Abb. 13 · Robotik-Labor · ROS-2-Gehirn

Raspberry Pi 5

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Werkbank

Noch kein Messwert

Versorgung (5-V-Schiene)

Noch kein Messwert

Stromaufnahme

0 mA

Bauen und kaputt machen

1BauenAls Nächstes
Bis auf die nackte Platine zerlegen
Zieh das Netzteil ab und nimm dann jedes Bauteil ab. Der Pi 5 ist gebaut wie jedes moderne Board: zuerst die SMD-Bauteile, dann die bedrahteten Anschlüsse von niedrig nach hoch, und die microSD-Karte und der Active Cooler zuletzt.
2
Die SMD-Bauteile bestücken, dann reflowlöten
3
Die niedrigen bedrahteten Bauteile einsetzen
4
Die hohen Anschlüsse einsetzen
5
Die bedrahteten Lötstellen löten
6
Die microSD-Karte einschieben
7
Den Active Cooler montieren
8
Das 27-W-USB-C-Netzteil einstecken
9
Den ROS-2-Fahrknoten ausführen
10
Versorgung und Wärme prüfen
11
Kaputt machen: über ein Handy-Ladegerät mit 5 V und 2 A versorgenKaputt machen
12
Kaputt machen: ohne Active Cooler betreibenKaputt machen
13
Kaputt machen: eine kalte Lötstelle am LüfteranschlussKaputt machen
14
Kaputt machen: Antriebsmotoren an den 5 V des PiKaputt machen
15
Kaputt machen: die 5 V des Roboters verpolt angeschlossenKaputt machen
16
Kaputt machen: 12 V an die 5-V-PinsKaputt machen
17
Explosionsansicht

Absichtlich kaputt machen

Jeder Fehler ist einer, über den echte Bastler stolpern. Lös ihn aus, lies das Symptom an der Werkbank ab und beheb ihn dann.

Unterspannung durch ein Handy-Ladegerät
falsche Spannung
Warum es passiert
Symptom: Die Versorgung zeigt 4,6 V, der Takt sinkt auf 1,5 GHz, get_throttled zeigt 0x50005, und der Kernel meldet 'Undervoltage detected!'.
Der Pi 5 meldet Unterspannung unter 4,63 V (±5 %). Ein Handy-Ladegerät mit 5 V und 2 A und ein dünnes Kabel brechen unter der Last des Pi ein, also begrenzt die Firmware den Takt. Schwache Netzteile verursachen außerdem zufällige Neustarts, beschädigte SD-Karten und USB-Geräte, die wegfallen.
Lösung: Nimm das offizielle USB-C-Netzteil mit 5 V und 5 A (27 W).
Kein Active Cooler
Überhitzung
Warum es passiert
Symptom: Die CPU-Temperatur steigt über 80 °C, der Takt fällt von 2,4 GHz in Richtung 1,5 GHz, get_throttled zeigt 0x40004, und der Fahrknoten warnt vor der Wärme.
Die Firmware drosselt die Arm-Kerne ab 80 °C Schritt für Schritt und bei 85 °C auch die GPU. Unter der Last von ROS 2 kommt ein nackter BCM2712 schnell dorthin, und 1,5 GHz sind nur 62,5 % der vollen Geschwindigkeit.
Lösung: Zieh den Strom ab, montier den Active Cooler wieder und steck sein Kabel in den Lüfteranschluss.
Kalte Lötstelle am Lüfteranschluss
kalte Lötstelle
Warum es passiert
Symptom: Der Lüfter stoppt und läuft wieder an, sein Tastverhältnis springt zwischen 0 und dem Wert der Kennlinie, und die CPU läuft heißer.
Eine kalte Lötstelle ist ein matter, körniger Klecks, der das Pad nie benetzt hat, also hat sie nur manchmal Kontakt. Der Versorgungs- oder PWM-Pin des Lüfters fällt bei jeder Erschütterung aus.
Lösung: Löte die Lötstelle nach: Erhitz Pad und Pin zusammen, gib etwas frisches Lot dazu und lass es zu einer glänzenden, nach innen gewölbten Hohlkehle erstarren.
Brown-out: Motoren an der 5-V-Schiene des Pi
Brown-out
Warum es passiert
Symptom: Die Versorgung bricht ein, die LED geht aus und wieder an, und das Terminal wiederholt das Bootlog: Der Pi setzt sich jedes Mal zurück, wenn die Motoren anlaufen.
Ein TT-Getriebemotor zieht 1,2-1,5 A, wenn er anläuft oder blockiert. Zwei davon plus die 0,8 A des Pi sind mehr, als der 3-A-Abwärtswandler des Roboters liefern kann, also brechen die 5 V zusammen, und das Board setzt sich zurück.
Lösung: Treib die Motoren aus dem Akku über einen Motortreiber, den der ESP32 steuert, und gib dem Pi sein eigenes 5-V-Netzteil mit 5 A.
Verpolung an den 5-V-GPIO-Pins
Verpolung
Warum es passiert
Symptom: Nichts bootet, die Versorgung geht in die Strombegrenzung, und der PMIC wird heiß.
USB-C ist codiert und lässt sich nicht verkehrt herum einstecken, aber die 5-V-Pins der Stiftleiste gehen ohne Schutz direkt an die 5-V-Eingangsschiene. Verpolt fließt der Strom falsch herum durch den PMIC und brennt ihn durch.
Lösung: Tausch die Kabel: 5 V an Pin 2 oder 4, Masse an Pin 6. Noch besser: Versorg den Pi über USB-C.
12 V an den 5-V-Pins
falsche Spannung
Warum es passiert
Symptom: Der PMIC brennt sofort durch, und das Board bleibt tot.
Die 5-V-Pins umgehen jeden Regler: Was du dort einspeist, erreicht direkt den Eingang des PMIC. Ein 3S-Akku (11,1-12,6 V) ist mehr als doppelt so viel, wie der PMIC verträgt.
Lösung: Speis die 5-V-Pins nur aus einer geregelten 5-V-Quelle, etwa einem auf 5,1 V eingestellten Abwärtswandler, oder nimm USB-C.
Keine microSD-Karte
fehlendes Bauteil
Warum es passiert
Symptom: Die LED bleibt rot: Das Board hat Strom, aber es erscheint kein Bootlog.
Der Pi 5 hat kein eigenes Betriebssystem. Der Bootloader in seinem SPI-Flash sucht eines auf der Karte (dann auf USB und im Netzwerk, wenn du die Bootreihenfolge so einstellst) und findet nichts zum Laden.
Lösung: Zieh den Strom ab, schieb eine mit dem Raspberry Pi Imager beschriebene Karte ein und schalte wieder ein.
PMIC weggelassen
fehlendes Bauteil
Warum es passiert
Symptom: Überhaupt kein Licht: Nichts auf dem Board bekommt Strom.
Der DA9091 erzeugt jede Schiene aus dem 5-V-Eingang. Ohne ihn bekommt kein Chip Strom.
Lösung: Setz U4 wieder ein und löte ihn im Reflow-Verfahren.
BCM2712 weggelassen
fehlendes Bauteil
Warum es passiert
Symptom: Die LED bleibt rot: Die Schienen kommen hoch, aber kein Bootlog und kein grünes Licht.
Der BCM2712 ist der Computer: die vier Arm-Kerne, die GPU und der Speichercontroller. Die Schienen kommen hoch, aber nichts führt den Bootloader aus.
Lösung: Setz U1 wieder ein und löte ihn im Reflow-Verfahren.
RAM weggelassen
fehlendes Bauteil
Warum es passiert
Symptom: Die LED blinkt immer wieder achtmal kurz grün, und der Bootvorgang hält an.
Der Bootloader findet kein SDRAM und zeigt den dokumentierten Blinkcode 0L8S: null lange und acht kurze Blinkzeichen, 'SDRAM failure'.
Lösung: Setz U2 wieder ein und löte ihn im Reflow-Verfahren.
RP1 weggelassen
fehlendes Bauteil
Warum es passiert
Symptom: Die LED blinkt viermal lang und dreimal kurz, und es gibt kein USB, kein Ethernet und kein GPIO.
Jeder Anschluss des Pi 5 kommt vom RP1. Die Firmware findet ihn nicht und zeigt den dokumentierten Blinkcode 4L3S, 'RP1 not found'.
Lösung: Setz U3 wieder ein und löte ihn im Reflow-Verfahren.

Die Werkbank im Überblick

Bau ihn auf, Karte und Kühler zuletzt, dann versorg ihn mit einem echten 5-A-Netzteil

Der Raspberry Pi 5 ist das Gehirn des Roboters, nicht sein Rückenmark: ein Linux-Computer mit vier Kernen und 2,4 GHz, auf dem ROS 2, SLAM Toolbox, Nav2 und die Kamera-Pipeline laufen. Linux ist nicht echtzeitfähig, also leben die Motor- und Balance-Regelkreise auf einem ESP32 oder Nano, der über USB-Seriell mit dem Pi spricht, dieselbe Aufteilung wie beim UGV Rover von Waveshare. Bau ihn von der nackten Platine an auf, gib ihm seine microSD-Karte und den Active Cooler, versorg ihn mit einem echten 5-V-Netzteil mit 5 A und beobachte das Terminal. Wärme breitet sich hier etwa zehnmal schneller aus als auf einem echten Board, also siehst du in Sekunden, was auf der Werkbank Minuten dauert.

Quellen

Auf der Werkbank

Ausgewählt

Sofort: schaltet direkt um, ohne Upload

Code: Booten und prüfen

# boot_check.py: nach dem ersten Boot ausführen, um zu sehen, ob der Pi gesund ist
# auf einer frischen SD-Karte zuerst aktualisieren:
#   sudo apt update && sudo apt full-upgrade
from pathlib import Path
import subprocess


def vcgencmd(*args):
    out = subprocess.run(['vcgencmd', *args], capture_output=True, text=True, check=True)
    return out.stdout.strip()


model = Path('/proc/device-tree/model').read_text().rstrip('\x00')
print(model)                             # Raspberry Pi 5 Model B Rev 1.0
print(vcgencmd('get_throttled'))         # throttled=0x0: Die Versorgung ist nie eingebrochen
print(vcgencmd('measure_temp'))          # CPU-Temperatur
print(vcgencmd('measure_clock', 'arm'))  # Arm-Takt: 2400000000 Hz bei voller Geschwindigkeit

Übungsaufgaben

0/3 Aufgaben

Schreib den Code und führ dann die Prüfungen aus. Der Lauf nutzt eine virtuelle Uhr und eine geskriptete Umgebung, deshalb liefert derselbe Code immer dasselbe Ergebnis.

/cmd_vel mit einem Timer mit 10 Hz veröffentlichen

Python

Der Startcode fährt den Roboter aus einer while-Schleife mit time.sleep(0.1). Das blockiert den Knoten, also kann rclpy nie seine Callbacks ausführen, und die Periode driftet um die Zeit, die jedes Veröffentlichen braucht. Schreib es auf die ROS-2-Art um: ein 0,1-s-Timer, der den Twist (0,2 m/s vorwärts, 0,5 rad/s Drehung) veröffentlicht und protokolliert, was er gesendet hat, dann rclpy.spin().

Prüfungen

Noch nicht ausgeführtBenutzt einen 0,1-s-Timer und rclpy.spin, ohne sleep-Schleife
Noch nicht ausgeführtVeröffentlicht zehnmal pro Sekunde 0.20 m/s und 0.50 rad/s
Noch nicht ausgeführtLäuft 2 Sekunden ohne Fehler

Tipps

self.create_timer(0.1, self.tick) ruft tick alle 0,1 s auf, sobald der Knoten spinnt.
Protokollier jede Nachricht mit self.get_logger().info(f'linear.x={msg.linear.x:.2f} angular.z={msg.angular.z:.2f}').
Ersetz Drive().run() durch node = Drive() und rclpy.spin(node).

Code für /cmd_vel mit einem Timer mit 10 Hz veröffentlichen

/cmd_vel in Radgeschwindigkeiten umrechnen

Python

Der ESP32 treibt zwei Räder, also teilt der Pi jeden Twist in eine Geschwindigkeit für das linke und das rechte Rad auf: links = v − ω·b/2 und rechts = v + ω·b/2, wobei b der Abstand zwischen den Rädern ist. Stell den Basisknoten fertig: Deklarier einen Parameter wheel_base (0,16 m), abonnier cmd_vel und protokollier beide Geschwindigkeiten.

Prüfungen

Noch nicht ausgeführtDeklariert wheel_base und abonniert cmd_vel
Noch nicht ausgeführtProtokolliert left=0.16 right=0.24 m/s für jede Nachricht

Tipps

self.declare_parameter('wheel_base', 0.16), dann lies ihn mit self.get_parameter('wheel_base').value.
self.create_subscription(Twist, 'cmd_vel', self.on_cmd, 10) ruft on_cmd für jede Nachricht auf.
Mit v = 0,2 m/s, ω = 0,5 rad/s und b = 0,16 m bekommst du links = 0,16 m/s und rechts = 0,24 m/s. Protokollier f'left={left:.2f} right={right:.2f} m/s'.

Code für /cmd_vel in Radgeschwindigkeiten umrechnen

Drei Knoten: Sensor, Filter, Sicherheitsstopp

Python

Ein System aus mehreren Knoten, ganz ohne Roboter. Der Sensorknoten veröffentlicht eine Entfernung, die sich einer Wand nähert (2,0 m, 1,9 m, 1,8 m … mit 10 Hz). Schreib einen Filterknoten, der die letzten window Messwerte mittelt (ein Parameter, 4) und range_avg veröffentlicht, und einen Sicherheitsknoten, der einen Null-Twist auf cmd_vel veröffentlicht und einmal warnt, wenn der Mittelwert unter stop_m fällt (ein Parameter, 0,5 m). Auf einem echten Pi geh weiter: eigene .msg- und .srv-Typen, eine Python-Launch-Datei mit Argumenten, dann ros2 bag record und Wiedergabe.

Prüfungen

Noch nicht ausgeführtDeklariert window und stop_m und abonniert range
Noch nicht ausgeführtDer Filter protokolliert für jeden Messwert einen Mittelwert
Noch nicht ausgeführtDer Sicherheitsknoten stoppt innerhalb von 2 Sekunden bei 0,45 m

Tipps

Filter: Führ eine Liste, häng jeden Messwert an, mach pop(0), wenn sie länger als das Fenster wird, und veröffentliche sum / len.
Sicherheit: Merk dir, dass du angehalten hast, damit die Warnung nur einmal erscheint.
Mit einem Fenster von 4 fällt der Mittelwert bei 0,45 m zum ersten Mal unter 0,5 m: Protokollier f'obstacle at {msg.data:.2f} m: stop'.
Auf einem Pi: ros2 pkg create --build-type ament_python my_robot, eine Launch-Datei mit DeclareLaunchArgument, dann ros2 bag record -a und ros2 bag play.

Code für Drei Knoten: Sensor, Filter, Sicherheitsstopp

# Aufgabe: die Entfernung in einem Filterknoten mitteln und den Roboter in einem Sicherheitsknoten anhalten
import rclpy
from rclpy.node import Node
from rclpy.executors import SingleThreadedExecutor
from std_msgs.msg import Float32
from geometry_msgs.msg import Twist

class Sensor(Node):
    def __init__(self):
        super().__init__('sensor')
        self.pub = self.create_publisher(Float32, 'range', 10)
        self.k = 0
        self.create_timer(0.1, self.tick)

def tick(self):
        # der Roboter rollt mit 1 m/s auf eine Wand zu: alle 0,1 s 0,1 m näher
        msg = Float32()
        msg.data = max(0.2, 2.0 - 0.1 * self.k)
        self.k += 1
        self.pub.publish(msg)

class Filter(Node):
    def __init__(self):
        super().__init__('filter')
        # 'window' deklarieren, den gleitenden Mittelwert auf range_avg veröffentlichen und protokollieren

class Safety(Node):
    def __init__(self):
        super().__init__('safety')
        # 'stop_m' deklarieren, range_avg abonnieren und Twist() veröffentlichen, sobald der Wert darunter liegt

rclpy.init()
executor = SingleThreadedExecutor()
for node in (Sensor(), Filter(), Safety()):
    executor.add_node(node)
executor.spin()

Bauen und kaputt machen

1BauenAls Nächstes

Bis auf die nackte Platine zerlegen

Zieh das Netzteil ab und nimm dann jedes Bauteil ab. Der Pi 5 ist gebaut wie jedes moderne Board: zuerst die SMD-Bauteile, dann die bedrahteten Anschlüsse von niedrig nach hoch, und die microSD-Karte und der Active Cooler zuletzt.

Die SMD-Bauteile bestücken, dann reflowlöten

Die niedrigen bedrahteten Bauteile einsetzen

Die hohen Anschlüsse einsetzen

Die bedrahteten Lötstellen löten

Die microSD-Karte einschieben

Den Active Cooler montieren

Das 27-W-USB-C-Netzteil einstecken

Den ROS-2-Fahrknoten ausführen

Versorgung und Wärme prüfen

Kaputt machen: über ein Handy-Ladegerät mit 5 V und 2 A versorgenKaputt machen

Kaputt machen: ohne Active Cooler betreibenKaputt machen

Kaputt machen: eine kalte Lötstelle am LüfteranschlussKaputt machen

Kaputt machen: Antriebsmotoren an den 5 V des PiKaputt machen

Kaputt machen: die 5 V des Roboters verpolt angeschlossenKaputt machen

Kaputt machen: 12 V an die 5-V-PinsKaputt machen

Explosionsansicht

Auf der Werkbank

Ausgewählt

Sofort: schaltet direkt um, ohne Upload

Code: Booten und prüfen

# boot_check.py: nach dem ersten Boot ausführen, um zu sehen, ob der Pi gesund ist
# auf einer frischen SD-Karte zuerst aktualisieren:
#   sudo apt update && sudo apt full-upgrade
from pathlib import Path
import subprocess


def vcgencmd(*args):
    out = subprocess.run(['vcgencmd', *args], capture_output=True, text=True, check=True)
    return out.stdout.strip()


model = Path('/proc/device-tree/model').read_text().rstrip('\x00')
print(model)                             # Raspberry Pi 5 Model B Rev 1.0
print(vcgencmd('get_throttled'))         # throttled=0x0: Die Versorgung ist nie eingebrochen
print(vcgencmd('measure_temp'))          # CPU-Temperatur
print(vcgencmd('measure_clock', 'arm'))  # Arm-Takt: 2400000000 Hz bei voller Geschwindigkeit

Drei Knoten: Sensor, Filter, Sicherheitsstopp

Python

Prüfungen

Noch nicht ausgeführtDeklariert window und stop_m und abonniert range
Noch nicht ausgeführtDer Filter protokolliert für jeden Messwert einen Mittelwert
Noch nicht ausgeführtDer Sicherheitsknoten stoppt innerhalb von 2 Sekunden bei 0,45 m

Tipps

Filter: Führ eine Liste, häng jeden Messwert an, mach pop(0), wenn sie länger als das Fenster wird, und veröffentliche sum / len.
Sicherheit: Merk dir, dass du angehalten hast, damit die Warnung nur einmal erscheint.
Mit einem Fenster von 4 fällt der Mittelwert bei 0,45 m zum ersten Mal unter 0,5 m: Protokollier f'obstacle at {msg.data:.2f} m: stop'.
Auf einem Pi: ros2 pkg create --build-type ament_python my_robot, eine Launch-Datei mit DeclareLaunchArgument, dann ros2 bag record -a und ros2 bag play.

Code für Drei Knoten: Sensor, Filter, Sicherheitsstopp

class Filter(Node):
    def __init__(self):
        super().__init__('filter')
        # 'window' deklarieren, den gleitenden Mittelwert auf range_avg veröffentlichen und protokollieren

class Safety(Node):
    def __init__(self):
        super().__init__('safety')
        # 'stop_m' deklarieren, range_avg abonnieren und Twist() veröffentlichen, sobald der Wert darunter liegt

rclpy.init()
executor = SingleThreadedExecutor()
for node in (Sensor(), Filter(), Safety()):
    executor.add_node(node)
executor.spin()

Raspberry Pi 5

Die Werkbank

Bauen und kaputt machen

Bis auf die nackte Platine zerlegen

Die SMD-Bauteile bestücken, dann reflowlöten

Die niedrigen bedrahteten Bauteile einsetzen

Die hohen Anschlüsse einsetzen

Die bedrahteten Lötstellen löten

Die microSD-Karte einschieben

Den Active Cooler montieren

Das 27-W-USB-C-Netzteil einstecken

Den ROS-2-Fahrknoten ausführen

Versorgung und Wärme prüfen

Kaputt machen: über ein Handy-Ladegerät mit 5 V und 2 A versorgenKaputt machen

Kaputt machen: ohne Active Cooler betreibenKaputt machen

Kaputt machen: eine kalte Lötstelle am LüfteranschlussKaputt machen

Kaputt machen: Antriebsmotoren an den 5 V des PiKaputt machen

Kaputt machen: die 5 V des Roboters verpolt angeschlossenKaputt machen

Kaputt machen: 12 V an die 5-V-PinsKaputt machen

Explosionsansicht

Absichtlich kaputt machen

Unterspannung durch ein Handy-Ladegerät

Kein Active Cooler

Kalte Lötstelle am Lüfteranschluss

Brown-out: Motoren an der 5-V-Schiene des Pi

Verpolung an den 5-V-GPIO-Pins

12 V an den 5-V-Pins

Keine microSD-Karte

PMIC weggelassen

BCM2712 weggelassen

RAM weggelassen

RP1 weggelassen

Live-Status

Stromaufnahme

Teste dich selbst

Nach: Die SMD-Bauteile bestücken, dann reflowlöten

Nach: Die bedrahteten Lötstellen löten

Nach: Das 27-W-USB-C-Netzteil einstecken

Nach: Den ROS-2-Fahrknoten ausführen

Nach: Kaputt machen: über ein Handy-Ladegerät mit 5 V und 2 A versorgen

Nach: Kaputt machen: ohne Active Cooler betreiben

Abschlussquiz der Werkbank

Die Werkbank im Überblick

Quellen

Auf der Werkbank

Übungsaufgaben

/cmd_vel mit einem Timer mit 10 Hz veröffentlichen

Prüfungen

/cmd_vel in Radgeschwindigkeiten umrechnen

Prüfungen

Drei Knoten: Sensor, Filter, Sicherheitsstopp

Prüfungen

Raspberry Pi 5

Die Werkbank

Bauen und kaputt machen

Bis auf die nackte Platine zerlegen

Die SMD-Bauteile bestücken, dann reflowlöten

Die niedrigen bedrahteten Bauteile einsetzen

Die hohen Anschlüsse einsetzen

Die bedrahteten Lötstellen löten

Die microSD-Karte einschieben

Den Active Cooler montieren

Das 27-W-USB-C-Netzteil einstecken

Den ROS-2-Fahrknoten ausführen

Versorgung und Wärme prüfen

Kaputt machen: über ein Handy-Ladegerät mit 5 V und 2 A versorgenKaputt machen

Kaputt machen: ohne Active Cooler betreibenKaputt machen

Kaputt machen: eine kalte Lötstelle am LüfteranschlussKaputt machen

Kaputt machen: Antriebsmotoren an den 5 V des PiKaputt machen

Kaputt machen: die 5 V des Roboters verpolt angeschlossenKaputt machen

Kaputt machen: 12 V an die 5-V-PinsKaputt machen

Explosionsansicht

Absichtlich kaputt machen

Unterspannung durch ein Handy-Ladegerät

Kein Active Cooler

Kalte Lötstelle am Lüfteranschluss

Brown-out: Motoren an der 5-V-Schiene des Pi

Verpolung an den 5-V-GPIO-Pins

12 V an den 5-V-Pins

Keine microSD-Karte