198

Kapitel 16.  Präzises Lichtmanagement -- dein Roboter misst Helligkeit in Lux mit dem BH1750 ... 201  16.1 ... Der digitale Lichtsensor BH1750 -- was er kann und warum er praktisch ist ... 201  16.2 ... Das GY-302-Modul (BH1750) am Roboter montieren und anschließen ... 202  16.3 ... Programmieren: Lichtstärke in Lux auslesen und auf dem OLED-Display anzeigen ... 203

Kapitel 17.  Auf der Ideallinie -- dein Roboter folgt Spuren mit dem KY-033-Liniensensor ... 209  17.1 ... Was bedeutet Linienverfolgung? ... 209  17.2 ... Den KY-033-Liniensensor am Roboter montieren und anschließen ... 211  17.3 ... Programmieren: Linienstatus pro Sensor erkennen ... 213  17.4 ... Das Programm für die Linienverfolgung in Verbindung mit der Motorsteuerung: Wo ist nur die Linie hin? ... 217  17.5 ... Testfahrten und Kalibrierung ... 223  17.6 ... Problem mit dem Code? ... 224

Kapitel 18.  Balanceakt und Drehmomente -- dein Roboter versteht Bewegung ... 225  18.1 ... Gyroskop und Beschleunigungssensor kurz erklärt ... 225  18.2 ... Den MPU-6050-Sensor am Roboter-Auto montieren und anschließen ... 226  18.3 ... Programmieren: Rohdaten von Gyroskop und Beschleunigungssensor auslesen (mit OLED-Anzeige) ... 228  18.4 ... Logik: von Rohdaten zu Winkeln -- Neigung und Drehung verstehen ... 233  18.5 ... Das Programm, um den Roboter um 45 Grad zu drehen ... 234  18.6 ... Testfahrten bzw. Drehung ... 242

Kapitel 19.  Immer nordwärts -- dein Roboter-Auto findet die Himmelsrichtung ... 243  19.1 ... Was ist ein Magnetometer und wie wird daraus ein Kompass? ... 243  19.2 ... Das GY-271-Modul am Roboter montieren und anschließen ... 244  19.3 ... Anschluss an den ESP32 ... 245  19.4 ... Programmieren: Magnetfeld-Rohdaten und Kompassrichtung auslesen ... 245  19.5 ... Erweiterungen und Verfeinerungen ... 252  19.6 ... Kompasskalibrierung des QMC5883L -- ein Muss für präzise Navigation ... 253

Kapitel 20.  Dein Roboter fährt allein -- autonom mit Ultraschallsensor ... 255  20.1 ... Den Ultraschallsensor am Roboter montieren ... 256  20.2 ... Prompt für die Programmierung ... 256  20.3 ... Testfahrten und Fehlersuche ... 259

Kapitel 21.  Dein Roboter findet seinen Platz in der Welt -- Navigation mit dem GPS-Modul ... 261  21.1 ... Was ist GPS und wie wird daraus eine Position? ... 262  21.2 ... Das GY-NEO6MV2-Modul am Roboter montieren ... 262  21.3 ... Anschluss an den ESP32 ... 263  21.4 ... Programmieren: GPS-Position und Zeit auslesen ... 263  21.5 ... Erweiterungen und Verfeinerungen ... 266

Kapitel 22.  Steuerung per Browser -- das Web-Interface ... 269  22.1 ... Was ist ein Web-Interface und warum ist es nützlich für dein Roboter-Auto? ... 269  22.2 ... Grundlagen: einen einfachen Webserver auf dem ESP32 aufsetzen ... 270  22.3 ... Prompt für die Programmierung ... 271  22.4 ... Herausforderungen und Weiterentwicklungsmöglichkeiten ... 274

Kapitel 23.  Mehr Bewegung: Servo-Motoren für dein Roboter-Auto ... 275  23.1 ... Was sind Servo-Motoren und wie unterscheiden sie sich von den Antriebsmotoren? ... 276  23.2 ... Das PCA9685-Modul und die Ansteuerung von Servos ... 277  23.3 ... Einbau des Servo-Controllers und Programmierung ... 279

TEIL III.  Level Up: Das Roboter-Auto fährt autonom ... 285

Kapitel 24.  Dein Roboter-Auto wird intelligent -- lerne das OpenBot Framework kennen ... 287  24.1 ... Was du im dritten Teil des Buches lernen wirst ... 288  24.2 ... Eine neue Dimension der Autonomie -- dein Smartphone als Robotergehirn ... 289  24.3 ... Vorstellung des OpenBot-Projekts ... 289  24.4 ... Zusätzlich benötigte Komponenten zum bestehenden Roboter-Auto ... 292

Kapitel 25.  Das OpenBot-System -- Zusammenspiel von Smartphone und ESP32-Mikrocontroller ... 297  25.1 ... Die Architektur im Detail ... 297  25.2 ... Überblick über die autonomen Fähigkeiten mit OpenBot ... 299

Kapitel 26.  Vom Roboter-Auto zum OpenBot: Vorbereitung und Firmware-Installation ... 301  26.1 ... Letzte Hardware-Vorbereitung: die Smartphone-Halterung ... 301  26.2 ... Die OpenBot-Firmware: Vorbereitung und Konfiguration ... 302  26.3 ... Die Firmware konfigurieren ... 302  26.4 ... Firmware auf den ESP32 aufspielen ... 306  26.5 ... Der erste Test ... 307  26.6 ... Die OpenBot-Smartphone-App -- Installation und erste Verbindung ... 307  26.7 ... Die Benutzeroberfläche der OpenBot-App ... 312  26.8 ... Die Benutzeroberfläche der OpenBot-App (AI) ... 323

Kapitel 27.  Datensammlung und KI-Training in der Praxis: eine Schritt-für-Schritt-Anleitung ... 331  27.1 ... Trainingsdaten sammeln ... 331  27.2 ... Vom Rohstoff zum Gehirn -- dein eigenes KI-Modell trainieren ... 335  27.3 ... Das fertige KI-Modell: Export und Übertragung auf das Smartphone ... 346  27.4 ... Fazit: Die erste autonome Fahrt mit deinem eigenen Modell ... 350

Kapitel 28.  Der visuelle Baukasten -- eigene Programme mit OpenBot Playground erstellen ... 351  28.1 ... Der OpenBot-Online-Dienst: einfach im Browser loslegen ... 352  28.2 ... Die magische Verbindung: PC und Roboter koppeln ... 352  28.3 ... Der Baukasten: Logik und KI mit Blöcken erschaffen ... 352

Kapitel 29.  Dein intelligenter Roboter -- Zusammenfassung und nächste Abenteuer ... 355  29.1 ... Was du gelernt hast: dein Weg zum Roboter-Entwickler ... 355  29.2 ... Was jetzt möglich ist: deine Reise beginnt hier ... 356

Kapitel 30.  Die abschließenden Worte: Was du bis jetzt erreicht hast und wie es weitergeht ... 357  30.1 ... Was Kinder und auch Erwachsene mitnehmen können ... 358  30.2 ... Was du als Nächstes machen kannst ... 358  30.3 ... Das ESP32-Roboter-Auto-Projekt in Familie und Schule ... 359  30.4 ... Wie ein humanoider Roboter zukünftig mit KI-Unterstützung Probleme lösen könnte -- einfach erklärt ... 359  30.5 ... Gedanken über die Zukunft des Zusammenlebens mit Large Language Models ... 361  30.6 ... Und jetzt? Feiern und Teilen! ... 364  Index ... 365

Über Autor(innen)

Stapel, Ingmar
Ingmar Stapel studierte technische Informatik und ist aktuell im internationalen Bankenumfeld als IT-Projektleiter tätig; daneben beschäftigt er sich seit Jahren intensiv mit dem Raspberry Pi und der Robotik. Dieses Wissen teilt er gerne auf Vorträgen zum Thema Robotik mit Interessierten aus der Bastler-Szene. Auf seinen privaten Blogs schreibt er außerdem zu vielen aktuellen Techniktrends und berichtet von seinen Reisen.