Roboter-Autos mit dem ESP32

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